張曉武，梁文偉，顧海龍，高 健

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

環(huán)形彈簧是由多個帶有內(nèi)錐面的外圓環(huán)和帶有外錐面的內(nèi)圓環(huán)配合組成的一種壓縮型彈簧構(gòu)件[1](見圖1)。由于其良好的彈性、耗能能力以及大承載能力,同時其結(jié)構(gòu)相對緊湊,因此,環(huán)形彈簧常被用在軸向承載大、需強(qiáng)緩沖耗能且空間受限的場合[2],比如土木建筑領(lǐng)域的消能減振(震),槍炮的后座緩沖等[3]。

1 環(huán)形彈簧特性曲線分析和適應(yīng)工況研究

針對一特定的工況(環(huán)形彈簧外環(huán)外徑最大為500 mm,彈簧設(shè)計軸向載荷為3 300 kN,彈簧設(shè)計軸向變形量1.72 mm),根據(jù)《彈簧手冊》[4]設(shè)計并推導(dǎo)出該環(huán)形彈簧的加卸載曲線和不同預(yù)壓荷載下的滯回曲線,如圖2所示。

由環(huán)形彈簧在不同預(yù)壓荷載下的滯回曲線可以看出:

1)不同預(yù)壓荷載下的滯回曲線均包絡(luò)在加卸載曲線中。

2)滯回曲線所圍成的面積(見表1),隨著預(yù)壓荷載的增大,包圍面積線性增大,也即環(huán)形彈簧的耗能能力線性增大。因此,在采用環(huán)形彈簧進(jìn)行減振(震)耗能時,在一定范圍內(nèi)可以盡可能使預(yù)壓荷載增大。

表1 環(huán)形彈簧的滯回曲線包圍的面積

區(qū)別于純線性彈簧,由環(huán)形彈簧特性曲線分析,可得到以下三種其適用工況:

1)環(huán)形彈簧在零預(yù)壓荷載狀態(tài)下,當(dāng)軸向外力能完全卸載時(即軸向外力為瞬時力),比如:風(fēng)荷載、地震荷載、撞擊荷載,列車行車振動荷載等。環(huán)形彈簧特性線為完整的加-卸載曲線。此時,環(huán)形彈簧既能起到彈性作用,也能夠起到強(qiáng)緩沖和耗能的作用。

2)環(huán)形彈簧在有預(yù)壓荷載的狀態(tài)下,當(dāng)預(yù)壓荷載值較大(F預(yù)壓≥FR),FR為環(huán)形彈簧在零預(yù)壓荷載作用下卸載曲線拐點(diǎn)處對應(yīng)的荷載值,此時無論活載值取值多少,環(huán)形特性線都只能在特性線的剛度極大段范圍內(nèi)振蕩,此時環(huán)形彈簧失去彈性作用,不能起到耗能與緩沖作用。

3)環(huán)形彈簧在有預(yù)壓荷載的狀態(tài)下,當(dāng)預(yù)壓荷載值較小(F預(yù)壓

2 環(huán)形彈簧在橋梁支座中的應(yīng)用

當(dāng)列車行車過程中,由于輪軌相互作用產(chǎn)生的振動屬于瞬時力,依據(jù)相關(guān)隔振理論的研究,為了降低列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動傳遞到橋墩進(jìn)而擴(kuò)散到周圍環(huán)境,從而造成環(huán)境振動污染,可通過在振動的傳播路徑上加入彈性耗能裝置以達(dá)到隔離、消減振動的目的。

列車產(chǎn)生的激振整體傳播路徑為,輪軌、梁體、支座、橋墩、基礎(chǔ)、周圍環(huán)境。因此,可通過在支座處串聯(lián)一彈性耗能裝置從而隔離、消減振動的傳播。上述方法其核心是降低支座的固有頻率,也即是降低支座的豎向剛度,同時增加支座的耗能能力。根據(jù)小節(jié)2中關(guān)于環(huán)形彈簧的適用工況分析,可采用環(huán)形彈簧與橋梁支座串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)減隔振(震)功能。

2.1 支座總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)環(huán)形彈簧的減隔振(震)原理,在橋梁支座下座板下部串聯(lián)兩個厚壁型環(huán)形彈簧。厚壁型環(huán)形彈簧是在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形彈簧的基礎(chǔ)上,通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)使其增加豎向承載能力,同時降低豎向高度。其功能原理為:當(dāng)支座上部受到軸向振動荷載作用時,環(huán)形彈簧外圈水平向受力脹開,內(nèi)圈水平向受力收縮,支座整體下降。當(dāng)支座上部振動荷載卸載后,環(huán)形彈簧外環(huán)水平向收縮,內(nèi)環(huán)水平向張開,支座整體升高。支座整體處于彈性狀態(tài)同時由于內(nèi)外環(huán)的摩擦而起到緩沖耗能作用。

