懸掛式單軌三開道岔關(guān)鍵梁體結(jié)構(gòu)研究

摘要：第二關(guān)節(jié)梁為懸掛式單軌三開道岔關(guān)鍵梁體，梁體的強(qiáng)度以及變形會(huì)影響到鎖定、驅(qū)動(dòng)等裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，進(jìn)而影響到整個(gè)道岔的使用。同時(shí)梁體底部為開口結(jié)構(gòu)，其過度變形也會(huì)影響到行車安全。因此，通過有限元分析軟件對(duì)梁體進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算，得到不同工況下梁體的應(yīng)力及變形，其中在最不利工況下最大變形為1.895 mm，最大應(yīng)力為133.36 MPa，均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)從計(jì)算結(jié)果得到關(guān)節(jié)梁的變形規(guī)律，即關(guān)節(jié)梁在承受外部載荷作用時(shí)，梁體在垂向上產(chǎn)生一個(gè)向下的撓度，梁底部會(huì)產(chǎn)生橫向變形，梁走行面上會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)變形。通過現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)對(duì)靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：在靜力學(xué)分析標(biāo)記區(qū)域內(nèi)，梁體的最大豎向變形測(cè)量值為1.5 mm，最大橫向變形為1.55 mm，排除誤差影響，加載試驗(yàn)的結(jié)果與靜力學(xué)分析結(jié)果，無論在數(shù)值上還是在變化規(guī)律上均較為相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了靜力學(xué)分析計(jì)算的有效性。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌；三開道岔；道岔梁；靜力學(xué)分析；加載試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U213.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.08.005

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 08-0031-08

Study on Structural Design of Key Beam of Suspended Monorail Three-Way Turnout

GE Zhenbin

（ China Railway Construction Heavy Industry Corporation Limited， Changsha 410100， China ）

Abstract：The second joint beam is the key beam body of the suspended monorail three-way turnout. The strength and deformation of the beam body will affect the operation accuracy of the locking and driving devices and thus affect the use of the entire turnout. At the same time， the bottom of the beam body is an open structure， and its excessive deformation will also affect driving safety. The static analysis and calculation of the beam body are carried out by finite element analysis software， and the stress and deformation of the beam body under different working conditions are obtained. The maximum deformation under the most unfavorable working conditions is 1.895 mm and the maximum stress is 133.36 MPa， which meets the requirements of relevant standards. At the same time， the deformation law of the joint beam is obtained from the calculation results， that is， when the joint beam is subjected to external load， the beam body produce a downward deflection in the vertical direction， transverse deformation at the bottom， and overturning deformation on the walking surface. The static analysis results are verified by field loading test. The test results show that in the marked area of static analysis， the measured value of the maximum vertical deformation of the beam is 1.5mm and the maximum transverse deformation is 1.55 mm. Excluding the influence of error， the results of loading test are consistent with the results of static analysis both in value and change law， which further verifies the effectiveness of static analysis and calculation.

Key words：suspended monorail；three-way turnout；turnout beam；static analysis；load test

懸掛式單軌由于具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)、占地面積小、施工簡(jiǎn)便、工期短等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]，受到國(guó)內(nèi)外持續(xù)關(guān)注。目前在國(guó)外，德國(guó)、日本已有多條懸掛式單軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線[2-3]；在國(guó)內(nèi)，中車青島四方懸掛式單軌試驗(yàn)線[4]等多條試驗(yàn)線已成功運(yùn)行，同時(shí)成都大邑、武漢光谷等正線項(xiàng)目也在陸續(xù)推進(jìn)中。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)懸掛式單軌展開了許多研究工作，主要集中在軌道梁方面。如Yamasaki等[5-6]通過精確有限元法對(duì)軌道梁的應(yīng)力與撓度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)軌道梁的疲勞進(jìn)行試驗(yàn)分析；Hiroshi Hikosaka等[7]對(duì)軌道梁的變形行為進(jìn)行了理論計(jì)算研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者則主要對(duì)軌道梁的結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[8-9]。但對(duì)于懸掛式單軌道岔，目前國(guó)外學(xué)者研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究則主要集中在道岔的線型設(shè)計(jì)與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面[10-13]，對(duì)道岔中的部件結(jié)構(gòu)研究相對(duì)較少，目前僅有張英等[14]對(duì)道岔梁進(jìn)行了有限元分析，同時(shí)該道岔為整體式的單開道岔。目前國(guó)內(nèi)外已建成的懸掛式單軌試驗(yàn)線和商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，其配置的道岔多為單開道岔，很少有多開道岔，多開道岔相關(guān)的學(xué)術(shù)研究也相對(duì)更少。

