異型鋼結構自適應動態吸能阻尼器設計及試驗研究

李凌云，陳 浩，李少偉，謝達承，王 強

(1.青海交通投資有限公司,青海 西寧 810003；2.北京恒達交安科技發展有限公司，北京 102200；3.中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100089)

0 引言

避險車道一直以來是長大下坡路段行車安全的重要防護手段，現階段我國長大下坡路段避險車道多采用碎石制動床避險車道，通過制動床的碎石填料增加失控車輛行駛阻力，從而使駛入避險車道的車輛減速直至停車。按照我國現行標準規范要求，碎石避險車道的設置長度主要受失控車輛駛入避險車道時的車速、制動床坡度、車輛滾動摩阻系數的影響，當車速在100 km/h、車輛滾動摩阻系數在0.25、坡度在3°～5°時，一般避險車道的設計長度在120 m以上[1]。然而，避險車道的設置長度受地形條件、環境條件的限制，容易出現設置空間不足、碎石填料板結而摩擦系數降低等現象，從而導致避險車道減速能力下降。

近年來，通過增加輔助減速措施提升避險車道減速效果已在行業內進行了部分研究與嘗試[2]，但仍存在較大的研究空間，如阻尼器技術突破[3-18]?；诖?，本研究提出了一種基于異型鋼結構的自適應動態吸能阻尼器，通過優化阻尼器結構來適應不同條件下的阻尼需求，并通過模型試驗對其阻尼性能進行研究，在提高阻尼效果的同時，使其結構簡單、經濟合理，并具有工程可操作性。

1 動態吸能阻尼器設計

動態吸能阻尼器由吸能板和切割軸組成，其工作原理為：當失控車輛輸入避險車道時，車體通過鋼絲繩帶動避險車道阻尼器中的切割軸滑動，通過切割軸的滑動使吸能板吸能孔撕裂，從而達到吸能的效果。為了研究不同吸能孔對動態吸能效果的影響，本研究采用20 mm厚Q235鋼板為基礎材料，設計了2種異性鋼結構的阻尼器，一種為竹節形阻尼器，見圖1；另一種為矩形阻尼器，見圖2。其中，竹節形阻尼器每個吸能孔長度為40 mm，按照間距 3 mm 均布；矩形阻尼器每個吸能孔50 mm，按照間距5 mm 均布。

圖1 竹節形阻尼器結構示意圖(單位:mm)

圖2 矩形尼器結構示意圖(單位:mm)

2 模型試驗分析

2.1 試驗方案

本研究以車重50 t、運行速度為100 km/h的失控車輛作為防護目標，阻尼器沿避險車道制動床雙側布設，則單側阻尼器需提供的吸能阻力約為125 kN。本試驗中，阻尼器中安裝4片吸能板，每片長度6 m，吸能板材質為3 mm厚Q235，切割軸材質40cr，φ30 mm，采用自重為17 t的裝載機以約30 km/h 的運行速度對阻尼器的輸出阻尼器的大小、吸能板的變形形態和阻尼器的穩定性等進行驗證，試驗中所用鋼絲繩為φ30，3×37類纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩抗拉強度1 770 MPa，鋼絲繩破斷拉力為476 kN，阻尼器模型試驗平面圖如圖3所示。

圖3 阻尼器模型試驗平面示意圖(單位:mm)

2.2 模型試驗分析

(1)竹節形阻尼器試驗結果

竹節形阻尼器孔長40 mm，節寬3 mm。試驗過程中，吸能板按預定方向變形，變形方向與設定情況一致。本次試驗吸能板撕裂長度為3.1 m，其中有效長度為3.0 m。整體試驗結果如表1所示。

表1 竹節形阻尼器試驗結果

由表1可知，在上述試驗條件下，經與試驗前阻尼器(如圖4所示)對比可知，阻尼器外殼無明顯變形，切割軸試驗后軸磨損嚴重，有彎曲變形，但整體結構仍較為完好(如圖5所示)，試驗中鋼絲繩無破損，說明竹節形阻尼器結構合理。

圖4 試驗前的竹節形阻尼器

圖5 試驗后的竹節形阻尼器

竹節形阻尼器在吸能板過程中，最大拉力為221.5 kN，平均拉力為112.3 kN，破壞時間0.8 s，有效破壞長度為3.0 m，拉力變化圖如圖6所示。

圖6 竹節形阻尼器拉力變化圖

假設試驗過程中切割軸做勻減速運動，當阻尼器撕裂長度為3.0 m，用時0.8 s，裝載機初始動能Ep為470 kJ時，則竹節形阻尼器的平均吸能阻力可達到112.3 kJ/m，通過調整阻尼器吸能裝置組合，可以達到避險車道的防護目標。

(2)矩形阻尼器試驗結果

矩形阻尼器孔長50 mm，節寬5 mm。試驗結果表明：吸能板按預定方向變形，變形方向基本與設定情況一致，但起始段變形不規則。本次試驗吸能板撕裂長度為2.93 m，其中有效長度為2.83 m。整體試驗結果如表2所示。

由表2可知，在上述試驗條件下，經與試驗前阻尼器(如圖7所示)對比可知，阻尼器外殼無明顯變形，吸能孔向著設定方向撕裂變形吸能，切割軸試驗后軸磨損嚴重，但整體結構仍較為完好(如圖8所示)，試驗中鋼絲繩無破損。

圖7 試驗前的矩形阻尼器

圖8 試驗后的矩形阻尼器

表2 矩形阻尼器試驗結果

矩形阻尼器在吸能板過程中，最大拉力為224.6 kN，平均拉力為119.7 kN，破壞時間0.9 s，有效破壞長度為2.83 m，拉力變化圖如圖9所示。

圖9 矩形阻尼器拉力變化圖

同竹節形試驗假設條件相同，假設試驗過程中切割軸做勻減速運動，當阻尼器撕裂長度為2.83 m，用時0.9 s，裝載機初始動能Ep為327 kJ時，則矩形阻尼器的平均吸能阻力可達到119.7 kJ/m。通過調整阻尼器吸能裝置組合，可以達到避險車道的防護目標。

將試驗1與試驗2結果進行對比可知，竹節形和矩形阻尼器均具有較好的吸能效果，因此，在實際工程中均可做為阻尼避險車道的吸能裝置，可根據實際情況進行選取。

3 結論

(1)竹節形阻尼器及矩形阻尼器在模型試驗中整體結構較為穩定，試驗中阻尼器外殼用鋼板厚度為20 mm，實際工程中可通過增加阻尼器長度或采用槽鋼桁架結構來適當降低阻尼器外殼鋼板厚度。

(2)4塊竹節孔吸能板阻尼力平均值為 112.3 kN，最大值為221.5 kN；4塊矩形孔吸能板阻尼力平均值為119.7 kN，最大值為224.6 kN；矩形孔吸能板的平均阻尼力119.7 kN較竹節孔吸能板接近目標阻尼力120 kN，試驗中切割軸雖有磨損和變形，但體理結構較為完整，結構合理。

(3)采用合理的異形鋼結構的動態吸能阻尼器能夠提供較好的阻尼力，為阻尼避險車道的設計提供基礎條件。

(4)本研究所述的研究成果可以為未來避險車道結構優化提供較好的基礎數據，提高避險車道的減速效果，并提升對環境和空間的適用性。