懸掛式單軌伸縮裝置的失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)★

李利軍

(中鐵寶橋集團(tuán)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(yùn)行,軌道梁多為下部開(kāi)口的箱形鋼梁結(jié)構(gòu),箱內(nèi)布置有集電靴、通信電纜、導(dǎo)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(guó)和日本已相繼發(fā)展了懸掛式單軌,并已成功運(yùn)營(yíng)多條線路[3]。國(guó)內(nèi)僅建設(shè)了幾條試驗(yàn)線,尚未建設(shè)運(yùn)營(yíng)線路[4]。目前,已建設(shè)的懸掛式單軌線路使用的伸縮裝置有無(wú)縫型、梳齒型、斜縫型三種結(jié)構(gòu),其中無(wú)縫型結(jié)構(gòu)過(guò)車平穩(wěn)性最好,結(jié)構(gòu)傳力最為復(fù)雜。

1 伸縮裝置失效概述

中唐空鐵試驗(yàn)線全長(zhǎng)1.4 km,呈U字型環(huán)繞,位于成都中唐空鐵廠區(qū)。試驗(yàn)線由車站、正線和副線軌道、列車、靜調(diào)庫(kù)以及相關(guān)配套設(shè)備構(gòu)成。線路最小曲線半徑為50 m,最大坡度35‰,最高試驗(yàn)運(yùn)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(yàn)運(yùn)行過(guò)程中,軌道梁接縫位置出現(xiàn)噪聲異響、過(guò)縫顛簸等問(wèn)題。經(jīng)對(duì)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(jiàn)圖1),導(dǎo)致伸縮裝置發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,存在安全隱患。國(guó)內(nèi)對(duì)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(bǔ)償相鄰軌道梁間的縫隙,適應(yīng)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(shí)現(xiàn)車輛平順過(guò)縫。如圖2所示,伸縮裝置主要由梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ、活動(dòng)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(dòng)軌道梁端,活動(dòng)板搭接在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上,通過(guò)限位螺栓固定,形成柔性浮動(dòng)連接?；顒?dòng)板在走形面連接伸縮裝置橫向滑動(dòng),實(shí)現(xiàn)沿軌道梁長(zhǎng)方向的調(diào)節(jié)。

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

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(zhǎng)度方向伸縮,活動(dòng)板搭接在梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ之上進(jìn)行橫向滑動(dòng)(見(jiàn)圖3),實(shí)現(xiàn)了連接伸縮裝置的長(zhǎng)度方向自由調(diào)節(jié)和軌道梁無(wú)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(dòng)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(yīng)梁端轉(zhuǎn)角的變化。

在基礎(chǔ)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(guò)對(duì)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(shí),伸縮裝置通過(guò)限位滑板的滑動(dòng)可以隨而自滑動(dòng)適應(yīng),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(huì)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(zhǔn)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(jiǎn)支軌道梁橋模型(見(jiàn)圖4(a)),軌道梁與立柱間采用彈性連接模擬銷軸,實(shí)現(xiàn)軌道梁的橫橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)和順橋向的滑動(dòng)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(jiàn)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(jìn)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(gè),節(jié)點(diǎn)247 205個(gè)。軌道梁吊框、活動(dòng)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(hào)鋼。

伸縮裝置在受力過(guò)程中會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng),活動(dòng)板與梯形板Ⅰ、梯形板Ⅱ之間設(shè)置摩擦接觸,摩擦系數(shù)0.2。

3.2 軌道梁橋整體計(jì)算

經(jīng)過(guò)檢算對(duì)比發(fā)現(xiàn),列車荷載和基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)對(duì)梁端轉(zhuǎn)角起增強(qiáng)作用,溫度梯度會(huì)對(duì)梁端轉(zhuǎn)角起減弱作用,故不對(duì)溫度梯度進(jìn)行核算。列車動(dòng)力作用下,經(jīng)過(guò)對(duì)移動(dòng)荷載進(jìn)行探測(cè),列車運(yùn)行至軌道梁跨中位置處(見(jiàn)圖5(a)),兩相鄰軌道梁的相對(duì)豎向轉(zhuǎn)角和為4.12‰rad,此時(shí)為最大值。列車動(dòng)力作用下,列車運(yùn)行至軌道梁柱頂位置處(見(jiàn)圖5(b)),兩相鄰軌道梁的相對(duì)豎向轉(zhuǎn)角和為2.67‰rad?；A(chǔ)不均勻沉降按10 mm考慮,引起的相鄰軌道梁相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.8‰rad。綜合列車動(dòng)力作用和基礎(chǔ)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(jìn)行整體分析。強(qiáng)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(dòng)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(dòng)分為活動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)和固定端轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)過(guò)對(duì)兩種轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢算對(duì)比分析,活動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)受力較大。經(jīng)對(duì)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(jì)算,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角荷載單獨(dú)作用時(shí),螺栓的受力最為嚴(yán)酷,輪壓荷載會(huì)給活動(dòng)板豎向壓力,降低了螺栓軸力。

