基于鐵路拱橋檢查車的黏滯阻尼器設(shè)計與分析

梅仕偉，劉 軍，韓鵬飛，唐 璐，李文斌

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，大型拱橋越來越多。由于鐵路檢修天窗時間短且拱橋檢修范圍大，傳統(tǒng)的車載式鐵路橋梁檢查車因檢查范圍有限且需要占用鐵道，難以適應(yīng)鐵路橋梁的檢修要求，所以一般采用懸掛在拱橋拱圈底部的檢查車進(jìn)行檢查維修[1-3]。當(dāng)拱橋檢查車在沿拱形軌道上爬坡運(yùn)行或停車檢修時，工作人員在檢查車中要始終處于水平狀態(tài)并保持平衡，若是發(fā)生傾斜容易造成工作人員掉落，其生命安全受到威脅。 所以懸掛式拱橋檢查車一般采用單點(diǎn)懸掛式，依靠自身重力作用自動調(diào)平，以便保持車體姿態(tài)水平。但單點(diǎn)懸掛式是不穩(wěn)定的，車體會因?yàn)轱L(fēng)載荷和車內(nèi)人員移動等因素產(chǎn)生擺動，增加了工作人員高空作業(yè)的危險性。因此，對單點(diǎn)懸掛式車體的擺動必須加以約束，這里我們采用阻尼方式緩沖車體的擺動，提出了一種懸掛式拱橋檢查車用的黏滯阻尼器。

1 工作原理

黏滯阻尼器常應(yīng)用在建筑、橋梁等國家基礎(chǔ)設(shè)施上，是重要的減震(振)吸能設(shè)備[4-6]。黏滯阻尼器一般由缸體、活塞桿、耳環(huán)及安裝座組成。

如圖1所示，黏滯阻尼器一端連接拱橋檢查車的行走裝置，另一端連接車體。通過在懸掛式拱橋檢查車車體出現(xiàn)擺動時增加阻力或阻尼力來消耗瞬時的沖擊能量，從而減緩車體的擺動，而這種阻力或阻尼力又不影響車體在重力作用下保持姿態(tài)的穩(wěn)定性。黏滯阻尼器是一種速度相關(guān)性阻尼器，其特征是慢速時阻尼小，快速時阻尼大。檢查車沿拱橋拱圈移動時，行走裝置姿態(tài)隨拱緩慢變化，而車體姿態(tài)卻需要始終保持水平，車體兩側(cè)與行走裝置之間的阻尼器長度就會發(fā)生緩慢伸縮變化，阻尼器產(chǎn)生的阻尼力很小，該阻尼力不會阻止阻尼器長度變化；如果車體擺動，則會引起車體兩側(cè)擺動阻尼器長度快速變化，阻尼器的阻尼力會增大，阻止阻尼器長度進(jìn)一步變化，從而使車體擺動幅度減小，甚至不能擺動。

2 阻尼器布局研究

拱橋檢查車從拱圈的一端移動至拱圈的另一端，檢查車整體姿態(tài)發(fā)生了大角度偏擺，相應(yīng)的安裝在檢查車上的阻尼器就必須具有較大的行程。又因檢查車整體寬度有限，預(yù)留給阻尼器的安裝距離較短，所以拱橋檢查車的阻尼器具有行程大安裝距離短的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的橋梁用黏滯阻尼器都是采取同側(cè)并排布置方式[7]，且為實(shí)現(xiàn)橋梁極限位置減震(振)的要求，黏滯阻尼器缸體的長度至少為有效行程的1.5倍。按照原有的同側(cè)并排布置方式，兩個阻尼器行程具有同向性且各自獨(dú)立。為實(shí)現(xiàn)較大的行程就必須增加輔助機(jī)構(gòu)以便安裝較長的阻尼器缸體，這樣使得整個阻尼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且臃腫。同時缸體的長度過長也會導(dǎo)致阻尼器的阻尼性能和穩(wěn)定性能變差。對于拱橋檢查車大角度偏擺且安裝距離短的工況，此種阻尼器同側(cè)并排布置方式不可取。

