兩種跨越軌道防護(hù)裝備主塔在扭轉(zhuǎn)工況下的強(qiáng)度分析

穆云飛，黃志輝，夏朝國，胡飛飛

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

近年來我國電網(wǎng)及鐵路建設(shè)迅速發(fā)展，在修建新的電網(wǎng)過程中時(shí)常遇到輸電線橫跨軌道的情況，根據(jù)《中華人民共和國鐵路法》規(guī)定，在鐵路軌道上架設(shè)線路施工須經(jīng)鐵路部門同意，并采取相關(guān)的安全防護(hù)措施。目前，安全防護(hù)措施主要是采用人工搭建腳手架并拉設(shè)防護(hù)網(wǎng)的方式，這種方法危險(xiǎn)性高，且效率低。本文對兩種新型跨越軌道防護(hù)裝備主塔進(jìn)行了強(qiáng)度分析，查看它們是否滿足扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)用要求。

1 跨越軌道防護(hù)裝備介紹

跨越軌道防護(hù)裝備由兩套相同的機(jī)構(gòu)及中間的柔性防護(hù)網(wǎng)組成。每套機(jī)構(gòu)主要由底座、回轉(zhuǎn)盤、主塔、橫梁、副塔及副塔驅(qū)動(dòng)架組成[1]。柔性防護(hù)網(wǎng)分別掛在兩套機(jī)構(gòu)的橫梁上。跨越軌道防護(hù)裝備如圖1所示。

圖1 跨越軌道防護(hù)裝備

跨越軌道防護(hù)裝備的安裝流程為：調(diào)平并固定底座，在兩個(gè)橫梁之間加掛防護(hù)網(wǎng)；主塔在其支撐油缸作用下起豎，橫梁在其支撐油缸作用下保持水平；主塔帶動(dòng)橫梁及副塔轉(zhuǎn)動(dòng)至橫梁與軌道方向垂直；副塔起豎后下降至接觸地面；最后，人工加裝固定件。

為了保證橫梁及副塔從主塔內(nèi)部起升，減小主塔占用空間，所以最初將主塔設(shè)計(jì)成開口式桁架結(jié)構(gòu)。防護(hù)裝備主塔如圖2所示。

圖2 跨越軌道防護(hù)裝備主塔

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，在沿鐵路方向的風(fēng)載作用下，橫梁及副塔跨越軌道至與軌道方向垂直時(shí)驟停，主塔受到的轉(zhuǎn)矩最大。由于主塔是開口式桁架結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)剛度較小，所以對此扭轉(zhuǎn)工況下的主塔進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，查看其是否滿足該工況的應(yīng)用要求至關(guān)重要。

2 扭轉(zhuǎn)工況下防護(hù)裝備受力計(jì)算

扭轉(zhuǎn)工況下主塔受到的載荷包括：橫梁的作用力、主塔風(fēng)載、跨越軌道驟停產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、橫梁風(fēng)載和副塔風(fēng)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的水平慣性力。其中，橫梁對主塔的作用力是通過對橫梁進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，從結(jié)果文件中獲得，此處不作計(jì)算。

2.1 防護(hù)裝備風(fēng)載計(jì)算

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)風(fēng)向與桁架結(jié)構(gòu)受風(fēng)面垂直時(shí)，風(fēng)載計(jì)算公式為：

P=C×p×A

(1)

式中：P為作用在迎風(fēng)面的風(fēng)載，單位為kN；C為風(fēng)力系數(shù)，根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，直邊型鋼桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)取1.7；p為風(fēng)壓，根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，6級(jí)風(fēng)風(fēng)壓為0.25 kN/m2；A為垂直于風(fēng)載方向的實(shí)體迎風(fēng)面積，單位為m2，實(shí)體迎風(fēng)面積等于受風(fēng)面外輪廓面積A0乘以結(jié)構(gòu)迎風(fēng)充實(shí)率φ，其中φ計(jì)算公式為：

(2)

式中：A1為實(shí)體部分面積，m2；A2為外輪廓面積，m2。

在三維軟件中測出各受風(fēng)面的實(shí)際受風(fēng)面積和外輪廓面積并代入結(jié)構(gòu)迎風(fēng)率的計(jì)算公式中，得出各受風(fēng)面的結(jié)構(gòu)迎風(fēng)充實(shí)率。裝備受風(fēng)面的風(fēng)載計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)載計(jì)算參數(shù)

