高速磁浮線路道岔鋼梁移位過程及其數值分析

2010-07-05 06:48:56張宏君

城市軌道交通研究 2010年7期

張宏君

(上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海∥工程師)

1 道岔梁基本結構及幾何參數

高速磁浮線路道岔鋼梁主體結構截面形式為箱形等截面梁,其主梁截面如圖1所示。

道岔主體結構部分鋼梁長77.338 m,支承在0～5號共6個支墩上(其中0號支點為固定端)。其等效示意圖見圖2。軌道切換時,道岔在0號支點固定,位于3、5號支墩處的驅動系統對道岔施加側向力,道岔鋼梁發生彈性變形,使道岔各支點達到系統要求的預定位置(第3點的側移位移為1.17 m,第5點的側移位移為3.553 m,其它3個點為從動點),并使整個道岔曲線形狀滿足系統要求。

道岔切換過程中活動端的變形約為梁長度的1/20,變形較大,故道岔切換過程需采用大變形分析;整個過程分多步模擬,提供支點移動過程、道岔變形過程、驅動力要求,以及相應內力、支反力等關鍵數據。

圖1 道岔鋼梁主截面圖

圖2 道岔鋼梁等效示意圖

2 梁的移位方式及變形特性

2.1 梁的移位方式

道岔移位時,支點3、5通過驅動電機向道岔提供驅動力,0支點固定,1、2、4支點隨動,各活動支點分別沿其導軌移動,在導軌端部設有限位。道岔的曲線形式由行車要求確定,與梁的彈性變形曲線不完全一致。由于只有兩個主動力可以調整,理論上講,道岔梁在這兩個力的作用下發生彈性變形,即使這兩個力可正可負,能任意組合,也只可保證兩點的位置,無法直接達到行車要求的位置;故需借助插銷或限位提供的反力調整曲線形狀,滿足車輛行駛要求。

2.2 道岔鋼梁的彎曲特征

彎曲道岔的形成基于以下邊界條件:

·有利于列車的平穩運行;

·保證乘客足夠舒適度;

·車輛運行過程中慣性力分布利于彈性彎曲道岔鋼梁的內力及疲勞強度。

從以上條件出發,考慮鋼梁彎曲狀態曲率半徑變化規律,道岔曲線部分宜采用5段分段函數,即直線——緩和曲線——圓曲線——緩和曲線——直線。道岔變形曲線如圖3所示。

圖3 道岔變形曲線

3 道岔鋼梁切換過程的力學分析

道岔切換過程,即為道岔鋼梁在兩個驅動電機驅動下發生彈性變形,使5個支承點達到系統要求的位置的過程。

切換方案的基本過程為:位于支點3和支點5的兩個驅動電機均勻同步地行進,驅動力逐步增加,支點1、2、3逐個到位;支點3到位后,位于支點5的電機繼續前進,使支點4、5逐個到位;然后5個支點同時插銷,電機斷電停機,道岔切換完成。

為保證道岔側線曲線段與直線段平滑連接,道岔固定端以剛接為宜。本計算分析中假定其為固定點剛接。根據實際采用的道岔固定端的節點構造形式,節點基本可實現抗彎約束,但也可能發生微小轉動,因此本文除對固定端按剛接計算外,也對部分狀態按鉸接假定進行了分析,以便為道岔設計提供全面的參考依據。

3.1 加載方式

整個驅動過程大致均勻地分為若干步。根據初步分析數據,以驅動點5為主要參照點,以該點每移動約0.15～0.16 m為一步,全程分23步。各步加載的位移見表1。表中給出支點3、5兩個驅動點各步的位移,3個從動點的位移由計算確定。其中第7、17、20、22、23步分別使 1～ 5支點到達其最終位置。

表1 切換過程中加載的位移m

3.2 固定端剛接梁模型分析

使用 ANSYS軟件進行數值模擬計算,選擇BEAM 4梁單元進行計算,采用大變形分析方法。

3.2.1 切換過程的驅動力和隨動點限位支承反力變化

道岔梁切換過程中兩個電機驅動力及20步以后支點3電機的被動力變化過程見圖4、圖5。至第20步驅動點3到位,此后該電機位置保持,該點的力變為被動力。

3.2.2 切換到位后道岔鋼梁的曲線

經上述驅動過程,道岔達到其側道彎曲位置。轉角和曲率半徑沿縱向x的變化見圖6、圖7。

圖4 支點3反力變化

3.3 固定端鉸接梁模型分析

為與剛接模型比較,把固定端換為鉸接進行計算分析,列出關鍵步驟數據。

圖5 支點5反力變化

驅動過程中5個支點到位時各關鍵點相應的位移和轉角見表2,相應驅動力和支點反力見表3。驅動過程中5個支點到位時梁的變形曲線見圖8。

從鉸接模型驅動力和反力的數據看,其與剛接模型相差不大,說明即使固定端不能實現絕對剛接,對驅動電機的選型和限位設計的影響也不大。從位移數據看,固定端剛接和鉸接的曲線形式影響不大,兩端轉角略有不同。固定端剛接時無轉角,而鉸接時將產生0.000 25 rad的轉角。這個數值是比較小的。鉸接自由端轉角為0.097 1 rad,與剛接時幾乎無差別,說明固定端接點剛度只影響接點附近,距離固定點越遠受影響越小,對自由端幾乎無影響。