CN113960097A - 一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法 - Google Patents

一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法 Download PDF

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刘相会
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Beijing Tieke Special Engineering Technology Co Ltd
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中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所
中铁二十一局集团有限公司
中国铁路兰州局集团有限公司
北京铁科特种工程技术有限公司
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Abstract

本发明公开了一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法，属于铁路融雪技术领域，包括用于构建试验环境的试验箱、道岔试验板、钢轨、加热管道、外部加热源以及设置于道岔试验板内的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器平行接触设置，且沿加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置，控制器用于控制外部加热源、光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。本发明在道岔试验板内沿加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置有光纤光栅应变传感器，并获得道岔试验板的温度应力，对比道岔试验板的最大温度应力与道岔试验板强度的关系，确定不同环境温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度。

Description

一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法
技术领域
本发明属于铁路融雪技术领域，特别涉及一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法。
背景技术
道岔区域尖轨与轨道板间积雪结冰，影响尖轨正常转换，威胁列车运行安全。近年来，随着传热领域的发展，研究人员通过在轨道板内部布置地源热泵加热管或电加热管等加热元件，依靠热量传导融化尖轨与轨道板间的冰雪，较传统的人工法和机械清除法均具有融雪效果好、效率高、可控性强等优点。例如实用新型专利CN201920003564.9“一种适用于普速铁路的道岔融雪加热装置”和实用新型专利CN201620870535.9“一种基于地源热泵的铁路道岔融雪装置”等技术公开了将电加热或地源热泵加热管道埋置在道床板内部，通过热量传递实现铁道道岔融雪化冰的目的。以上方法均实现了良好的融雪化冰目的，保障降雪过程中道岔尖轨正常转动。但是这些方法均未考虑温度对轨道造成的应力问题。
目前，研究人员分析了不同环境条件、不同加热管道布置下加热条件对道岔温度场和融雪化冰性能的影响，并建议采用较高的加热温度来保障融雪性能。然而，加热融雪道岔不仅需关注其融雪化冰功能，更重要的是其力学性能应满足安全需求。本发明通过前期试验发现在极端低温环境下采用较高的加热温度，混凝土板在温度应力作用下出现大量裂缝，严重影响道岔的耐久性和安全性。发明专利“一种多功能融冰雪路面试验装置及评价方法(CN201610133410.2)”公开了一种多功能融冰雪路面试验装置及评价方法，通过在混凝土预制构件内部埋置加热元件模拟电加热和流体加热，并在加热元件管壁粘贴应变片，获得加热系统融雪化冰性能和管壁附近混凝土的疲劳寿命。该发明存在的问题：一是该发明针对加热管壁处混凝土的温度应变，然而，道岔结构混凝土的破坏通常发生于表面位置，因此需要进行道岔不同位置的温度应力及破坏特性分析；二是采用电阻应变片监测混凝土内部应变存在困难，电阻应变片通常通过电阻值来反应试件表面在荷载作用下的应变变化，由于电阻应变片的电阻值会随温度发生变化，为保证数据真实性需要进行单独温度补偿应变片的设置，而在混凝土内部温度应变监测时难以设置仅发生温度变化而不产生应变的温度补偿电阻应变片；三是混凝土的温度应力与温度应变并不呈线性关系，因为有一部分混凝土的热膨胀变形为自由变形，并不产生温度应力。
因此，针对不同的环境条件和管道布置参数，分析加热融雪道岔的温度应力，确定温度应力与道岔混凝土强度匹配时所对应的临界加热参数，可为加热融雪道岔系统运行提供指导，具有较好的现实意义和理论价值。
发明内容
针对上述的问题，本发明提供一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置及方法，该装置包括：
用于构建试验环境的试验箱；
设置于所述试验箱内的道岔试验板；
设置于所述道岔试验板表面上的钢轨；
