一種新型柔性軌道設計及工作機理

謝新連,闞 穎,蔡 琦

(大連海事大學交通運輸管理學院,遼寧大連 116026)

1 概述

兩種以上運輸方式的多式聯運是交通運輸發展的一個重要領域。國內對多式聯運網絡運輸能力的研究還處于起步階段[1]。為提高火車渡輪的裝載量和裝卸效率,增強鐵路輪渡引橋對船型的適應性,文獻[2～5]中提出了一種以短軌構成,并在短軌之間預留一定伸縮間隙的新型柔性連接軌道(FDT,Flexible Double-rail Track),系統論述了這種柔性軌道工作原理和在未來海鐵聯運新系統中的應用前景。通過進一步的分析研究,在文獻[2～5]中提出的柔性軌道原型基礎上,本文提出一種軌枕與鋼軌剛性連接成一體,通過軌枕中部互相鉸接而形成軌道,依靠設在軌枕兩端的傳動軸傳遞扭矩并實現軌道整體彎曲的新型柔性軌道構造方案。以下簡稱文獻[2～5]中提出的柔性軌道原型為FDT-1型柔性連接軌道,本文提出的柔性軌道原型為FDT-2型柔性連接軌道。本文給出FDT-2型柔性軌道的設計方案,介紹這種新型柔性軌道的工作機理,并給出柔性軌道變形彎曲過程中的主要工作參數的表達式,用于說明這種設計方案的可行性和作為進一步研究的基礎。

2 FDT-2型柔性軌道的基本構造

FDT-2型柔性軌道主要由軌、枕一體化的軌枕和推拉機構等兩部分組成,見圖1。軌枕沿軌道延伸方向鋪設。軌枕與軌枕(即鋼軌與鋼軌)之間留有適當間隙,并通過軌枕中部的鉸接孔和銷軸連接。設在軌枕端部的推拉機構用于控制軌枕之間的夾角,即控制軌道的彎曲程度。柔性軌道各組成部分構件形式及其功能如下。

圖1 FDT-2型柔性軌道整體構造

2.1 軌枕

FDT-2型柔性軌道系統中的軌枕和鋼軌的形式、功能、連接方式與普通軌枕、鋼軌均有明顯差別,其鋼軌與軌枕剛性連接成一體。鋼軌的主要功能是對行走車輪導向和將車輪載荷傳遞給下面的軌枕,因此鋼軌的斷面形狀可以簡化,以便降低重量和制造成本。軌枕的主要功能是將鋼軌上傳導下來的力更加均勻地傳遞給下面的支撐平面,并且利用軌枕兩端設置的推拉機構改變相鄰軌枕之間的夾角。軌枕的具體設計形式見圖2。考慮到軌道經常彎曲,且曲率半徑有可能較小,軌距可以在標準值的基礎上適當增加,如增加15 mm[6]。

圖2 軌、枕剛性連接成一體的軌枕

2.2 推拉機構

推拉機構主要由扭力傳動軸、絲套、聯軸套3個構件組成。

(1)扭力傳動軸

扭力傳動軸由左、右旋螺紋，圓柱接頭，方柱接頭組成,為了便于加工和操作,左、右旋螺紋之間留有螺紋退刀槽,退刀槽兩側螺紋方向相反。聯軸套與扭力傳動軸的圓柱接頭通過定位螺絲相連,圓柱接頭上的螺絲淺孔應該在安裝現場定位后加工。扭力傳動軸結構示意見圖3。

圖3 扭力傳動軸

(2)絲套

絲套內部設有螺紋,分為左、右旋螺紋兩種絲套。絲套置于軌枕端部的凹槽內,與軌枕端部凹槽的上接合面采用頂絲連接,下接合面采用圓形鍵連接。扭力傳動軸穿過絲套并通過聯軸套將扭矩傳遞給相鄰的下一個扭力傳動軸,同時將產生的推力或拉力傳遞給軌枕。絲套結構示意見圖4。

