跨越軌道安全防護裝置穩定性分析

2020-08-12 12:00:08夏朝國黃志輝

機械制造與自動化 2020年4期

夏朝國，黃志輝

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

0 引言

近年來，國家電力設施建設高速發展，形成了龐大的輸電網絡。與此同時，國家鐵路建設也取得了非凡的成就[1]。在電網建設過程中，高壓輸電線跨越鐵路的現象屢有發生。根據《中華人民共和國鐵路法》，跨越鐵路的施工須經過相關鐵路部門的批準，且須具有安全防護措施。目前常采用的防護方法工期長，人工參與過多，安全性和可靠性得不到保障。跨越軌道安全防護裝備的研發是為了高效、安全、可靠地實現跨線施工防護工作，而防護裝備的穩定性則是首先需要被考慮的。

1 跨越軌道安全防護裝備簡介

安全防護裝置整體結構如圖1所示。防護裝置由兩套相同的機構及中間的柔性防護網組成。每套機構均由底座、回轉盤、主塔、橫梁、副塔驅動架、副塔構成。

1—底座；2—回轉盤；3—主塔起豎油缸；4—主塔；5—橫梁起豎油缸；6—橫梁； 7—柔性防護網；8—副塔驅動架；9—副塔變幅油缸；10—副塔。圖1 整體結構

2 跨越軌道安全防護裝備搭建流程

防護裝備搭建流程如圖2所示。防護裝備由運輸車輛運到現場，待地面平整完成后，防護裝備在液壓系統的輔助下自卸下車，然后由人工對防護裝備進行前期整備。整備內容包括：拉伸橫梁、掛網、加長副塔。整備完成后的安全防護裝備如圖1(a)所示。防護裝備的搭建流程如下：控制主塔和橫梁的液壓油缸，同步起升主塔和橫梁。主塔在主塔起豎油缸的作用下緩慢豎起；橫梁則在橫梁起升油缸的作用下始終和底面保持平行，直到主塔完全豎起，如圖2(b)所示。當天窗送達后，在回轉系統的驅動下，防護裝備旋轉跨越鐵路，如圖2(c)所示。副塔在副塔變幅油缸的驅動下緩慢豎起，直至與地面垂直，如圖2(d)所示。在副塔驅動電機的驅動下，副塔緩慢下落，直到與底面接觸，如圖2(e)所示。最終由人工完成展網及張拉纜風繩工作。至此防護裝備搭建完成，如圖2(f)所示。

圖2 防護裝備搭建流程

3 跨越防護裝備的穩定性計算

防護裝備的工作地形復雜、環境惡劣，搭建過程中需要橫跨鐵路，倘若整體穩定性較差，可能引發鐵路重大安全事故，給鐵路運輸行業造成巨大的經濟損失。因此校核防護裝備的穩定性，并計算出使防護裝備安全工作的配重尤為重要。

采用力矩法對防護裝備的穩定性進行校核。載荷及安全系數的確定參考GB/T 3811-2008《起重機設計規范》[2]。

a)風載及防護網拉力計算

1)定義機構的受風面

因機構由不同部分組成，且每個部分都有不同的受風面，所以為了方便計算，先定義機構各受風面的名稱，如圖3所示。

1—底座與z軸垂直的面；2—底座與x軸垂直的面；3—底座與y軸垂直的面；4—主塔正面(下)；5—主塔側面；6—主塔正面(上)；7—橫梁側面；8—橫梁底面；9—副塔側面；10—副塔端面。圖3 機構各受風面標示圖

2) 風載計算

根據GB/T 3811-2008《起重機設計規范》，當風向與桁架結構受風面垂直時，風載計算公式為：

PW=C×p×A

(1)

式中：PW為作用在迎風面的風載，kN；C為風力系數，根據GB/T 3811-2008《起重機設計規范》，直邊型鋼桁架結構風力系數取1.7；防護網由圓柱形迪尼瑪繩編織而成，且繩子的長度比上繩子的直徑>50，所以防護網的風力系數取1.1；p為計算風壓，6級風風壓為0.25 kN/m2；A為垂直于風載方向的實體迎風面積，m2。

若受風面為兩片式結構時，則實際受風面積計算公式為

A=(1+η)×A1

(2)

式中：A為結構的總迎風面積，m2；A1為第1片結構的實際受風面積，m2；η為擋風折減系數，由結構充實率和間隔比查表獲得。

在三維軟件中測算出防護裝備各受風面風載所需要的參數。將各個面的風載計算參數帶入風載計算公式中得：主塔正面風載fzz=3.54kN、主塔側面風載fzc=3.54kN、橫梁底面風載fhd=4.05kN、橫梁側面風載fhc=4.94kN；副塔側面風載ffc=2.33kN、副塔端面風載ffd=0.31kN；底座受x軸方向風的風載fdx=3.33kN、底座受y軸方向風的風載fdy=3.98kN；底座受z軸方向風的風載fdz=2.51kN；防護網完全展開時的風載fw=4.39kN。