设置于所述道岔试验板内部且位于所述钢轨下方的加热管道；
设置于所述试验箱外的控制器和用于供所述加热管道加热的外部加热源；
设置于所述道岔试验板内的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；
其中，所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器平行接触设置，且沿所述加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置，所述控制器用于控制所述外部加热源、所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器。
优选的是，所述加热管道的埋置深度为5cm～20cm，所述加热管道的相邻间距为10cm～30cm，所述加热管道的直径为2cm～4cm。
优选的是，所述试验箱内设置有温度传感器和风速调节器，且所述控制器用于控制连接所述温度传感器和所述风速调节器。
本发明还提供一种加热融雪道岔临界运行策略试验方法，包括
根据加热管道设定的间距和埋深，在道岔试验板上对应置入所述加热管道；
根据光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的阵列设置，在所述道岔试验板上对应置入所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器；
利用控制器控制风速调节器向试验箱内吹冷风和雪花，模拟成雪天天气的环境，且通过温度传感器测得所述试验箱内温度达到试验所需环境温度；
当所述试验箱内温度达到试验所需环境温度，所述控制器启动外部加热源加热加热管道；
记录光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的实时数据，并根据公式计算获得不同位置处所述道岔试验板的应变；
X＝a·ΔT+b·ε；
Y＝c·ΔT；
式中：X为光纤光栅应变传感器的波长；Y为光纤光栅温度传感器的波长；T为温度；ε为应变；a，b，c为光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的系数，通常为固定值；
根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度。
优选的是，根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度包括：
根据热弹性力学公式，所述道岔试验板温度应变受到约束产生温度应力为：
Figure BDA0003326440080000031
式中：σx，σy为沿所述道岔试验板长度和高度方向的主应力；εx，εy为沿所述道岔试验板长度和高度方向的主应变；τxy为剪应力；γxy为剪应变；E为所述道岔试验板混凝土结构的杨氏模量；μ为所述道岔试验板混凝土结构的泊松比；α为所述道岔试验板混凝土结构的热膨胀系数；G为所述道岔试验板混凝土结构的剪切弹性模量；
根据物理方程与热平衡微分方程公式和几何方程公式求解获得所述道岔试验板不同环境温度的温度应力：
Figure BDA0003326440080000041
Figure BDA0003326440080000042
式中：u，v为沿所述道岔试验板长度和高度方向的位移分量。
与原有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在道岔试验板内沿加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置有光纤光栅应变传感器，这样可以实时监控道岔试验板不同位置处的应变，且为了消除温度变化引起的光纤光栅应变传感器波长值，在光纤光栅应变传感器的布设位置同时布设光纤光栅温度传感器进行温度补偿，使得数据更加准确并计算得到更加准确的应力，对比道岔试验板的最大温度应力与道岔试验板强度的关系，确定不同环境温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度。
附图说明
图1为本发明加热融雪道岔临界运行策略试验装置的结构图；
图2为本发明加热融雪道岔临界运行策略试验装置中的道岔实验板结构图；
图3为本发明中道岔实验板的温度应变监测试验结果图；
图4为本发明中道岔实验板的温度应变理论计算云图；
图5为本发明中道岔实验板的温度应力理论计算云图；
图6为本发明中道岔实验板的最大温度拉应力随环境温度和加热温度的变化图。
附图标记：
1、环境控制试验箱；2、道岔实验板；3、加热管道；4、环境控制试验箱温度传感器；5、环境控制试验箱风速调节器；6、钢轨；7、外部加热源；8、光纤光栅温度传感器；9、光纤光栅应变传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置，包括：
用于构建试验环境的试验箱；
设置于试验箱内的道岔试验板；
设置于道岔试验板表面上的钢轨；
设置于道岔试验板内部且位于钢轨下方的加热管道；
设置于试验箱外的控制器和用于供加热管道加热的外部加热源；
设置于道岔试验板内的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；
