道岔钢轨融雪加热条安装方式的研究

乔神路

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京　100055)

Research on Installation Method of Snow Melting Heating Strips on Turnout Rail

QIAO Shenlu

道岔钢轨融雪加热条安装方式的研究

乔神路

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京100055)

Research on Installation Method of Snow Melting Heating Strips on Turnout Rail

QIAO Shenlu

摘要利用有限元软件，建立整组道岔的空间耦合模型及转辙器钢轨的细部模型，对融雪加热条卡具钻孔安装前后道岔钢轨的受力变形进行对比分析，并对钻孔安装方案进行优化研究。结果表明：在最不利荷载作用下，道岔钢轨钻孔后的受力变形均满足要求，卡具钻孔安装方案可行；在保证融雪加热条与钢轨密贴且固定牢靠的条件下，为减小钢轨钻孔后的受力及变形，卡具应安装于枕中钢轨处，且间距不宜过小。

关键词融雪条卡具钻孔安装有限元优化研究

北方地区冬季冰雪天气频繁，积雪清理不及时或不彻底常常影响道岔的正常使用，影响行车安全。为此，道岔融雪设备得到广泛应用[1-3]。加热条是融雪设备的重要组成部分，目前主要采用卡具通过基本轨轨底将其箍于钢轨。由于铁路行车密度大、运量高，道岔经过长时间使用后，滑床板发生磨损，高度降低，尖轨底部与基本轨发生接触。在列车荷载反复作用下，基本轨轨底斜面受到尖轨挤压作用，加热条卡具受剪发生破坏，进而影响融雪设备的正常使用。

针对上述问题的处理方法主要有两种，一是对道岔病害进行整治，通过更换伤损部件保证道岔的正常使用，但这种方法实施不便，费用较高，工作量较大；二是改变卡具的固定方式，在道岔枕中的基本轨轨腰钻孔，采用螺栓将卡具固定。该方法简单可行，费用低，可有效避免卡具损坏，但在钢轨上钻孔可能会对道岔钢轨的受力变形产生不利影响。

目前，国内外相关研究多集中于道岔的无缝化及结构选型，融雪加热条卡具安装对道岔影响的相关研究较少[4-7]。在既有研究的基础上，利用有限元软件，建立了整组道岔的纵-横-垂向空间耦合模型及钻孔安装区域的细部实体模型，从钢轨的受力和变形等方面，对加热条卡具钻孔安装对道岔的影响及其优化措施进行研究。

1模型建立及计算参数

1.1　整体模型

在道岔荷载的传递过程中，参与传力作用的主要有钢轨、扣件、岔枕等部件。以12号有砟轨道单开道岔为例，通过对不同部件分别进行模拟，建立整组道岔的空间耦合模型。

(1)采用空间梁单元模拟钢轨

钢轨截面及材料特性如下：截面面积77.45 cm2，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，线膨胀系数1.18×10-5/℃。钢轨根据支承节点划分单元，可全面考虑纵、横、垂位移及转角。

(2)采用非线性弹簧单元模拟扣件纵、横向阻力

道岔区内采用Ⅱ型弹条扣件，纵向阻力为10 kN/组。扣件横向刚度取50 kN/mm，轨下橡胶垫板刚度取为90 kN/mm。

(3)采用非线性弹簧单元模拟道床阻力

区间道床纵向阻力12 kN/枕，道床横向阻力10 kN/枕，据此换算得出岔枕单位枕长的纵横向阻力；枕下道床支承刚度为100 kN/mm[8]。

(4)采用空间梁单元模拟岔枕及岔外区间轨枕

材料特性如下：弹性模量3.6×104MPa，泊松比0.2，线膨胀系数1.0×10-5/℃。混凝土枕根据支承节点划分单元，可全面考虑各个方向的位移及转角。

1.2　转辙器细部模型

钢轨钻孔区域的细部模型包括基本轨、尖轨、融雪加热元件、铁垫板、扣件、滑床板和岔枕等部件(如图1)。

图1　道岔整体模型及细部模型

采用实体单元模拟钢轨及轨枕，材料特性与整体模型相同。钢轨材质为U75V，屈服强度472 MPa，热传导系数58/W/(m·K)。

采用实体单元模拟铁垫板、滑床台及加热条。加热条材料特性如下：弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，热传导系数20/W/(m·K)，线膨胀系数1.72×10-5。

所建立的空间耦合模型充分考虑了道岔尖轨截面变化、密贴段基本轨两侧不同扣压方式，以及铁垫板、滑床台等细部结构尺寸的影响，能够计算钢轨在温度、车辆等不同荷载作用下的受力变形，可满足道岔钢轨融雪加热条安装方式研究的需要。