本文對(duì)活動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的轉(zhuǎn)角荷載仿真結(jié)果進(jìn)行列舉,從圖6可以看出:軌道梁外側(cè)螺栓受力最為嚴(yán)酷,這與實(shí)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(yàn)算

1)強(qiáng)度驗(yàn)算:限位螺栓與活動(dòng)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(jì)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(jì)算結(jié)果可以看出,該連接焊縫的計(jì)算應(yīng)力值為243.6 MPa,超出TB 10091—2017的強(qiáng)度限值要求[12]。

2)疲勞驗(yàn)算:伸縮裝置受列車荷載影響較大,列車通過(guò)軌道梁后,相鄰軌道梁的轉(zhuǎn)角差值達(dá)到一次最大值,故一列車通過(guò)伸縮裝置后,焊縫的疲勞應(yīng)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(jì)算約876萬(wàn)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(wàn)次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)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(yīng)力幅ΔσR=19.2 MPa。

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

從計(jì)算結(jié)果可以看出,部分熔透的坡口角焊縫的疲勞應(yīng)力幅較低,焊縫計(jì)算應(yīng)力幅遠(yuǎn)大于JTG D64—2015的容許值,不能滿足耐久性設(shè)計(jì)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致活動(dòng)板與梯形板Ⅱ、梯形板Ⅰ形成夾角,迫使結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形。伸縮縫水平位移量為6.28 mm,在進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮此值對(duì)伸縮縫的長(zhǎng)度伸縮縫極限值的影響。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(dǎo)致限位螺栓脫落失效的主要原因。軌道梁端轉(zhuǎn)角會(huì)導(dǎo)致梯形板Ⅰ與梯形板Ⅱ形成4.92‰rad的夾角,活動(dòng)板與二者在豎直方向會(huì)發(fā)生相對(duì)位移?；顒?dòng)板為伸縮裝置的核心零件,其要實(shí)現(xiàn)可靠浮動(dòng),又要時(shí)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(shù)難題,經(jīng)查閱資料和設(shè)計(jì)手冊(cè),將原焊接連接的限位螺栓優(yōu)化為“錐銷+碟簧”結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7,圖8)。錐銷角度設(shè)計(jì)為5.72°,實(shí)現(xiàn)自鎖防轉(zhuǎn)。碟簧的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮自身剛度的同時(shí)還需考慮預(yù)壓縮荷載,保證活動(dòng)板壓緊力,避免車輛過(guò)縫異響,經(jīng)計(jì)算選型,選用碟簧B 28(GB/T 1972),碟簧采用“疊合+對(duì)合”形式,以適應(yīng)軌道梁轉(zhuǎn)角變化,碟簧組件安裝后預(yù)留壓縮量0.6 mm。

4.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)4.1節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì),碟簧組件工作變形量為1.2 mm,計(jì)算出碟簧的壓力荷載2 220 N。優(yōu)化后的伸縮裝置通過(guò)設(shè)置“疊合+對(duì)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(jìn)行校核,計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。由圖9可以看出,在主+附工況下,最大應(yīng)力83.8 MPa,位于活動(dòng)板與梯形板搭接位置,小于TB 10091—2017的強(qiáng)度限值210 MPa,符合設(shè)計(jì)要求。

一列車通過(guò)伸縮裝置后,伸縮裝置的疲勞應(yīng)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(jì)算約2 336 萬(wàn)次。按TB 10091—2017進(jìn)行疲勞校核,結(jié)構(gòu)母材的疲勞容許應(yīng)力幅類別為Ⅰ類,按疲勞抗力公式計(jì)算出疲勞容許應(yīng)力幅為80.9 MPa。由圖10可以看出,最大應(yīng)力幅54.3 MPa,位于活動(dòng)板與梯形板搭接位置,小于TB 10091—2017的疲勞強(qiáng)度限值80.9 MPa,符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,在中唐空鐵試驗(yàn)線上進(jìn)行了改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn),車輛通過(guò)伸縮裝置5 000次后無(wú)故障后,又對(duì)全線所有伸縮裝置進(jìn)行了改造升級(jí),消除了車輛過(guò)縫異響現(xiàn)象,提高了車輛過(guò)縫平順性。改進(jìn)后的伸縮裝置使用至今,性能穩(wěn)定,滿足車輛過(guò)縫需求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(guò)伸縮裝置時(shí),軌道梁端發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),相鄰軌道梁的轉(zhuǎn)角會(huì)帶動(dòng)伸縮裝置的梯形板Ⅰ和梯形板Ⅱ形成夾角,導(dǎo)致活動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shù)難題,提高了伸縮裝置的轉(zhuǎn)角變化適應(yīng)性,并在試驗(yàn)線進(jìn)行了成功驗(yàn)證,為伸縮裝置和同類產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了借鑒思路,同時(shí)有力推動(dòng)了懸掛式單軌行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。