参照图2，光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器平行接触设置，且沿加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置，控制器用于控制外部加热源、光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。在道岔试验板中不同深度、不同位置均设有用于采集应变的光纤光栅应变传感器；且光纤光栅应变传感器的波长随温度与应变同时发生变化，为了消除温度变化引起的光纤光栅应变传感器波长值，在光纤光栅应变传感器的布设位置同时布设光纤光栅温度传感器进行温度补偿，通过光纤光栅温度传感器的波长值反算温度值，再利用应变传感器的波长值求得应变。
进一步地，加热管道的埋置深度为5cm～20cm，加热管道的相邻间距为10cm～30cm，加热管道的直径为2cm～4cm。
再进一步地，试验箱内设置有温度传感器和风速调节器，且控制器用于控制连接温度传感器和风速调节器，即温度传感器用于监控试验箱内的温度，风速调节器用于向试验箱内吹风和雪，用来模拟雪天天气。
本发明还提供一种加热融雪道岔临界运行策略试验方法，包括
根据加热管道设定的间距和埋深，在道岔试验板上对应置入加热管道；
根据光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的阵列设置，在道岔试验板上对应置入光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；
利用控制器控制风速调节器向试验箱内吹冷风和雪花，模拟成雪天天气的环境，且通过温度传感器测得试验箱内温度达到试验所需环境温度；
当试验箱内温度达到试验所需环境温度，控制器启动外部加热源加热加热管道；
记录光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的实时数据，并根据公式计算获得不同位置处道岔试验板的应变；
X＝a·ΔT+b·ε；
Y＝c·ΔT；
式中：X为光纤光栅应变传感器的波长；Y为光纤光栅温度传感器的波长；T为温度；ε为应变；a，b，c为光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的系数，通常为固定值；
根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度。
进一步地，根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度包括：
根据热弹性力学公式，所述道岔试验板温度应变受到约束产生温度应力为：
Figure BDA0003326440080000071
式中：σx，σy为沿道岔试验板长度和高度方向的主应力；εx，εy为沿道岔试验板长度和高度方向的主应变；τxy为剪应力；γxy为剪应变；E为道岔试验板混凝土结构的杨氏模量；μ为道岔试验板混凝土结构的泊松比；α为道岔试验板混凝土结构的热膨胀系数；G为道岔试验板混凝土结构的剪切弹性模量；
根据物理方程与热平衡微分方程公式和几何方程公式求解获得道岔试验板不同环境温度的温度应力：
Figure BDA0003326440080000072
Figure BDA0003326440080000073
式中：u，v为沿道岔试验板长度和高度方向的位移分量。
在本实施中，将试验箱中环境温度设置为-15℃，加热管道温度为30℃，加热管道升温速率为15℃/h，道岔实验板不同深度位置处的温度应变试验结果如图3所示，随着加热管道运行，道岔实验板不同位置处的温度应变均逐渐增加，由于加热管道壁处温度最高，升温速率最快，其温度应变也最大，道岔表面位置和底面位置温度应变相对较小。参照图4，按照加热时间0、2、4、6、10、14h布置的。图4中10为加热管道管壁处温度应变、11为加热管道之间的温度应变以及12为道岔试验板表面应变。由加热管壁向外部扩散，由于道岔温度在水平分布非均匀性，加热管道正上方的温度应变高于管间位置，而随着时间增加，道岔水平方向温度逐渐均匀，道岔表面温度应变趋于一致。最大温度应变出现在加热管壁位置，且随着时间增加逐渐增大。参照图5，与图4相对应的应力，图5中13为加热管道管壁处温度应力、14为加热管道之间的温度应力以及15为道岔试验板表面应变道岔温度应力。加热过程中加热管道附近的混凝土出现较大的压应力，相邻加热管道之间位置和道岔试验板表面位置出现较大的拉应力。加热2h时加热管道附近混凝土压应力为8Mpa，达到道岔试验板顶面混凝土抗压强度(50Mpa)的16％；相邻加热管道之间位置的拉应力为2Mpa，达到混凝土抗拉强度(5Mpa)的40％；表明加热融雪道岔在拉应力作用下的开裂风险高于压应力作用，即相邻加热管道之间位置为易破坏位置。随着加热时间继续增长，道岔温度应力逐渐降低，这是因为道岔内部温度梯度逐渐降低，由此表明道岔温度应力与温度应变随时间的变化规律存在较大差异，进一步论证了直接利用混凝土温度应变与弹性模量求解温度应力的方法存在一定的局限性。即加热管道温度作用下铁路道岔混凝土产生的应力与混凝土的弹性模量并不呈现正相关，因为只有混凝土温度应变受到约束才会产生温度应力，而道岔结构受热膨胀发生的自由变形不会产生温度应力，故根据热弹性力学公式，道岔试验板温度应变受到约束产生温度应力为：
Figure BDA0003326440080000081