本文以鐵建重工研制的行業(yè)內(nèi)首組懸掛式單軌三開道岔為研究對(duì)象，如圖1所示。懸掛式單軌三開道岔其道岔梁采用分段設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)鎖定部分則采用單驅(qū)動(dòng)單鎖定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于驅(qū)動(dòng)、鎖閉等裝置均安裝在第二關(guān)節(jié)梁上，所以第二關(guān)節(jié)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形均會(huì)對(duì)道岔的整體使用產(chǎn)生影響，因此，本文將采用靜力學(xué)分析計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)的方法對(duì)第二關(guān)節(jié)梁展開研究。相關(guān)研究結(jié)果可為后續(xù)懸掛式單軌軌道梁及道岔梁的設(shè)計(jì)及研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)分析

與現(xiàn)有懸掛式單軌道岔采用的整體式道岔梁結(jié)構(gòu)不同，懸掛式單軌三開道岔其道岔梁總長(zhǎng)為19.96 m，采用分段式設(shè)計(jì)，材料采用Q345B鋼板，主體為焊接結(jié)構(gòu)。如圖2所示，第二關(guān)節(jié)梁主體結(jié)構(gòu)由頂板、底板、腹板圍繞而成，底部及周圍加設(shè)筋板，其結(jié)構(gòu)與軌道梁類似，底板、筋板、頂板均使用30 mm厚的鋼板，腹板則使用25 mm厚的鋼板。

2 荷載分析

由懸掛式單軌三開道岔的實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可知，道岔主要承受的載荷為其自身恒載、列車豎向活載、列車橫向活載和附加力。其中，附加力一般包括列車制動(dòng)力或者列車牽引力以及風(fēng)載荷[15]。

2.1 恒載

本文中涉及的恒載主要為第二關(guān)節(jié)梁及其附屬結(jié)構(gòu)的自身重量，具體數(shù)值為95.21 kN。

2.2 列車豎向荷載

一般懸掛式單軌列車按照2節(jié)或3節(jié)車編組，每節(jié)車包含4根軸，單軸荷載超重按3%控制，其中列車的具體每根軸分布如圖3所示。根據(jù)懸掛式單軌地方標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，計(jì)算列車豎向活載作用時(shí)，列車的豎向靜活載應(yīng)乘以一個(gè)動(dòng)力系數(shù)。具體計(jì)算為：

式中：（1＋）為動(dòng)力系數(shù)；L為梁跨度；P1為每根軸的標(biāo)準(zhǔn)載荷，取P1＝50 kN；P2為列車單軸豎向活載。

計(jì)算得：1＋＝1.31，P2＝67.465 kN。

當(dāng)列車分別通過道岔梁的直線位和側(cè)線位時(shí)，列車豎向活載的作用位置如圖4所示。

2.3 列車橫向荷載

根據(jù)懸掛式單軌地方標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，列車橫向活載參照每列空軌列車的單軸設(shè)計(jì)載荷的25%進(jìn)行計(jì)算，即：

P3＝0.25P1" " " " " " " " " " " "（3）

式中：P3為列車的單軸橫向活載。

計(jì)算得：P3＝12.5 kN。

2.4 附加力

2.4.1 制動(dòng)力或牽引力

根據(jù)懸掛式單軌地方標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，列車橫向活載參照每列空軌列車單軸設(shè)計(jì)載荷的15%進(jìn)行計(jì)算，即：

P4＝0.15P1" " " " " " " " " " " "（4）

式中：P4為列車單軸制動(dòng)力或牽引力。

計(jì)算得：P4＝7.5 kN。

2.4.2 風(fēng)荷載

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]，風(fēng)荷載計(jì)算為：

W＝K1K2K3W0" " " " " " " " " " "（5）

P5＝WA" " " " " " " " " " " " " （6）

式中：W為風(fēng)荷載強(qiáng)度；K1為梁體的風(fēng)載系數(shù)；K2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；K3為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓；P5為風(fēng)載荷；A為第二關(guān)節(jié)梁受風(fēng)面積。

由本項(xiàng)目實(shí)施地區(qū)以及本文分析對(duì)象，已知：K1＝1.4，K2＝1.0，K3＝1.0，W0＝500 Pa，A＝6.435 m2。