圖4 右旋螺紋絲套

(3)聯軸套

聯軸套兩端內側分別為圓柱形光孔和方形光孔。其作用是連接相鄰的扭力傳動軸并單純傳導轉角和扭矩。聯軸套結構示意見圖5。

圖5 聯軸套

3 FDT-2型柔性軌道的工作機理

將軌枕和推拉機構中的零部件制造好后,運到鐵路輪渡碼頭現場組裝成圖1所示的柔性連接軌道,并安置在光滑的支撐平面(一般為橋面)上。柔性軌道接陸端第一根軌枕與陸上固定軌道連接并固定不動,另一端是自由端,可以在力或力矩的作用下在軌道平面內左右彎曲,呈現出柔性。驅動柔性軌道彎曲的力或力矩來自于安裝在軌枕兩端的推拉機構。在與陸上固定軌道連接的第一根軌枕處設置操作動力,在軌枕兩端扭轉第一根扭力傳動軸。

在推拉機構中,扭力傳動軸上的圓柱形接頭插入聯軸套的圓柱形孔內,固定連接；扭力傳動軸上的方柱形接頭以滑動配合的方式插入另一個聯軸套的方形孔內,兩者縱向可以相對移動,但轉角鎖定。通過聯軸套帶動后續相連的扭力傳動軸轉動,實現軌道沿線上所有扭力傳動軸同步轉動。

在扭力傳動軸轉動的過程中,絲套固定在軌枕的凹槽內,不隨之旋轉,但絲套內部的螺紋與扭力傳動軸上螺紋之間的相對轉動使絲套與扭力傳動軸之間形成軸向相對位移。由于扭力傳動軸跨接相鄰軌枕上的兩個絲套,且兩個絲套上的螺紋相反(與扭力傳動軸兩端的螺紋方向配合),合理設置軌枕兩端扭力傳遞軸上螺紋的方向,使扭力傳動軸旋轉時推拉軌枕以中間連接銷軸為圓心微量旋轉,一端的軌枕間隙減小,另一端的軌枕間隙增大,即同一條線上傳動軸帶動的軌枕端部產生移動,或同時靠近或同時疏遠。通過這種方式使得軌道曲率產生變化,進而實現整條軌道的柔性。

從理論上看,與FDT-1型柔性軌道相比,FDT-2型柔性軌道的軌枕連接方式和推拉彎曲方式能夠消除彎曲軌道需要施加的彎軌外力和由此引起的鋼軌、軌枕內應力。

4 主要形變控制參數關系

4.1 形變參數的表達與定義

為便于建立柔性軌道的形變控制參數關系及敘述,按照圖6所示,建立X-Y坐標系。將軌道置于坐標系內,X方向為軌枕長度或軌道橫方向,Y方向為軌道延伸方向,R0點為坐標原點。設y=0即X軸為柔性軌道與陸上固定不動的軌道的連接處,用Ji、Ii、Di、Wi表示軌枕的4個端點,其中i表示軌枕編號。先將柔性軌道接陸端第一根軌枕編號為0,由此向柔性軌道的自由端(接船端)對軌枕順次編號,i=0,1,2,……,n。從軌枕1開始,各軌枕受力后產生偏移。令Bi、Ri分別為JiWi、IiDi的中點,Oi為第i-1個軌枕與第i個軌枕的鉸接軸心。又設軌枕長度為2l,即JiWi=IiDi=2l；軌枕寬度為b,即IiJi=DiWi=b；沿軌道長度,相鄰軌枕之間的設計間隙均為2d；軌距為2g。

圖6 柔性軌道彎曲示意

定義1：若視第i個軌枕不動,則第i+1個軌枕相對于第i個軌枕的偏轉角稱為相對偏轉角,用α表示。軌道在彎曲過程中,設所有相鄰軌枕的相對偏轉角相等。

定義2：受相鄰軌枕之間設計間隙大小的影響,軌枕的相對偏轉角存在一個最大值,稱之為軌枕最大偏轉角,用αmax表示。

定義3：一段柔性軌道彎曲后形成的偏轉角為過這段軌道兩端中心線上這兩點的切線之間的夾角,柔性軌道總的偏轉角為其彎曲后自由端軌道縱向中心線(的切線)與其固定端軌道縱向中心線(的切線)的夾角,即兩端軌向差。