1.3　荷载工况

利用整体模型计算钢轨温度应力时，钢轨最大温度变化幅度取为55 ℃。根据铁路运营的实际情况，利用细部模型计算钢轨动弯应力时，考虑列车过岔速度系数的影响，车轮准静态垂向荷载取为220 kN，横向轮载取为垂向轮载的0.8倍。

2钢轨钻孔的影响分析

2.1　融雪装置非工作状态的强度检算

在温度荷载与车辆荷载作用下，钻孔与不钻孔的基本轨受力主要计算结果对比见表1，钻孔钢轨的应力分布如图2所示。由计算结果可知，在车辆荷载作用下，钢轨在钻孔后的位移及应力略有增加，其中最大应力增大约1.34 MPa，增幅为0.8%。整体上看，钻孔对钢轨受力及变形的影响不大。

图2　钻孔钢轨应力分布

计算方案温度应力/MPa轨头压应力/MPa轨底拉应力/MPa钢轨垂向位移/mm钢轨横向位移/mm钻孔前168.63167.98105.803.3773.377钻孔后168.63169.32106.023.3780.390

钢轨应力检算如下。

轨头应力：σd1+σt+σc=169.32+168.63+10=347.95 MPa≤[σ]=363 MPa

轨底应力：σd2+σt+σc=106.02+168.63+10=284.65 MPa≤[σ]=363 MPa

2.2　融雪装置工作状态的强度检算

融雪装置工作时，加热条附近的钢轨轨温会发生较大的变化，影响钻孔处的钢轨应力。考虑钢轨的热传导作用，基本轨的应力分布结果如图3所示。根据计算，钢轨应力最大值为91.56 MPa，出现在螺孔处，为纵向拉应力。

考虑热传导作用、车辆荷载、温度荷载、制动荷载的叠加影响，螺孔处的钢轨应力检算如下：

图3　钻孔钢轨应力分布

91.56=317.22MPa≤[σ]=363MPa

综合融雪装置不同工作状态下的钻孔钢轨受力变形计算，钢轨整体及螺栓孔强度均能满足检算要求，道岔钢轨加热条卡具的钻孔安装可行。

3钢轨钻孔的优化研究

通过调整螺栓孔直径及螺栓孔间距，对道岔钢轨加热条卡具的不同安装方案进行对比研究。道岔钢轨加热条卡具的不同安装方案见表2，计算结果对比见表3。

表2　加热条卡具安装方案

表3　不同方案计算结果对比

由计算结果可知，采用枕上钻孔方案，钢轨变形较小，但轨头应力较大，不仅钻孔作业不便，卡具安装还有可能与顶铁、扣件发生冲突；枕间钻孔方案易于实施，虽然钢轨轨底应力及变形稍大，但均满足检算要求，枕间钻孔方案更为合适。随着螺栓孔径的增加，钢轨受力及变形均有所增大，较大孔径不利于道岔钢轨的正常使用；增大螺栓孔间距可减小钢轨的受力及变形，但可能影响融雪加热条与钢轨的密贴效果。整体上看，在保证融雪加热条与钢轨密贴且固定牢靠的条件下，卡具安装钻孔方案宜选择较小孔径及较大间距。

4结论

利用有限元方法，建立了整组道岔的空间耦合模型及转辙区钢轨的细部模型，对道岔钢轨加热条卡具安装方案进行了理论分析计算，并对卡具安装方式进行了优化。主要结论如下：

(1)道岔钢轨融雪加热条卡具钻孔安装对钢轨受力变形影响不大，方案可行。

(2)融雪加热条卡具安装应在枕中钻孔；螺孔宜选择较小孔径及较大间距。

(3)卡具安装应保证融雪加热条的固定牢靠及与钢轨的密贴，螺孔应均匀，避免应力集中。

参考文献

[1]宋志.电加热道岔融雪系统[J].中国铁路：2010(8)：18-21

[2]李向东.大秦线电加热道岔融雪系统介绍[J].科技情报开发与经济，2008，18(20)：188-189

[3]北京中铁通电务技术开发中心.电加热道岔融雪系统维护管理手册[R].北京：北京中铁道电务技术开发中心，2008

[4]高亮.轨道工程[M].北京：中国铁道出版社，2010

[5]中铁宝桥集团有限公司.铁路道岔参数手册[M].北京：中国铁道出版社，2009

[6]曲村，高亮，田彩英.首都机场线地面线无缝道岔群的受力及变形[J].都市快轨交通，2009，229(2)：62-67

[7]曲村，高亮，陶凯.无砟轨道18号无缝道岔尖轨跟端结构选型[J].北京交通大学学报，2009，33(4)：115-118．

[8]中华人民共和国铁道部.TB10082—2005铁路轨道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

中图分类号：U213.6

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0110-03

作者简介：乔神路(1985—)，男，工学博士，工程师。

收稿日期：2015-03-16