計(jì)算得：W＝700 Pa，P5＝4.505 kN。

3 模型建立

借助三維軟件Creo建立第二關(guān)節(jié)梁三維模型，并將該模型轉(zhuǎn)換為中間格式文件導(dǎo)入有限元分析軟件，從而建立其FEM（Finite Element Method，有限單元法）模型。對(duì)該模型的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中Q345材料參數(shù)如表1所示[17]。參考第2節(jié)對(duì)各荷載的分析，根據(jù)列車的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)模型進(jìn)行荷載加載及約束設(shè)置。

由圖4可以看出，懸掛式單軌三開道岔總長(zhǎng)近20 m，可同時(shí)容納2節(jié)列車通過，其中第二關(guān)節(jié)梁內(nèi)部最多能放置6個(gè)走行輪，即3根車軸。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，考慮第二關(guān)節(jié)梁的最不利工況，其各工況載荷進(jìn)行加載的組合為：

組合1：恒載、列車豎向活載；

組合2：組合1、列車橫向活載；

組合3：組合2、風(fēng)荷載；

組合4：組合3、列車制動(dòng)力或牽引力。

其中恒載通過重力荷載形式直接加載至模型上，列車豎向活載、列車橫向活載、列車的制動(dòng)力或牽引力則參照其實(shí)際受力方向加載至梁內(nèi)走行面上6個(gè)標(biāo)記的加載局域，風(fēng)荷載加載至梁體一側(cè)腹板上。其他約束：將第二關(guān)節(jié)梁頂部4個(gè)連接位置均設(shè)置為固定約束。

4 求解分析

4.1 靜力學(xué)分析

由圖4可以看出，無論是列車過直線還是過側(cè)線，第二關(guān)節(jié)梁內(nèi)部最多能容納3根車軸，但在過側(cè)線時(shí)由于離心力等的影響，轉(zhuǎn)向架上的導(dǎo)向輪與第二關(guān)節(jié)梁內(nèi)壁接觸，第二關(guān)節(jié)梁將受水平力作用，因此，本文僅對(duì)列車通過側(cè)線時(shí)的受力進(jìn)行分析。

各工況下第二關(guān)節(jié)梁的靜力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，4種加載方案中，組合4的變形及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均大于其他組合，由此可見，組合4的載荷工況為第二關(guān)節(jié)梁的最不利工況。

下文僅列出組合4工況下第二關(guān)節(jié)梁的變形和應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。

綜合前文分析計(jì)算結(jié)果可知，在組合4最不利工況下，第二關(guān)節(jié)梁的最大復(fù)合變形為1.895 mm，出現(xiàn)在第二關(guān)節(jié)梁尾部的底部筋板；其最大應(yīng)力為133.36 MPa，位于第二關(guān)節(jié)梁頂部的螺栓連接區(qū)域；梁體頂部的變形和應(yīng)力均很小，滿足驅(qū)動(dòng)、鎖定裝置的安裝條件。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)道岔梁的變形要求分別為L(zhǎng)/800和L/1400[15-16]，本文分析對(duì)象第二關(guān)節(jié)梁長(zhǎng)4505 mm，其跨度L為頂部螺栓連接區(qū)域中心距，長(zhǎng)2690 mm，代入計(jì)算得其最大變形要求分別為3.35 mm和1.92 mm。從前文分析結(jié)果可知，本文計(jì)算結(jié)果均可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變形要求。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，取梁體材料安全系數(shù)為1.5，折算出材料的許用應(yīng)力為230 MPa，由表2可知，在組合4最不利工況下，第二關(guān)節(jié)梁最大的應(yīng)力為133.36 MPa，遠(yuǎn)低于梁體材料的許用應(yīng)力230 MPa。綜上，第二關(guān)節(jié)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿足線路的使用要求。

4.2 變形分析

分析計(jì)算時(shí)所有荷載組合均包含了重力荷載，但實(shí)際對(duì)道岔梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，梁體由于本身重力荷載而產(chǎn)生的變形已經(jīng)存在，因此靜載試驗(yàn)結(jié)果需去除由重力荷載自身引起的變形量。為便于后續(xù)試驗(yàn)研究，去除組合1工況中的重力載荷（即排除重力載荷引起的變形），重新進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)為便于查看變形趨勢(shì)，將計(jì)算后的顯示結(jié)果適當(dāng)放大，在關(guān)節(jié)梁底部以及橫向開口位置進(jìn)行標(biāo)記，并顯示該標(biāo)記區(qū)域的變形值，其分析計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