而對角交錯式布局，如圖1所示，車體左右兩端各布置一個黏滯阻尼器，兩個阻尼器行程具有異向互補(bǔ)性，可以有效地減小缸體長度，提高了阻尼器的穩(wěn)定性能。同時也不需要增加輔助機(jī)構(gòu)，使得阻尼器和整個檢查車的結(jié)構(gòu)更為緊湊和輕量化。因此，阻尼器對角交錯式布局非常適合拱橋檢查車大角度偏擺且安裝距離短的工況。

3 阻尼器選型設(shè)計與動態(tài)計算

3.1 阻尼力計算

現(xiàn)有某拱橋的拱圈角度最大為45°，懸掛在拱圈底部的檢查車采用雙軌單車布局，兩個行走裝置分別懸掛在兩根拱形軌道上，每個行走裝置通過兩個對角交錯式的阻尼器連接檢查車車體。其檢查車重量m=8 000 kg，最大運(yùn)行速度V=0.16 m/s(約10 m/min)，風(fēng)荷載F風(fēng)=4 099 N。檢查車在起動時，如圖2所示，通過力矩平衡得出：

(ma+F風(fēng))×L=2F1×L1+2F2×L2

(1)

其中,a為起步加速度;F1為阻尼器1的阻尼力；F2為阻尼器2的阻尼力；L為檢查車的力臂長度；L1為阻尼器1的力臂長度；L2為阻尼器2的力臂長度。

當(dāng)檢查車在拱圈底部時，檢查車車體與拱形軌道之間的角度為45°，此時L1遠(yuǎn)小于L2，阻尼器1的作用力可忽略不計，阻尼器2的作用力為單個阻尼器所受作用力的最大值。此時式(1)簡化為：

(ma+F風(fēng))×L=2F2×L2

(2)

其中,a為起步加速度，參照起重機(jī)設(shè)計手冊[8]，在V=0.16 m/s的情況下，加速度a=0.064 m/s2。

根據(jù)拱橋檢查車設(shè)計圖紙得出：L=1 620，L2=735。進(jìn)一步的通過式(2)，可以得出：

F2=0.5×(ma+F風(fēng))×L/L2=5 082 N。

為克服啟動時的動態(tài)載荷，則阻尼器最大阻尼力：

F阻=F=5 082 N。

3.2 阻尼器選型

鐵路拱橋檢查車主要由行走裝置和檢查車車體組成，兩部分通過單點(diǎn)懸掛連接，阻尼器一端連接行走裝置，另一端連接檢查車車體。在最惡劣工況下，其中的一個阻尼器與檢查車車體平行，且懸掛裝置驟然停止，而檢查車車體速度為檢查車設(shè)計的最大速度。此時阻尼器的速度為最大值，且數(shù)值與檢查車設(shè)計的最大速度相等。所以阻尼器的選型速度V=0.16 m/s。

阻尼器阻尼力的計算公式：

F阻=CVα

(3)

把F阻及V值代入式(3)，參照阻尼器的設(shè)計方法及經(jīng)驗(yàn)[9]，可以選擇α=0.3，此時C=1 109 N/(mm/s)0.3。此時阻尼器能很好的抑制檢查車結(jié)構(gòu)沿阻尼器軸向位移，有效的約束了檢查車車體的擺動。

根據(jù)拱橋檢查車設(shè)計圖紙，并考慮一定的安全余量，選取阻尼器的極限位移S=±520 mm。結(jié)合阻尼器廠家生產(chǎn)實(shí)際情況和安全考慮，所采用的阻尼器最大阻尼力選型為10 kN。

3.3 阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

拱橋檢查車沿著拱圈行走，姿態(tài)隨著拱圈變化而變化，黏滯阻尼器隨著檢查車姿態(tài)變化而運(yùn)動，其運(yùn)動頻繁反復(fù)。另外該阻尼器安裝在拱橋檢查車上，所受載荷較小，行程較大，其結(jié)構(gòu)細(xì)長。為確保阻尼器設(shè)計可靠，滿足拱橋檢查車的實(shí)際需求，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了以下特殊設(shè)計。

