李利軍

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

懸掛式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架在軌道梁內(nèi)行走而車體懸掛在軌道梁下運行,軌道梁多為下部開口的箱形鋼梁結(jié)構(gòu),箱內(nèi)布置有集電靴、通信電纜、導軌并可包容車輛的轉(zhuǎn)向架,滿足車輛輪系行走需求[1-2]。目前德國和日本已相繼發(fā)展了懸掛式單軌,并已成功運營多條線路[3]。國內(nèi)僅建設了幾條試驗線,尚未建設運營線路[4]。目前,已建設的懸掛式單軌線路使用的伸縮裝置有無縫型、梳齒型、斜縫型三種結(jié)構(gòu),其中無縫型結(jié)構(gòu)過車平穩(wěn)性最好,結(jié)構(gòu)傳力最為復雜。

1 伸縮裝置失效概述

中唐空鐵試驗線全長1.4 km,呈U字型環(huán)繞,位于成都中唐空鐵廠區(qū)。試驗線由車站、正線和副線軌道、列車、靜調(diào)庫以及相關配套設備構(gòu)成。線路最小曲線半徑為50 m,最大坡度35‰,最高試驗運行速度為60 km/h,列車采用2輛編組,列車尺寸為2.3 m(寬)×33.45 m,車輛A3工況最大軸重4 t。

在試驗運行過程中,軌道梁接縫位置出現(xiàn)噪聲異響、過縫顛簸等問題。經(jīng)對軌道梁間的伸縮裝置拆解,發(fā)現(xiàn)多數(shù)限位螺栓端頭的焊縫失效脫落(見圖1),導致伸縮裝置發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,存在安全隱患。國內(nèi)對懸掛式單軌軌道梁的伸縮裝置的理論和研究均很少,伸縮裝置的結(jié)構(gòu)失效,將直接影響行車安全和旅客乘坐舒適度,且大大縮短梁體的使用壽命[5-6]。

2 伸縮裝置構(gòu)造和原理

2.1 伸縮裝置構(gòu)造

軌道梁伸縮裝置安裝在軌道梁吊框的走行面位置處,是軌道梁橋結(jié)構(gòu)重要的組成部分。主要功能是補償相鄰軌道梁間的縫隙,適應橋梁縱橫向位移及梁端翹曲引起的轉(zhuǎn)角變化,并將列車荷載可靠傳遞至軌道梁體,實現(xiàn)車輛平順過縫。如圖2所示,伸縮裝置主要由梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ、活動板、限位滑板、限位螺栓、限位銷、螺母等組成。梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ分別固定于固定軌道梁端和活動軌道梁端,活動板搭接在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上,通過限位螺栓固定,形成柔性浮動連接?；顒影逶谧咝蚊孢B接伸縮裝置橫向滑動,實現(xiàn)沿軌道梁長方向的調(diào)節(jié)。

活動板是伸縮裝置的核心零件,限位螺栓和限位銷與其通過坡口焊縫連接,限位螺栓通過螺母、彈簧墊片將活動板、梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ連接在一起,活動板在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上進行橫向滑動。

2.2 伸縮裝置工作原理

伸縮裝置安裝于相鄰軌道梁間,在溫度作用下,軌道梁沿長度方向伸縮,活動板搭接在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上進行橫向滑動(見圖3),實現(xiàn)了連接伸縮裝置的長度方向自由調(diào)節(jié)和軌道梁無縫連接。在梁端轉(zhuǎn)角作用下,兩相鄰軌道梁端產(chǎn)生夾角,活動板搭接在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上,并與二者形成夾角,以適應梁端轉(zhuǎn)角的變化。

在基礎沉降、車輛活載、附加力作用下,軌道梁發(fā)生梁端豎向轉(zhuǎn)角和水平折角[7]。經(jīng)過對伸縮裝置結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),軌道梁水平折角發(fā)生變化時,伸縮裝置通過限位滑板的滑動可以隨而自滑動適應,不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。伸縮裝置在豎向轉(zhuǎn)角、車輛輪壓作用下會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 有限元模型

為準確模擬伸縮裝置在線路中的受力情況,采用Midas Civil 建立4孔22 m簡支軌道梁橋模型(見圖4(a)),軌道梁與立柱間采用彈性連接模擬銷軸,實現(xiàn)軌道梁的橫橋向的轉(zhuǎn)動和順橋向的滑動自由度的模擬[8-9]。