3)防護網拉力的等效計算

防護網完全展開時，其長度方向和寬度方向各有37根繩子。由于防護網的受力復雜，現將防護網等效為單根繩子，等效后的繩子彈性模量不變，為4.22×104MPa，橫截面積為74根迪尼瑪繩的橫截面積之和，即A1=83.62×10-4m2。將繩子的弧線近似看為圓弧，根據最大弧垂為2.5m，跨距為18m，可得出繩子原長l=18.91m。

對單根繩子進行受力分析，設繩子的一半變形為l1，其受力分析如圖4所示。

圖4 防護網等效模型受力分析圖

對圖中O點列力平衡方程：

∑Fx=0.2×F1×sina=F

(3)

繩子的變形量和幾何變形條件：

聯立方程可解出繩子在受不同載荷時對兩邊橫梁的拉力F1。防護網只受自重時，F=1.96kN，解出：F1=3.16kN。防護網受6級風風載，F=2.45kN，解出：F1=3.95kN。防護網受與網面夾角為45°的6級風作用時，F=2.20kN，解出F1=3.55kN。3種不同力作用下，繩子與水平位置的夾角相差非常小，所以認為它們相等，為18.06°。

4)安全系數確定

三維模型中測出的質量并不包括焊縫，為了更準確地校核防護裝備穩定性，取質量放大系數n1=1.1。防護裝備搭建過程中，起升動載系數n=1.15。

b)穩定性計算工況分析

穩定性危險工況主要出現在搭建過程中，當副塔完全起豎后，傾翻力矩達到最大，防護裝備的危險工況有：風向與y-相同、風向與x-相同、風向與z+相同、風向平行于xOy面且與y軸夾角為45°。

c)穩定性計算

穩定性計算的坐標系定義為：坐標原點位于回轉中心線與底座下蓋板下表面交點處；x軸和z軸與地面平行，方向如圖5所示；y軸垂直于xOz面，方向由右手定則確定。

圖5 坐標系標示圖

將質心在四條支腿之間的部分(底座、回轉盤、主塔、主塔起豎油缸、橫梁起豎油缸)質量記為G1，G1=162.86 kN。質心在支腿之外的部分(橫梁、副塔變幅油缸、副塔驅動架、副塔驅動電機、副塔)質量記為G2，G2=39.17 kN。副塔起豎后機構穩定性計算參數如表1所示。

表1 副塔起豎后機構穩定計算參數單位：m

4種危險工況的風載示意如圖6所示。

圖6 危險工況風載示意圖

風向與y-同向時，機構受風載示意圖如圖6(a)所示。此時機構有繞AC軸順時針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況1的安全系數k與配重之間的函數關系式：

(3)

風向與x-同向時，機構受風載示意圖如圖6(b)所示。此時機構有繞AC軸順時針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況2的安全系數k與配重之間的函數關系式：

(4)

風向平行于xOy面且與y軸夾角為45°時，機構受風載示意圖如圖6(c)所示。此時機構有繞AC軸順時針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況3的安全系數k與配重之間的函數關系式：

(5)

風向與z+同向時，機構受風載示意圖如圖6(d)所示。此時機構有繞AB軸順時針傾翻的可能。對AB軸取矩，得出工況4的安全系數k與配重之間的函數關系式：

(6)

將機構各參數帶入安全系數與配重的函數關系式中，利用得到的函數關系式畫出工況1-工況4的穩定安全系數k與配重P的函數關系圖，如圖7所示。

圖7 穩定安全系數與配重函數關系圖

如圖7可以看出，配重與穩定安全系數呈線性關系。當配重質量在0～30 kN范圍變化時，工況1-工況4的穩定安全系數分別位于1.5～2.06、1.33～1.84、3.50～3.98、1.41～1.95之間。所以，不配重時最小穩定安全系數為工況2的1.33。根據起重機規范可知，穩定安全系數需>1.11，說明防護裝備的穩定性符合要求。但由于防護裝備是新開發的工程機械，沒有現場使用經驗，為了防止一些現場未知因素對防護裝備的穩定性造成影響，決定添加2 t配重。配重2 t后最小穩定安全系數提升到1.65。

4 底座有限元分析

通過穩定性分析可知：機構在工況2時，傾翻力矩最大。對工況2底座以上部分進行有限元分析，得到底座以上部分對底座的支反力和支反力矩。將支反力和支反力矩施加到底座上，可求出并判斷工況2時底座的強度是否合格，會不會出現局部失穩現象；其次可通過支腿與地面的支反力來判斷此時支腿是否離地，即從有限元分析的角度再次驗證防護裝備的穩定性是否符合要求。