1)缸體內(nèi)部增加導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，增加了活塞桿與端蓋、活塞與缸體的接觸面積，有效的減少了應(yīng)力集中問題。

2)阻尼介質(zhì)選用高質(zhì)量的二甲基硅油，密封系統(tǒng)選用具有自潤滑功能的特殊密封件。

3)采用鋼質(zhì)防護(hù)罩保護(hù)活塞桿，更能有效的防護(hù)灰塵等雜物落入活塞桿，顯著提高了阻尼器的使用壽命。

4)安裝座的安裝位置從連接筒末端移至缸體側(cè)邊，有效提高了細(xì)長型阻尼器的抗彎穩(wěn)定性。

該阻尼器由活塞、活塞桿、缸體、耳環(huán)、連接筒等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.4 動態(tài)計算

為確定黏滯阻尼器的作用效果，對檢查車進(jìn)行了動態(tài)計算，通過添加阻尼，查看檢查車在有阻尼作用下的動態(tài)響應(yīng)。圖4是拱橋檢查車增加阻尼后位移衰減對比圖。從圖4可以看出，增加阻尼后，拱橋檢查車振動逐步衰減，增大阻尼后，系統(tǒng)只振動1/4個周期，立即恢復(fù)至初始位置。結(jié)果表明，增加阻尼可以有效減小拱橋檢查車的擺動。

4 阻尼器試驗(yàn)分析

4.1 速度相關(guān)性試驗(yàn)驗(yàn)證分析

按照J(rèn)T/T 926—2014橋梁用黏滯流體阻尼器標(biāo)準(zhǔn)[10]的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)機(jī)頻率為0.085 Hz的情況下，對阻尼器進(jìn)行了5組工況下的速度相關(guān)試驗(yàn)，得到了相關(guān)測試數(shù)據(jù)，具體如表1，圖5，圖6所示。

表1 速度相關(guān)性試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

從表1,圖5,圖6得出，黏滯阻尼器在各速度條件下實(shí)測阻尼力在目標(biāo)阻尼力的±15%偏差以內(nèi)，性能穩(wěn)定，耗能曲線飽滿。另外，從圖5,圖6還可以看出，目標(biāo)力曲線和實(shí)測擬合值曲線吻合度高，所以黏滯阻尼器的速度相關(guān)性技術(shù)要求達(dá)到了設(shè)計要求，滿足懸掛式拱橋檢查車的約束擺動要求。

4.2 在結(jié)構(gòu)熱脹冷縮情況下的活動能力驗(yàn)證

慢速性能試驗(yàn)載荷與位移曲線見圖7，從圖7得出，黏滯阻尼器在慢速0.2 mm/s的條件下，阻尼力實(shí)測為220 N，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的508 N(最大阻尼力的10%)，滿足黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)熱脹冷縮情況下的活動需求，適應(yīng)懸掛式拱橋檢查車在野外環(huán)境下的使用工況。

4.3 極限位移驗(yàn)證

極限位移試驗(yàn)載荷與位移曲線見圖8，從圖8得出，黏滯阻尼器極限位移達(dá)到了±520 mm的設(shè)計要求，滿足懸掛式拱橋檢查車阻尼器位移較大的使用工況。

5 結(jié)語

本文提出的基于拱橋檢查車的黏滯阻尼器技術(shù)，成功解決了懸掛式拱橋檢查車擺動的難題，滿足鐵路拱橋檢查車運(yùn)動頻繁反復(fù)、小荷載大位移的使用要求，提高了車體的穩(wěn)定性和檢查工作人員的安全性。采用此項技術(shù)的懸掛式拱橋檢查車已成功應(yīng)用于滬昆高速鐵路北盤江特大橋和云桂鐵路南盤江特大橋等大型拱橋上，取得了良好的效果，也為后續(xù)鐵路橋梁檢修設(shè)備研究提供了參考。