定義4：第i個軌枕相對于編號為0(即固定端)的軌枕的偏轉角稱為第i個軌枕的偏轉角,用αi表示。

4.2 形變參數關系式

為了了解和掌握柔性軌道的形變規律和特性,需要推導出其偏轉角、曲率半徑、自由端位移量和軌縫間隙變化量等參數的理論關系式[7]。

第一,當控制任意兩個相鄰軌枕的夾角均為α時,由n+1條軌枕連接成的柔性軌道總的偏轉角度或轉向角度為

αn=nα

(1)

第二,根據幾何知識,容易證得Oi,i=1,2,……,n共圓,該圓的半徑表達式為

(2)

顯然,R也是柔性軌道的曲線半徑,即柔性軌道彎曲后的曲率半徑。當各軌枕都達到最大值,即α=αmax時,整個軌道達到最大彎曲程度,此時柔性軌道的曲線半徑最小。

第三,求柔性軌道自由端或接船端的偏移量,就是求第n號軌枕的位移量。為此,只需分析Bn點的位移即可。設軌道處于平直狀態時,Bn點的坐標為(xBno,yBno),彎曲偏移后Bn點的坐標為(xBnn,yBnn)。則Bn在X軸的位移量ΔxBn=xBnn-xBno。

因xBno=0,所以

(3)

Bn在Y軸方向的偏移量ΔyBn=yBnn-yBno,其中,

yBno=n(b+2d)+b

(4)

(5)

因此,可以推導出下式

dcos(nα)-nb-(2n-1)d

(6)

第四,考慮到柔性軌道彎曲后,一側的軌縫增加、另一側的軌縫減小。軌縫增加會導致車輛行走振動,甚至不安全；軌縫減小,則受設計中預留的軌枕間隙限制(≤2d)。因此,柔性軌道彎曲過程中軌縫的變化量是一個非常重要的參數。由于要求柔性軌道在工作中其各相鄰軌枕之間的相對偏轉角度相同,因此可以推導出軌枕間隙計算公式(7)、(8)。

柔性軌道彎曲后,軌道中心線內側(間隙減小一側)相鄰鋼軌之間的間隙為

(7)

軌道中心線外側(間隙增大一側)相鄰鋼軌之間的間隙為

(8)

公式(1)～(8)給出了FDT-2型柔性軌道彎曲變形的關鍵形狀參數的理論值,合理設計和控制這些參數,能夠使柔性軌道具有優良的操作使用性能。后續論文將給出柔性軌道更多形變參數的理論公式推導、數值分析和設計參考值。

5 結論

本文提出了一種軌枕與鋼軌一體,通過軌枕鉸接連成軌道,依靠推拉機構實現軌道整體彎曲的新型柔性軌道結構。這種新型柔性軌道可以在海鐵聯運的船岸連接橋上使用,徹底改善船橋之間的兼容性或通用性。主要研究結論如下。

(1)當各軌枕相對旋轉一個等角度使軌道轉向后,各相鄰鋼軌(延伸線)的交點共圓,即在彎曲變形的柔性軌道上,車輛行駛路線近似為圓弧形。

(2)柔性軌道整體彎曲變形量與軌枕寬度、相鄰軌枕間距、相鄰軌枕之間的相對偏轉角度及軌枕總數有關。軌枕間隙的變化量是決定柔性軌道性能的關鍵參數。本文給出的柔性軌道形變參數計算公式可用于柔性軌道的設計和性能分析。

(3)軌道結構形式簡單,構件可標準化,便于安裝與拆卸,具有實用性和經濟性。

采用這種柔性軌道可能會產生的問題：一是車輛行走時顛簸、振動的頻率較高；二是會增加鋼軌接頭處的撞擊頻率,使鋼軌易于疲勞受損。由于在裝卸船的過程中車輛行走速度較慢(一般不超過10 km/h),通過控制車輛上下船的速度可以弱化第一個問題。借鑒以往的研究成果,選用合適的鋼軌材料或科學地處理鋼軌頭部材質可以改善第二個問題[8]。

關于對這種新型柔性軌道的彎曲變形控制、操控動力輸入方式、縱向荷載作用下軌排的結構穩定性、橫向荷載作用下軌排的橫向穩定性、軌枕和鋼軌應力集中區強度分析、行車安全措施,以及帶來的聯運系統整體效益等實際問題有待深入研究,并在后續文章中進一步討論。

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