TYDR-A型道岔融雪系統滑床板強度的計算和實驗校核

李秀杰 邱戰國 屠志平

1 道岔融雪裝置研制的背景

道岔是鐵路車站運輸設備的重要組成部分,它的工作狀態直接影響到列車的接發、會讓、調車等作業,是鐵路運輸安全、正點、大密度開行的前提。按照 《鐵路技術管理規程》規定,尖軌與基本軌之間水平間隙超過 4 mm時,不能鎖閉或開放信號機。因此,保證道岔鎖閉狀態時尖軌與基本軌之間的密貼非常重要。經過實際調查,冬季積雪是造成道岔尖軌不能密貼的重要因素之一,對道岔鎖閉影響較大,是亟待解決的問題。

采用電熱融雪具有潔凈環保、無污染、安全可靠、易于實現遠程控制和自動控制的優點,因此電熱融雪方式成為道岔融雪的主流方式。

近幾年鐵路既有線大提速,高速列車及客運專線列車大量開行。貨運重載也成為運輸的主流和方向。保障道岔時刻處于良好運行狀態的重要性不言而喻。在這個背景下,中國鐵道科學研究院通信信號研究所研制了 TYDR-A型電加熱道岔融雪系統。這套系統可以實現對道岔融雪裝置的自動啟動和停止;配有監控系統,可以實現遠程控制和自動控制;自動與手動控制方式切換、故障報警等功能。本文主要對系統中直接加熱的部件——電加熱體的安裝方式進行介紹和比較。

2 電加熱體的幾種安裝形式及比較

目前,市場上有幾種電熱融雪系統,其加熱體的加熱方式各不相同。有電加熱管方式 (如圖 1),電加熱條方式 (如圖 2)和電加熱片方式 (以下稱為電加熱單元方式)(如圖 3)。從技術參數上,電加熱管表面加熱溫度高,熱量直接傳遞至滑床臺;電加熱條設置導熱板,可增加導熱面積。但這 2種方式也存在一些不利之處。

電加熱管方式中,各加熱管串聯連接,一個加熱管的故障會造成一組加熱管無法正常工作。而且這種加熱管由于內部結構的問題容易造成 “干燒”,壽命短,故障率高,安裝拆卸不方便。

電加熱條比電加熱管方式的優點在于:增大了接觸面積,傳熱更快。但加熱條仍然外露,對空氣的散熱也快,熱損失大;部分加熱條直接加熱基本軌,而基本軌是長度上連續的良導體,因此熱量很大一部分通過基本軌傳導到空氣中,或者用于融化相對不重要地方的積雪,對道岔尖軌密貼貢獻比較小,無效耗熱大,因此整體熱效率低。在相同融雪效果時,費用會比較高。

電加熱片,即電加熱單元方式中,加熱片本身面積比較大,與被加熱物體——滑床板的接觸面積就大,因此傳熱速度快,加熱均勻。加熱片安裝在滑床板下面,而不是暴露在空氣中,直接散失在空氣中的熱量小,熱損失小。支架的細節設計和加工工藝保證了加熱片與滑床板的密貼。滑床板的金屬材質是熱的良導體,且接觸面積大,從而有效避免局部 “干燒”情況。熱源安裝在被加熱物體下方,有利于熱量的傳遞。

綜合以上幾個特點,電加熱片方式達到了高效、節能的目的,從而降低了運營費用。而熱效率在此不僅僅體現在節能上,更能體現在融雪時間上。站場在設計電力容量時會綜合考慮一次性投入和使用頻度等各種因素,因此容量設計有一定的限度,能夠在有限的功率下達到更好地融化關鍵部位積雪非常重要,高的導熱效率就更能經得起大雪的考驗。這一指標也體現了產品的設計難度和設計水平。

3 滑床板強度的計算和實驗

從圖 3中我們可以看到,加熱片是安裝在滑床板下面的,因此就不可避免的需要對滑床板進行加工。而加工后的滑床板的強度和壽命問題就需要進行驗證。

圖 4顯示的是滑床板的加工部位,即在滑床板底面加工出 2個淺槽。經過支架固定的加熱片即放在這 2個槽中。為了驗證滑床板能否經得起實際使用中強度和壽命的考驗。我們對滑床板進行了理論計算和實驗驗證。