可以看出，第二關(guān)節(jié)梁在承受外部載荷作用時(shí)，梁整體在垂向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的撓度，靠近載荷施加位置的變形大于其他區(qū)域，同時(shí)由于梁體底部為開口結(jié)構(gòu)，在橫向上會(huì)產(chǎn)生變形，走行面也會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)變形，這與文獻(xiàn)[19-21]中的相關(guān)研究結(jié)果相符合。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)研制完成的懸掛式三開道岔關(guān)節(jié)梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，分別采用百分表和位移傳感器測(cè)量其豎向變形以及底部開口橫向變形。如圖7所示，在關(guān)節(jié)梁底部以及梁內(nèi)走行面分別安裝百分表和位移傳感器，其安裝位置與前述靜力學(xué)分析中的標(biāo)記區(qū)域（圖6b、d）相匹配。百分表帶有磁吸座，將磁吸座（共3組6個(gè)）固定安裝在梁體下方支架上（支架與梁體之間不接觸），加載前百分表調(diào)零，待加載穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)并記錄；在梁內(nèi)尾部及中間位置安裝位移傳感器（2個(gè)，型號(hào)：松下HL-G125，精度：20 μm）；通過安裝在梁內(nèi)的工裝模擬列車車輪，同時(shí)在工裝的下方依次增加砝碼進(jìn)行加載，模擬車輛荷載。加載試驗(yàn)其載荷加載的位置以及大小參照靜力學(xué)分析中的組合1工況。

將現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)量位置的測(cè)量結(jié)果與前文中組合1去除重力載荷工況中對(duì)應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表3所示?？梢钥闯觯谀M加載試驗(yàn)中，所測(cè)關(guān)節(jié)梁底部最大變形為1.5 mm，位于第二關(guān)節(jié)梁尾部，同時(shí)走行面上在靠近加載位置的區(qū)域其豎向變形大于其他區(qū)域。由于第二關(guān)節(jié)梁豎向變形除了梁體本身的撓曲變形外，其走行面的翻轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生豎向變形，因此本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際測(cè)出的是梁體的總變形。測(cè)量值與總體計(jì)算值存在0.5 mm左右的誤差，考慮到梁體及底部支架的材料和制造誤差、支架的本身變形以及戶外試驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，0.5 mm的誤差在可接受范圍內(nèi)。除去誤差的影響，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與理論計(jì)算值較為接近。同時(shí)，無論是梁體單獨(dú)的豎向變形還是總體變形，其計(jì)算值與測(cè)量值的變化趨勢(shì)大體相同，即靠近加載位置的豎向變形大于其他位置的變形。

第二關(guān)節(jié)梁底部開口橫向變形測(cè)量結(jié)果如圖8所示，結(jié)合圖7（a）可以看出，在靠近梁的前端位置橫向位移為1.12 mm，在梁的中間位置橫向位移為1.55 mm，結(jié)合圖6（d）可以看出，2個(gè)測(cè)量位置其理論計(jì)算的橫向變形分別為1.29 mm和1.39 mm，與實(shí)際測(cè)量值存在0.17 mm左右的誤差，由于底板開口位置處為非機(jī)加面，同時(shí)設(shè)備安裝固定也存在誤差，因此0.17 mm的誤差也在可接受范圍內(nèi)。除去測(cè)量誤差的影響，測(cè)量值與計(jì)算值均較為相符。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)模擬加載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，與靜力學(xué)計(jì)算分析結(jié)果較為接近，這說明模擬加載試驗(yàn)?zāi)茌^好地驗(yàn)證靜力學(xué)分析結(jié)果，本次研究中所使用的靜力學(xué)分析模型及方法較為可靠，同時(shí)也為后續(xù)軌道梁和相似結(jié)構(gòu)的道岔梁的研究提供了參考。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)第二關(guān)節(jié)梁進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其在最不利工況下的最大復(fù)合變形為1.895 mm，出現(xiàn)在第二關(guān)節(jié)梁尾部的底部筋板，而最大應(yīng)力為133.36 MPa，位于第二關(guān)節(jié)梁頂部的螺栓連接區(qū)域，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）通過靜力學(xué)分析結(jié)果得到第二關(guān)節(jié)梁的變形規(guī)律，即在承受外部載荷作用時(shí)，梁整體在垂向上產(chǎn)生一個(gè)向下的撓度，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生橫向變形以及走行面的翻轉(zhuǎn)變形。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)中，第二關(guān)節(jié)梁的最大豎向變形測(cè)量值為1.5 mm，最大橫向變形為1.55 mm，雖與計(jì)算值存在誤差，但均在可接受范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)?zāi)茌^好地驗(yàn)證靜力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果。

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