將各受風(fēng)面的風(fēng)載計(jì)算參數(shù)帶入風(fēng)載計(jì)算公式中得：

主塔側(cè)面風(fēng)載

Fzc=0.25×1.7×5.68×1.38=3.33kN;

橫梁側(cè)面風(fēng)載

Fhc=0.25×1.7×8.13×1.43=4.94kN;

副塔側(cè)面風(fēng)載

Ffc=0.25×1.7×3.86×1.42=2.33kN。

2.2 主塔轉(zhuǎn)矩計(jì)算

防護(hù)裝備在跨越軌道時(shí)突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性，主塔會(huì)受到很大的轉(zhuǎn)矩。在三維軟件中測出橫梁、副塔及其附屬部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=5.5×105kg·m2。橫梁及副塔側(cè)面受風(fēng)載作用，對主塔也產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。

防護(hù)裝備在跨越軌道時(shí)，最快2min轉(zhuǎn)動(dòng)90°，停止過程的時(shí)間為1.1s。此時(shí)：

橫梁、副塔及其附屬部件對主塔的轉(zhuǎn)矩M=J·α=5.5×105×0.012=6.6kN·m。

橫梁側(cè)面風(fēng)載Fhc=4.94kN，副塔側(cè)面風(fēng)載Ffc=2.33kN。風(fēng)載等效作用點(diǎn)與主塔頂端鉸點(diǎn)的距離如圖3所示。

圖3 風(fēng)載等效作用點(diǎn)與主塔頂端鉸點(diǎn)的距離圖

風(fēng)載對主塔頂端鉸點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩M=4.94×9.63+2.33×18.38=90.40kN·m。

將主塔所受兩個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為垂直于主塔頂端兩鉸點(diǎn)連線方向的力偶，施加于主塔頂端兩銷軸鉸點(diǎn)。主塔頂端兩鉸點(diǎn)之間距離為1.47m，所以力偶大小為65.99kN。

2.3 水平慣性力計(jì)算

防護(hù)裝備跨越軌道時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生水平慣性力。水平慣性力計(jì)算公式為：

(3)

防護(hù)裝備跨越軌道時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=0.013 1rad/s。在三維軟件中測出橫梁、副塔及其附屬部件的質(zhì)量m=3 920.09kg，質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=7.15m，將數(shù)據(jù)代入水平慣性力計(jì)算公式中，得出橫梁、副塔及其附屬部件對主塔的拉力(離心力)為4.81N，由于離心力很小，對結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)。

3 最初設(shè)計(jì)主塔的有限元計(jì)算

3.1 主塔有限元模型

跨越軌道防護(hù)裝備的主塔為桁架結(jié)構(gòu)，其中的方形管材部分屬于薄壁結(jié)構(gòu)，以SHELL181單元離散，主塔與回轉(zhuǎn)盤、主塔與橫梁之間的連接鉸點(diǎn)以SOLID185單元離散[3]。主塔的網(wǎng)格大小以20mm為主，離散出的有限元模型如圖4所示。主塔有限元模型共有128 113個(gè)單元，128 554個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 主塔有限元模型

跨越軌道防護(hù)裝備的主塔由Q345鋼焊接而成。Q345鋼的材料屬性如表2所示。

表2 Q345鋼材料屬性

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，跨越軌道防護(hù)裝備在風(fēng)載作用下工作時(shí)，安全系數(shù)取1.34。此扭轉(zhuǎn)工況下Q345鋼許用應(yīng)力值為：

式中：σs為屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

3.2 主塔有限元模型約束及載荷施加

由于主塔與回轉(zhuǎn)盤之間通過銷軸連接，主塔只能繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在主塔鉸點(diǎn)處約束為除繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外的其他自由度。兩根主塔起豎油缸由一個(gè)油泵控制，為了保證兩個(gè)油缸力相同，在主塔有限元模型的油缸鉸點(diǎn)處施加與油缸同向的軸向力。同時(shí)為了保證計(jì)算結(jié)果收斂，在主塔有限元模型兩個(gè)油缸鉸點(diǎn)中點(diǎn)處約束x向平動(dòng)自由度。改變油缸力的大小使得中點(diǎn)處的約束反力近似為0，則主塔達(dá)到平衡狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果與主塔實(shí)際靜態(tài)平衡結(jié)果一致。