建立伸縮裝置及軌道梁吊框三維模型,采用ANSYS建立有限元模型[10](見圖4(b))。為提高網(wǎng)格質(zhì)量,模型網(wǎng)格劃分采用六面體單元。軌道梁吊框采用Solid185單元,大小10 mm。伸縮縫裝置采用Solid186單元,大小5 mm。螺栓和銷釘采用Beam188單元進行模擬,可提取出螺栓軸力和彎矩。整體有限元模型單元數(shù)量79 830個,節(jié)點247 205個。軌道梁吊框、活動板、梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ材質(zhì)為Q345qD,限位螺栓材質(zhì)為45號鋼。

伸縮裝置在受力過程中會發(fā)生運動,活動板與梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ之間設置摩擦接觸,摩擦系數(shù)0.2。

3.2 軌道梁橋整體計算

經(jīng)過檢算對比發(fā)現(xiàn),列車荷載和基礎不均勻沉降會對梁端轉(zhuǎn)角起增強作用,溫度梯度會對梁端轉(zhuǎn)角起減弱作用,故不對溫度梯度進行核算。列車動力作用下,經(jīng)過對移動荷載進行探測,列車運行至軌道梁跨中位置處(見圖5(a)),兩相鄰軌道梁的相對豎向轉(zhuǎn)角和為4.12‰rad,此時為最大值。列車動力作用下,列車運行至軌道梁柱頂位置處(見圖5(b)),兩相鄰軌道梁的相對豎向轉(zhuǎn)角和為2.67‰rad?；A不均勻沉降按10 mm考慮,引起的相鄰軌道梁相對轉(zhuǎn)角為0.8‰rad。綜合列車動力作用和基礎沉降4.12‰+0.8‰=4.92‰rad。

3.3 伸縮裝置仿真分析

為模擬伸縮裝置結(jié)構(gòu)受力,將伸縮裝置裝配在軌道梁吊框單元上進行整體分析。強度荷載轉(zhuǎn)角取值4.92‰rad,輪壓荷載(主力+附加力)。偏安全,疲勞荷載不考慮動力作用折減,轉(zhuǎn)角取值4.12‰rad,輪壓荷載(疲勞荷載作用)。軌道梁端轉(zhuǎn)動分為活動端轉(zhuǎn)動和固定端轉(zhuǎn)動,經(jīng)過對兩種轉(zhuǎn)動情況檢算對比分析,活動端轉(zhuǎn)動情況下結(jié)構(gòu)受力較大。經(jīng)對轉(zhuǎn)角荷載+輪壓荷載、轉(zhuǎn)角荷載、輪壓荷載三種工況分別計算,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角荷載單獨作用時,螺栓的受力最為嚴酷,輪壓荷載會給活動板豎向壓力,降低了螺栓軸力。

本文對活動端轉(zhuǎn)動情況下的轉(zhuǎn)角荷載仿真結(jié)果進行列舉,從圖6可以看出:軌道梁外側(cè)螺栓受力最為嚴酷,這與實際破壞現(xiàn)象一致。疲勞工況:F=12.284 kN,M=26.841 N·m,主+附工況:F=14.623 kN,M=31.953 N·m。

3.4 限位螺栓焊縫驗算

1)強度驗算:限位螺栓與活動板采用坡口環(huán)焊,焊縫有效高度為3 mm[11],焊縫直徑14 mm。焊縫的有效面積A=3×14×π=131.9 mm2,慣性矩I=1 684 mm4。根據(jù)3.3節(jié)計算的主+附工況:F=14.623 kN,M=31.953 N·m。

σ=σM+σF=243.6 MPa≥[σ]=210 MPa。

從計算結(jié)果可以看出,該連接焊縫的計算應力值為243.6 MPa,超出TB 10091—2017的強度限值要求[12]。

2)疲勞驗算:伸縮裝置受列車荷載影響較大,列車通過軌道梁后,相鄰軌道梁的轉(zhuǎn)角差值達到一次最大值,故一列車通過伸縮裝置后,焊縫的疲勞應力幅循環(huán)1次。按3 min發(fā)車間隔,疲勞循環(huán)次數(shù)n0計算約876萬次[13-14]。

該焊縫為部分熔透焊縫,按JTG D64—2015選取承載焊接接頭類別,200萬次循環(huán)對應的疲勞應力幅為35 MPa[15]。根據(jù)JTG D64—2015中疲勞抗力公式:

