160km/h剛性接觸網(wǎng)滑槽螺栓的選型研究

柳恩恩

摘? 要：對160km/h剛性接觸網(wǎng)高速旋轉(zhuǎn)擺臂與滑槽連接的螺栓進(jìn)行研究，首先，通過機械設(shè)計方法對螺栓強度進(jìn)行分析研究，從而確定螺栓直徑。然后用整體建模法建立懸臂組與滑槽連接的有限元模型對系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析。將兩種分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，表明系統(tǒng)最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，與機械計算方法吻合，選取的螺栓型號滿足使用要求，為160km/h剛性接觸網(wǎng)懸臂組與滑槽連接設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：160km/h剛性懸掛;滑槽連接;螺栓強度分析;仿真分析

中圖分類號：U225.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0052-03

Abstract： The researches are made on coupling bolt joint strength of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension. First， using the mechanical design method to make an analysis of the strength of the coupling bolts to determine the bolt diameter， and using holistic modeling method， it is intended to build the coupling bolt joint strength of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension models， so as to study the stress of the system. The analysis results， after compared with the strength analysis of mechanical design， show that the tensile strength from both analyses can meet the requirements. This research provides a theoretical basis for designing bolt connection of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension.

Keywords： 160 km/h high speed rigid catenary suspension; chute connection; analysis of the strength of the coupling bolts; simulation analysis

城市軌道交通160km/h及以上剛性接觸網(wǎng)在盾構(gòu)區(qū)段支撐結(jié)構(gòu)一般采用高速旋轉(zhuǎn)擺臂組合結(jié)構(gòu)，也稱絕緣懸臂組合結(jié)構(gòu)。同時可調(diào)節(jié)剛性懸掛的拉出值和懸掛高度，懸臂組端部具有一定的彈性及靈活性，對受電弓的跟隨性較好[1]。懸臂組一般安裝于線路中心行車方向右側(cè)，采用后置錨栓或滑槽T頭螺栓與隧道壁固定，如圖1所示。相比于后置錨栓方案，滑槽方案的主要特點是能直接通過槽道把懸掛裝置連接到隧道混凝土結(jié)構(gòu)上，而不再需要對隧道進(jìn)行打孔，也無需再焊接，對施工和運營維護(hù)優(yōu)勢明顯。滑槽應(yīng)用的起源地是在歐洲，因其防腐蝕能力非常高、動載荷能力強，且便于安裝與維護(hù)等特性，逐步引入國內(nèi)，深圳地鐵9號線是國內(nèi)首次在盾構(gòu)區(qū)段采用預(yù)埋滑槽技術(shù)的地鐵線路，目前應(yīng)用良好[2，3]。隨著列車提速，為提高車輛行駛的安全性和可靠性，需對適用于160km/h剛性接觸網(wǎng)懸臂組與滑槽連接螺栓進(jìn)行強度分析和評估。

本文以盾構(gòu)區(qū)間懸臂組與滑槽連接的螺栓為研究對象，采用機械設(shè)計方法對螺栓進(jìn)行研究選型，并采用整體建模法建立懸臂組與滑槽連接的有限元模型對螺栓進(jìn)行應(yīng)力分析。將兩種分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，表明懸臂組與滑槽連接螺栓最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，選取螺栓型號滿足要求。通過對懸臂組滑槽螺栓強度進(jìn)行計算及選型，為國內(nèi)160km/h剛性接觸網(wǎng)線路設(shè)計優(yōu)化工作提供參考及理論依據(jù)。

1 懸臂組與滑槽連接T頭螺栓強度分析

1.1 懸臂組零部件幾何信息

Furrer+Frey AG懸臂組零部件重量及幾何尺寸信息如圖2和表1所示。

1.2 T頭螺栓受力分析

根據(jù)線路條件160km/h剛性接觸網(wǎng)連續(xù)兩跨結(jié)構(gòu)，跨距為8m，最小曲率半徑為200m，如圖3所示。

在正常工況下，懸臂組受到如下各力：

水平方向拉力Fx：

豎直方向重力Fy：

懸臂組受到順線路方向拉力為Fz根據(jù)運行工況設(shè)為3kN。在Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個方向的工作載荷的作用下，滑槽螺栓組承受力和傾覆力矩：

軸向力

橫向力

傾覆力矩

式中：Lv2為接觸線到吊柱底板長度

1.3 計算單個T頭螺栓受的最大工作拉力

在軸向力FH作用下，滑槽每個螺栓承受的工作拉力為

如圖4所示，在傾覆力矩Mz作用下，吊柱底板與滑槽連接的接合面有繞O-O軸逆時針翻轉(zhuǎn)的趨勢，故下面兩螺栓受力較大，其所受工作拉力為

在傾覆力矩Mx作用下，吊柱底板與滑槽連接的接合面有繞P-P軸逆時針翻轉(zhuǎn)的趨勢，故左側(cè)兩螺栓受力較大，其所受工作拉力為：

故圖4左下角螺栓所受的最大工作拉力為：

1.4 計算T螺栓的預(yù)緊力Fp

在橫向力FV1和FV2合力FV的作用下，吊柱底板連接面不滑移的條件為：

1.5 計算T型頭螺栓的總拉力FQ

1.6 計算確定T型頭螺栓的直徑

根據(jù)GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中螺栓性能等級表，若選用8.8級T型頭螺栓，則其屈服極限為σs=640MPa。機械設(shè)計手冊中規(guī)定了螺紋連接的安全系數(shù)S，根據(jù)列車160km/h運行工況，選取變載荷最大安全系數(shù)S=5，因此[σ]=128MPa，T頭螺栓小徑d1為

根據(jù)GB/T 196-2003《普通螺紋基本尺寸》中規(guī)定的粗牙普通螺紋基本尺寸，M12T型頭螺栓小徑為10.106mm，故建議選用的螺栓直徑為M12以上。

2 懸臂組受力分析

2.1 幾何模型

選取M16螺栓組與隧道滑槽連接，如圖5所示，在SolidWorks中建立懸臂組的三維模型并導(dǎo)入ANSYS研究懸臂組受力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 應(yīng)力分析

圖6為懸臂組系統(tǒng)懸掛方案的應(yīng)力分析圖。懸臂組最大的應(yīng)力出現(xiàn)在底座連接處為85MPa，小于零部件材料Q235B的許用應(yīng)力，且M16螺栓軸向拉力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。

2.3 位移分析

圖7為懸臂組系統(tǒng)懸掛方案的位移分析云圖。懸臂組最大的位移為0.009m（Y方向），相對于1.5m的擺臂系統(tǒng)，位移較小，系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

對160km/h剛性接觸網(wǎng)懸臂組與滑槽連接的螺栓進(jìn)行研究：

（1）利用機械設(shè)計方法對T頭螺栓的拉伸強度進(jìn)行研究分析，從而確定滑槽連接螺栓的型號為M16，為160km/h剛性接觸網(wǎng)高速懸臂與滑槽連接設(shè)計提供了理論依據(jù)。

（2）利用仿真對高速旋轉(zhuǎn)擺臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及螺栓的受力及系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，從而確定M16螺栓的可行性及懸臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛景露.地鐵隧道內(nèi)160km/h剛性接觸網(wǎng)技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（05）：143-145.

[2]陳青松.盾構(gòu)區(qū)間預(yù)埋滑槽剛性接觸網(wǎng)安裝方案探討[A].中國鐵道學(xué)會工程分會第七屆線路專委會第二次會議論文集[C].中國鐵道學(xué)會工程分會：中國鐵道學(xué)會，2017：7.

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[4]成大先.機械設(shè)計手冊（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.