將橫梁對主塔的作用力、跨越軌道驟停轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化的力偶、橫梁和副塔的風(fēng)載及風(fēng)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化的力偶施加在主塔與橫梁連接處；將橫梁起豎油缸的作用力和主塔起豎油缸的作用力施加在相應(yīng)的油缸鉸點(diǎn)處；將主塔側(cè)面所受沿鐵路方向的風(fēng)載平均分配，施加在側(cè)面節(jié)點(diǎn)上。主塔有限元模型施加的約束及載荷如圖5所示(已隱藏主塔側(cè)面風(fēng)載)。

圖5 主塔有限元模型約束及載荷施加示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取質(zhì)量放大系數(shù)為1.1，根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，自重振動(dòng)系數(shù)為1.1，起升動(dòng)載系數(shù)為1.15，所以重力加速度為13.65m/s2。

3.3 主塔有限元模型計(jì)算結(jié)果

將有限元模型導(dǎo)入ANSYS軟件，求解各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，利用HyperView軟件查看計(jì)算結(jié)果。圖6是主塔Von-Mises等效應(yīng)力云圖，其中灰色部分為應(yīng)力合格區(qū)域，藍(lán)色和紅色部分應(yīng)力不合格(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。

圖6 主塔Von-Mises等效應(yīng)力云圖

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，主塔有限元模型最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為1 245.986 MPa，在主塔下弦桿與橫向腹桿連接處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此扭轉(zhuǎn)工況下Q345鋼的許用應(yīng)力257.46 MPa，不滿足該工況的靜強(qiáng)度要求。主塔有限元模型多處部位都不滿足該工況的靜強(qiáng)度要求，說明主塔整體上不能滿足該工況的應(yīng)用要求。造成這種情況的原因?yàn)椋涸撝魉情_口式桁架結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4] 指出，開口式薄壁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閉口式薄壁結(jié)構(gòu)，在相同的轉(zhuǎn)矩作用下，前者的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。所以，針對開口式桁架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度較小的問題，應(yīng)該重新設(shè)計(jì)出具有良好抗扭性能的主塔。

4 改良設(shè)計(jì)后主塔的有限元計(jì)算

主塔腹部要安放橫梁、副塔等部件，還要保證橫梁及副塔等部件從其內(nèi)部保持水平起升，故主塔下部分仍需為開口式桁架結(jié)構(gòu)。為了保證主塔的抗扭性能，將主塔上部分背面設(shè)計(jì)成封閉式桁架結(jié)構(gòu)，將兩種油缸鉸點(diǎn)之間的部分設(shè)計(jì)成開口式桁架與封閉式桁架組合結(jié)構(gòu)。由于主塔下部分背面要留有空間安裝主塔支撐油缸和回轉(zhuǎn)盤，故在主塔下部分背部不設(shè)計(jì)封閉式桁架結(jié)構(gòu)。改良設(shè)計(jì)后的主塔是開口式桁架與封閉式桁架組合的乙形桁架結(jié)構(gòu)。圖7是改良設(shè)計(jì)前后主塔對比圖。

圖7 改良設(shè)計(jì)前后主塔對比圖

改良設(shè)計(jì)后的主塔仍為桁架結(jié)構(gòu)，采用與上述模型相同的原則對主塔離散，最終的有限元模型如圖8所示。主塔有限元模型共有196 320個(gè)單元，193 511個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖8 主塔有限元模型

采用與上述模型相同的方式對改良設(shè)計(jì)后的主塔有限元模型施加約束和載荷。將有限元模型導(dǎo)入ANSYS軟件，求解各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，并利用后處理功能查看計(jì)算結(jié)果。圖9是主塔Von-Mises等效應(yīng)力云圖。

圖9 主塔Von-Mises等效應(yīng)力云圖

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，主塔有限元模型最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為254.603 MPa，在斜腹桿與主塔支撐油缸鉸點(diǎn)連接處，小于此扭轉(zhuǎn)工況下Q345鋼的許用應(yīng)力257.46 MPa，滿足該工況的靜強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語

1) 改良設(shè)計(jì)后的主塔滿足此扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)用要求，解決了最初設(shè)計(jì)主塔扭轉(zhuǎn)剛度不足、抗扭性能差的問題。

2) 因裝備的應(yīng)用要求，其一端必需為開口式桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，將裝備設(shè)計(jì)成開口式桁架與封閉式桁架組合的乙形桁架結(jié)構(gòu)，可有效地提高裝備的抗扭性能。