3.1 最大應力位置的確定

通過計算機仿真建模,對滑床板進行了有限元分析,見圖 5。計算結果顯示圖中箭頭指示位置應變最大,與未加工的滑床板的應變比例為2.79:1。通過有限元計算我們找出了最大應變位置,實驗中取此位置貼應變片,并知道了加工前后應變的大致比例范圍。

圖 4 加工后的滑床板

圖5 滑床板應變的有限元分析

實驗中取加工前后的滑床板同一位置貼應變片,保證實驗數據的可比性。

3.2 最大載荷的確定

確定最大應力的計算依據為: 《TB2034-88鐵路軌道強度檢算法》。采用的計算模型和其中參數的選取均出自此標準,參數選取過程中均以最不利的情況作為計算條件。滑床板所受動壓力與以下參數有關:作用在鋼軌上的靜輪載;鋼軌支座剛度;軌枕間距;鋼材的彈性模量;鋼軌斷面的慣性矩;輪載到計算斷面的距離;速度系數等。分別計算在以下 2種情況下滑床板所受動壓力。

1.軸重 17 t的動車組以 350 km/h速度通過走行軌為 50 kg/m的道岔時。

2.軸重 25 t的貨車車輛以 120 km/h速度通過走行軌為 50 kg/m的道岔時。

作用在鋼軌上的靜輪載分別以客運 “和諧號”動車組軸重 17 t和貨運重載車輛軸重 25 t為條件,25 t為目前運行車輛的最大重量;鋼軌支座剛度為常數;軌枕間距取最大砼枕間距,此為最不利條件;鋼材的彈性模量為常數;鋼軌斷面的慣性矩,以 50 kg/m鋼軌為計算條件,與60 kg/m比較條件更苛刻;輪載到計算斷面的距離,以 “和諧號”動車組和重載貨車 C70車體車軸間距為計算依據;速度系數分別以客運速度 350 km/h,貨運速度120 km/h為計算條件,分別為客、貨運車輛開行車輛的最高速度。

通過計算可知,軸重17t的動車組以 350 km/h速度通過道岔時,滑床板所受動壓力為 61.0 kN;軸重 25 t的貨車車輛以 120 km/h速度通過道岔時,滑床板所受動壓力為 68.3 kN。考慮最不利情況,取滑床板所受動壓力為 68.3 kN。計算過程中,所有計算條件均以最不利的情況設定。在進行滑床板強度試驗時,取 25%的設計富余量,最大加載力取 85 kN。

3.3 載荷加載規律及方式

實驗條件如圖 6所示,滑床板下面墊有鐵路道岔專用橡膠墊板。基礎采用道岔用軌枕,滑床板兩端用螺栓緊固,緊固力均與現場使用條件一致。載荷加載規律:載荷范圍 0kN～85 kN,每次增加載荷 5 kN,每次加壓后保壓 1min,觀察應變變化規律 (是否出現屈服),記錄讀數。

3.4 實驗結論

滑床板靜載實驗結論:當垂向載荷加至 85 kN時,無開槽墊板最大應力為 63.34 MPa,開兩槽墊板最大應力為 150.58 MPa,均未達到滑床板原材料 Q235的屈服強度 235MPa。

圖 6 滑床板靜載實驗

實驗中加工與未加工滑床板同一位置應力的比例為 2.37:1。驗證了前面仿真計算比例 2.79:1的基本準確。

實驗中,在加載力為最大動載荷 1.25倍時,應力的安全余量為 57%。因此可以認為加工了淺槽的滑床板仍然滿足目前中國鐵路客運高速和貨運重載的需要。

4 結論

1.與其他加熱形式相比,電加熱單元方式 (即電加熱片)具有加熱速度快、節能、高效的優點,是電加熱道岔融雪設備中較為理想的電加熱方式。

2.經過理論計算和強度實驗,供電加熱單元安裝使用的加工了淺槽的滑床板仍然滿足目前中國鐵路客運高速和貨運重載的需要。

(責任編輯:張 利)