無縫線路局部快速降溫分析研究

劉信立

無縫線路解決了普通線路的許多問題，然而，當軌溫改變時，鋼軌不能自由伸縮在內部會產生巨大的溫度力，尤其是在具有初始彎曲矢度地段，將造成局部鋼軌隆起，導致鋼軌溫度力分布不均，一定范圍內產生縱向位移和橫向位移，嚴重時影響列車的行車安全。

1 研究背景

本文結合路局工務段實踐應用的一種快速降溫裝置——快速氣體鋼軌降溫器，利用高壓氣體的熱力學膨脹原理和節流膨脹的熱力過程產生的大制冷量而造成的低溫環境，以實現鋼軌局部快速降溫，該裝置可以根據降低軌溫的需要進行施冷控制，一般在20 min～30 min內使鋼軌下降10℃～15℃。

2 建模分析

本文通過建立無縫線路局部快速降溫的力學分析模型，應用商業有限元軟件進行鋼軌局部降溫建模，分析研究降溫前后的鋼軌縱向約束力，縱橫向位移的變化對比分析以及實施降溫的合理位置。根據軌道結構的實際受力狀態建立有限元模型，每0.6 m為一個節點，使其便于在節點上施加溫度荷載分析溫度應力。每0.6 m設置扣件單元和道床彈簧—阻尼單元，每個均視為一個獨立的單元體。在軌枕單元劃分時注意了在其和彈簧單元連接處劃分節點，以保證軌枕單元與彈簧單元的連接。對Combine39彈簧單元進行全約束。鋼軌用ANSYS中的空間桿單元Link8模擬，在耦合場分析中和Link33單元相互轉化。

3 參數選擇

在計算中，采用我國Ⅲ型混凝土枕有砟軌道，1 680根/km，采用彈條Ⅱ型扣件，鋼軌為P60焊接長軌條，扣件縱向阻力大于軌枕在道床中的縱向阻力。因此，在有砟混凝土枕線路中道床縱向阻力為有效阻力。鋼軌與由快速強制降溫器產生的氣流在制冷空間內直接與鋼軌表面進行氣—固界面的熱傳遞，產生對流，對流系數為65 kJ/(m2·℃·h)。屏蔽罩長2 m，工作時與冷卻器組合在一起，構成降溫總有效長度為6 m。分析時取0.6 m為一個鋼軌單元，降溫位置選取為鋼軌有可能發生因溫度應力而發生漲軌臌曲的中間位置和兩側位置。

4 計算結果分析

假設初始不平順的形狀對稱，且以整個模型進行分析，鋼軌兩端都簡化為固定約束，鋼軌初始彎曲曲線采用正弦曲線，即：

其中，f為初始彎曲矢度;l0為初始彎曲弦長，取l0=6.248 m，初始彎曲位于模型鋼軌的中部進行鋼軌降溫后的溫度力重分布以及鋼軌的縱向位移、橫向位移的分析。

1)在鋼軌有可能發生臌曲處降溫分析。

降溫中點位于鋼軌初始彎曲的中點，降溫總有效長度為6.0 m，降溫幅度由60℃降至40℃。經計算得出數據見圖1～圖3。

由圖1～圖3可知，當溫度均勻升高至60℃再在初始彎曲矢度局部施加降溫后可知，在鋼軌中間處溫度力減小，但鋼軌縱向位移則在距中間點兩側3.0 m處由1.43 mm突增至3.1 mm;鋼軌的橫向位移在中間位置由3.90 mm收縮至2.90 mm，但在兩側3.60 m處即軌道的初始彎曲長度和降溫器有效長度重合部分，橫向位移則由2.85 mm伸展到4.00 mm，其他節點處橫向位移也有少許增加。可見，在此位置降溫并不能起到減少鋼軌縱、橫位移量的效果，反而促使鋼軌位移進一步加大。

2)在鋼軌有可能發生臌曲兩側降溫分析。

在其他的軌道結構條件及參數與分析1)中相同，降溫相對位置－12 m～－6 m，6 m～12 m，由60℃降至40℃。經計算得出數據如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，當溫度均勻升高至60℃后在臌曲兩側實施局部降溫后可知，在降溫器兩側由于軌溫的降低，局部溫度力明顯減小，鋼軌所受縱向約束力與降溫之前相比，在彎曲矢度開始處亦大幅減小;鋼軌縱向位移由彎曲矢度開始處即兩側3 m處由1.42 mm減少到0.81 mm;鋼軌的橫向位移在中間位置則由3.98 mm減少至2.97 mm，在兩側3.6 m處即軌道的初始彎曲長度和降溫器開始降溫的重合部分，橫向位移則由2.85 mm減少到2.19 mm，其他節點處橫向位移也有少許減小。

可見，在此位置降溫能一定程度上起到減少鋼軌縱、橫位移量的效果，這也進一步證實了當由于不平衡溫度力的作用使得初始彎曲段產生附加拉力時，會阻礙軌道框架橫向位移的發展，有利于軌道的橫向穩定性。亦可由此說明，在發生臌曲的兩側實施局部降溫，能在一定程度上減少脹軌跑道的可能性，達到緊急處理的目的。

3)在鋼軌有可能發生臌曲一側降溫分析。

在其他的軌道結構條件及參數與以上兩種工況取值相同，降溫位置選于鋼軌模型中的相對中點位6 m～12 m處進行降溫，降溫幅度由60℃降至40℃。經計算得出數據如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可看出，當溫度均勻升高至60℃再在臌曲一側實施局部降溫后可知，鋼軌所受縱向約束力與降溫之前相比，在降溫一側結果和2)中工況情況大體相同，亦能在降溫側有明顯的效果，但對臌曲地段橫向位移的影響不是很大，故本文還是建議在工程實踐中條件允許的情況下，采用兩端同時進行降溫。

5 主要結論及建議

用快速降溫器在處于初始彎曲矢度中心降溫時，不能起到減少鋼軌縱、橫位移量的問題，反而促使鋼軌位移進一步加大，不利于軌道的橫向穩定性。降溫位置處于初始彎曲矢度兩側時，能一定程度上減少局部溫度力，減少脹軌跑道的可能性，達到緊急處理的目的。建議在降溫過程后再予以監控，并加強軌道結構強度，選擇合適的時機進行線路撥正，強化防脹意識。

［1］ 郝 瀛.鐵道工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2000.

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