具體結(jié)構(gòu)形式和計算分析如下。

支座的總體結(jié)構(gòu)見圖3,標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)見圖4。

其中,D2為外圓環(huán)直徑;D1為內(nèi)圓環(huán)直徑;H0為環(huán)簧受載前總高;H為環(huán)簧受載后總高;β為內(nèi)圓環(huán)的圓錐角;δ0為環(huán)簧受載前兩節(jié)外環(huán)初始間距;δ為環(huán)簧受載后兩節(jié)外環(huán)間距;f為環(huán)簧受載前后高度差;F為環(huán)簧所受軸向荷載。

厚壁型環(huán)形彈簧,對比《彈簧手冊》里標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形彈簧設(shè)計方法,主要改進(jìn)措施如下:

1)只采用一對標(biāo)準(zhǔn)環(huán)簧的一半,減小其軸向尺寸,降低高度。

2)增大環(huán)簧的圓錐角β;增大環(huán)簧徑向厚度,提高豎向承載力,增大剛度。

此外,在底盆設(shè)置凸臺和環(huán)槽,凸臺高度與環(huán)簧外環(huán)高度保持一致,考慮到環(huán)簧長期使用過程中可能疲勞失效,下坐板和底盆可直接接觸,保證支座豎向承載能力,提高可靠性。此外凸臺和環(huán)形彈簧側(cè)面的間隙合理設(shè)置,對環(huán)形彈簧軸向變形起到導(dǎo)向作用。

2.2 支座仿真分析計算

還是以支座設(shè)計承載力為5 500 kN,設(shè)計軸向載荷3 300 kN,彈簧設(shè)計軸向變形量1.72 m為例,完成多層環(huán)簧式隔振支座結(jié)構(gòu)設(shè)計,并進(jìn)行了仿真計算。三維模型見圖5。

2.2.1 剛度計算

通過對多層環(huán)簧式隔振支座的結(jié)構(gòu)仿真分析,結(jié)果見圖6—圖11。

表2給出了多層環(huán)簧結(jié)構(gòu)在豎向加載過程中的豎向變形情況,圖12給出了其荷載-變形曲線,圖12顯示多層環(huán)形彈簧的豎向壓縮組合剛度呈線性,為1 918.6 kN/mm。

表2 多層環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)豎向加載變形情況

2.2.2 應(yīng)力計算

通過應(yīng)力計算,可得:內(nèi)側(cè)環(huán)形彈簧在恒載時的最大應(yīng)力分別為:內(nèi)環(huán)774 MPa,外環(huán)850 MPa(見圖13,圖14)。外側(cè)環(huán)形彈簧最大應(yīng)力分別為:內(nèi)環(huán)482 MPa,外環(huán)499 MPa(見圖15,圖16)。按照通用彈簧材料60Si2MnA的屈服強(qiáng)度為1 375 MPa計算,安全系數(shù)分別達(dá)到1.8,1.6,2.8,2.7。具體計算表如表3所示。

2.2.3 支座減隔振能力分析

通過分析支座在豎向振動激勵下,不加環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)和加上環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)后,支座上下板的加速度和力值變化,分析環(huán)形彈簧和支座串聯(lián)后的減隔振(震)效果。

分別在支座上板上施加恒載3 300 kN,動載為500 kN,頻率為50 Hz的振動激勵。仿真結(jié)果如表4所示。

表3 環(huán)簧應(yīng)力

表4 支座上下板加速度、力值變化

由表4可看出:支座在串聯(lián)了厚壁型環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)后,支座上板在受到一定頻率、一定數(shù)值的振動激勵后,支座下板處的加速度和力值能夠明顯的減弱,起到了良好的減隔振作用。

3 結(jié)論

通過分析經(jīng)典的環(huán)形彈簧加-卸載曲線及不同預(yù)壓荷載下的滯回曲線,得到不同工況下的環(huán)形彈簧的適用條件,根據(jù)適應(yīng)條件分析,研究環(huán)形彈簧在橋梁支座中的應(yīng)用,然后通過支座結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析可得:環(huán)形彈簧和支座串聯(lián)后具備良好的減隔振性能。