式中：σx，σy为沿道岔试验板长度和高度方向的主应力；εx，εy为沿道岔试验板长度和高度方向的主应变；τxy为剪应力；γxy为剪应变；E为道岔试验板混凝土结构的杨氏模量；μ为道岔试验板混凝土结构的泊松比；α为道岔试验板混凝土结构的热膨胀系数；G为道岔试验板混凝土结构的剪切弹性模量；
为了求解上面公式的应力，将热平衡微分方程公式带入即可求解。
Figure BDA0003326440080000082
Figure BDA0003326440080000091
式中：u，v为沿道岔试验板长度和高度方向的位移分量。
参照图6，通过上述的方法，针对不同的环境温度，道岔最大拉应力均随着加热温度升高而逐渐升高，反之，针对不同的加热温度，道岔最大拉应力均随着环境温度升高而逐渐降低。对比道岔温度应力与混凝土抗拉强度可知，部分工况下道岔最大拉应力已经超过混凝土的抗拉强度，为了确定不同环境温度工况下的临界加热温度，采用线性拟合方法，确定在道岔温度拉应力达到混凝土抗拉强度时所对应的加热温度即为临界加热温度。如环境温度为-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃时对应的临界加热温度分别为37.8℃、43.7℃、49.6℃、55.5℃、60.8℃。其余工况下加热融雪铁路道岔临界加热条件确定方法，均可参考此实施例。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种加热融雪道岔临界运行策略试验装置，其特征在于，包括：
用于构建试验环境的试验箱；
设置于所述试验箱内的道岔试验板；
设置于所述道岔试验板表面上的钢轨；
设置于所述道岔试验板内部且位于所述钢轨下方的加热管道；
设置于所述试验箱外的控制器和用于供所述加热管道加热的外部加热源；
设置于所述道岔试验板内的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；
其中，所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器平行接触设置，且沿所述加热管道的轴线方向和深度方向阵列设置，所述控制器用于控制所述外部加热源、所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器。
2.如权利要求1所述的加热融雪道岔临界运行策略试验装置，其特征在于，所述加热管道的埋置深度为5cm～20cm，所述加热管道的相邻间距为10cm～30cm，所述加热管道的直径为2cm～4cm。
3.如权利要求1所述的加热融雪道岔临界运行策略试验装置，其特征在于，所述试验箱内设置有温度传感器和风速调节器，且所述控制器用于控制连接所述温度传感器和所述风速调节器。
4.一种加热融雪道岔临界运行策略试验方法，其特征在于，包括：
根据加热管道设定的间距和埋深，在道岔试验板上对应置入所述加热管道；
根据光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的阵列设置，在所述道岔试验板上对应置入所述光纤光栅温度传感器和所述光纤光栅应变传感器；
利用控制器控制风速调节器向试验箱内吹冷风和雪花，模拟成雪天天气的环境，且通过温度传感器测得所述试验箱内温度达到试验所需环境温度；
当所述试验箱内温度达到试验所需环境温度，所述控制器启动外部加热源加热加热管道；
记录光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的实时数据，并根据公式计算获得不同位置处所述道岔试验板的应变；
X＝a·ΔT+b·ε；
Y＝c·ΔT；
式中：X为光纤光栅应变传感器的波长；Y为光纤光栅温度传感器的波长；T为温度；ε为应变；a，b，c为光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的系数，通常为固定值；
根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度。
5.如权利要求4所述的加热融雪道岔临界运行策略试验方法，其特征在于，根据获得的应变和热弹性力学公式计算获得应力，并根据所述道岔试验板的强度，确定不同温度下加热融雪中所述道岔试验板的临界加热温度包括：
根据热弹性力学公式，所述道岔试验板温度应变受到约束产生温度应力为：
Figure FDA0003326440070000021
式中：σx，σy为沿所述道岔试验板长度和高度方向的主应力；εx，εy为沿所述道岔试验板长度和高度方向的主应变；τxy为剪应力；γxy为剪应变；E为所述道岔试验板混凝土结构的杨氏模量；μ为所述道岔试验板混凝土结构的泊松比；α为所述道岔试验板混凝土结构的热膨胀系数；G为所述道岔试验板混凝土结构的剪切弹性模量；
根据物理方程与热平衡微分方程公式和几何方程公式求解获得所述道岔试验板不同环境温度的温度应力：
Figure FDA0003326440070000022
Figure FDA0003326440070000031
式中：u，v为沿所述道岔试验板长度和高度方向的位移分量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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