將NR=8 760 000代入上式,求得容許疲勞應力幅ΔσR=19.2 MPa。

疲勞工況F=12.284 kN,M=26.841 N·m,則焊縫計算應力幅:Δσ=204.7 MPa≥ΔσR=19.2 MPa。

從計算結(jié)果可以看出,部分熔透的坡口角焊縫的疲勞應力幅較低,焊縫計算應力幅遠大于JTG D64—2015的容許值,不能滿足耐久性設計要求。

3.5 轉(zhuǎn)角引起的變形量

伸縮裝置距離軌道梁吊框轉(zhuǎn)軸1 277 mm,軌道梁端繞銷軸轉(zhuǎn)動4.92‰rad。因此,梯形板Ⅱ和梯形板Ⅰ產(chǎn)生高差為0.54 mm,其將會導致活動板與梯形板Ⅱ、梯形板Ⅰ形成夾角,迫使結(jié)構(gòu)適應變形。伸縮縫水平位移量為6.28 mm,在進行伸縮縫設計時,應考慮此值對伸縮縫的長度伸縮縫極限值的影響。

4 優(yōu)化設計

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)本文前述研究成果,軌道梁豎向轉(zhuǎn)角是導致限位螺栓脫落失效的主要原因。軌道梁端轉(zhuǎn)角會導致梯形板Ⅰ與梯形板Ⅱ形成4.92‰rad的夾角,活動板與二者在豎直方向會發(fā)生相對位移。活動板為伸縮裝置的核心零件,其要實現(xiàn)可靠浮動,又要時刻與梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ密貼,避免碰撞噪聲。

為解決上述技術難題,經(jīng)查閱資料和設計手冊,將原焊接連接的限位螺栓優(yōu)化為“錐銷+碟簧”結(jié)構(gòu)(見圖7,圖8)。錐銷角度設計為5.72°,實現(xiàn)自鎖防轉(zhuǎn)。碟簧的設計應考慮自身剛度的同時還需考慮預壓縮荷載,保證活動板壓緊力,避免車輛過縫異響,經(jīng)計算選型,選用碟簧B 28(GB/T 1972),碟簧采用“疊合+對合”形式,以適應軌道梁轉(zhuǎn)角變化,碟簧組件安裝后預留壓縮量0.6 mm。

4.2 結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù)4.1節(jié)的優(yōu)化設計,碟簧組件工作變形量為1.2 mm,計算出碟簧的壓力荷載2 220 N。優(yōu)化后的伸縮裝置通過設置“疊合+對合”碟簧組件釋放了轉(zhuǎn)角荷載,車輛輪壓為其控制荷載。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)建立有限元模型進行校核,計算結(jié)果滿足設計要求。由圖9可以看出,在主+附工況下,最大應力83.8 MPa,位于活動板與梯形板搭接位置,小于TB 10091—2017的強度限值210 MPa,符合設計要求。

一列車通過伸縮裝置后,伸縮裝置的疲勞應力幅循環(huán)8次。按3 min發(fā)車間隔,疲勞循環(huán)次數(shù)n0計算約2 336 萬次。按TB 10091—2017進行疲勞校核,結(jié)構(gòu)母材的疲勞容許應力幅類別為Ⅰ類,按疲勞抗力公式計算出疲勞容許應力幅為80.9 MPa。由圖10可以看出,最大應力幅54.3 MPa,位于活動板與梯形板搭接位置,小于TB 10091—2017的疲勞強度限值80.9 MPa,符合設計要求。

4.3 試驗驗證

為驗證上述優(yōu)化設計方案,在中唐空鐵試驗線上進行了改進驗證試驗,車輛通過伸縮裝置5 000次后無故障后,又對全線所有伸縮裝置進行了改造升級,消除了車輛過縫異響現(xiàn)象,提高了車輛過縫平順性。改進后的伸縮裝置使用至今,性能穩(wěn)定,滿足車輛過縫需求。

5 結(jié)語

通過對懸掛式單軌伸縮裝置失效分析研究,伸縮裝置因軌道梁轉(zhuǎn)角變化而造成限位螺栓脫落失效。列車通過伸縮裝置時,軌道梁端發(fā)生轉(zhuǎn)動,相鄰軌道梁的轉(zhuǎn)角會帶動伸縮裝置的梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ形成夾角,導致活動板受力增大。經(jīng)研究分析,相鄰軌道梁轉(zhuǎn)角之和4.92‰rad,伸縮縫處產(chǎn)生高差為0.54 mm,伸縮縫位移量縮小6 mm,影響伸縮縫的工作范圍,設計時應予以考慮。本文提出的“錐銷+碟簧”的優(yōu)化方案,解決了懸掛式單軌伸縮裝置限位螺栓脫落失效的技術難題,提高了伸縮裝置的轉(zhuǎn)角變化適應性,并在試驗線進行了成功驗證,為伸縮裝置和同類產(chǎn)品的創(chuàng)新設計提供了借鑒思路,同時有力推動了懸掛式單軌行業(yè)關鍵技術發(fā)展。