懸掛式單軌可動芯道岔梁結構設計研究

康曉鋒，余 鋒，李利軍

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

隨著城鎮化速度不斷加快和城鎮化率的不斷增高,致使城市市區規模越來越大,城市軌道交通需求增大。不同類型的城市軌道交通進入了并行發展期,并呈現出多元化發展態勢;在網絡化發展過程中,根據不同城市及同一城市不同區域、不同圈層在交通需求、客流特征等方面的不同,差異化構建網絡化、多制式、協調發展的城市軌道交通[1-2]是未來發展的趨勢。

懸掛式軌道交通作為一種輕型、中運速、中運量的新型公共交通方式,能夠與常規地面公共交通互補和完善。懸掛式單軌交通是車體懸掛于軌道梁下方行駛的一種軌道交通制式,采用高架形式敷設,車輛走行裝置位于梁軌合一的軌道梁內。目前,懸掛式單軌已在日本、德國等發達國家城市具有較為成熟的應用,而國內也已在青島、成都和開封等地建設單軌試驗線,近期在武漢光谷建成10.5 km的懸掛式單軌旅游線,與此同時在國內的中等城市也有懸掛式單軌的規劃和建設意向。懸掛式單軌主要由軌道、道岔系統、車輛和信號系統等部分組成,道岔作為懸掛式單軌的核心設備,是實現車輛換線的唯一途徑,道岔系統組成復雜、接口多,涉及軌道、橋梁、車輛、限界、供電和信號等多個專業,是懸掛式單軌交通[3-4]的關鍵技術之一。因此,為促進懸掛式單軌交通的推廣和發展,并為滿足單軌交通建設需求而做好技術儲備,有必要對懸掛式單軌道岔系統的結構設計開展研究。

懸掛式單軌道岔主要有可動芯型、平移型、樞軸型等,其中國內外懸掛式道岔應用最多的為可動芯結構形式,道岔梁為整體結構,道岔梁內部有可以轉動(移動)的岔芯,通過芯軌的移動(轉動)實現道岔的分岔,滿足車輛的換線需要。道岔梁作為可動芯道岔的主體核心部分,下面就可動芯道岔梁結構設計分析做重點介紹。

1 道岔總體設計

懸掛式單軌交通列車懸掛于梁體下部這一特點,并結合車輛換線需求,道岔設計為可動芯結構,道岔梁作為各功能區機構的承載構件,滿足于線路的連接和車輛承載。道岔梁體上搭載用于實現道岔功能需要的可動軌、導向軌、左右補償軌、左右修正軌等,它們通過電力驅動在道岔梁體上實現轉轍動作,實現道岔的換線。根據道岔換線功能需求,道岔梁設計為左右兩部分,中間安裝用于實現換線功能可動軌部分,道岔梁體的左右腹板用于車輛導向,道岔梁體的底板用于車輛走行踏面,承載列車重量[5]。總體結構布置如圖1所示。

2 道岔梁結構設計

道岔梁作為道岔的主體結構,道岔梁體具有車輛走行、導向和穩定作用,應能承受車輛通過時的沖擊荷載。道岔梁為道岔內部各運動機構提供支撐條件,為了保證道岔梁與線路軌道梁良好的對接匹配性,道岔梁端頭設計為標準梁型結構,中間部位設計用于搭載機構,滿足機構的運轉,實現車輛的換線需要。道岔梁長度20 m,腹板厚度20 mm,梁體內高1 250 mm,梁體前后標準段加勁板間距1 100 mm,梁體中部為左右側分別為兩個箱型結構,箱型尺寸1 000 mm×600 mm(高×寬),岔梁結構形式及不同部位截面結構如圖2所示[6-8]。

3 道岔梁結構分析

3.1 設計載荷

1)恒載。自重:鋼材的容重為78.5 kN/m3,根據道岔梁體結構計算道岔自重為41 t。二期恒載:道岔搭載的機構自重16 t,外部管線戶重按通信、信號等專業提供資料取1.5 kN/m。道岔梁上相關運動機構、檢修平臺等二期荷載根據其重量換算為重力加載在道岔梁上[9]。

2)列車豎向靜荷載。采用列車荷載,列車豎向靜活載按列車超員、定員、空車3種狀態考慮,超員狀態軸重為55 kN,定員狀態軸重為48 kN,空車狀態軸重為35 kN,計算時取超員狀態軸重55 kN最不利工況,按兩節編組,荷載如圖3所示,其中15 kN為車輛供電電池重量。

4)離心力。離心力載荷伴隨軸重荷載,一起作用在道岔梁上,作用方向沿道岔梁曲線法向。P離心力=靜活載×V2/127R(半徑取R=50 m,過岔速度V=15 km/h)。

5)橫向搖擺力。列車橫向搖擺力按列車設計載荷單軸重的25%計,在道岔梁車輛走行面位置以水平集中力的形式作用于垂直道岔梁軸線方向。P搖擺力=靜活載×25%(作用于在最不利位置處)。

6)牽引力和制動力。牽引力載荷和制動力荷載伴隨軸重荷載,一起作用在道岔梁上,作用方向沿橋縱向方向。計算時車輛制動力取列車豎向靜活載的15%。

P牽引力和制動力=靜活載×15%。

7)風荷載。基本風壓W0=0.5 kN/m2取值。W=K1×K2×K3×W0(K1=1.4,K2=1,K3=1)。橋上有車時,按W的80%取值。僅計算考慮橋上有車的工況,作用方向沿橋橫向方向。

8)溫度荷載。軌道結構設計基準溫度為20 ℃,環境溫度變化范圍-20 ℃～+45 ℃;溫度梯度按15 ℃考慮。線脹系數取為1.2e-5/m。

3.2 邊界條件

1)坐標:里程增加方向為X軸,水平垂直于橋向為Y軸,豎直垂直于橋面為Z軸。2)約束:A端為固定端,B,C端為活動端,如表1,圖4所示。

表1 道岔梁端約束原則

3.3 有限元計算概述

本次檢算采用ANSYS 19.2,對道岔梁采用整體建模,板材件采用Shell181單元,單元大小50 mm,實體件采用Solid186單元,單元大小40 mm,整體模型單元數量174 919,如圖5所示。

3.4 靜活載、自重作用道岔計算

按照道岔使用功能及梁體結構,計算了不同狀態下道岔梁在靜活載作用下的剛度指標和自重作用下的梁體變形,如表2,圖6所示,結果表明,道岔梁在靜活載作用下剛度指標滿足軌道梁橋系統要求,同時,梁體自重引起結構變形較大,在結構制造過程中需考慮工藝拱度。

表2 道岔靜活載、自重下變形量

3.5 荷載組合下道岔梁的剛度、強度

1)組合1:恒載+列車豎向靜活載+列車豎向動力作用+列車橫向搖擺力。經過計算,組合1工況下,直線過岔狀態,道岔梁整體最大應力174.11 MPa,位于道岔梁頂部加強筋處,芯軌與道岔梁體搭接位置處,道岔梁應力在150 MPa左右,道岔整體應力在70 MPa以下,如圖7所示。

2)組合2:組合1+溫度影響力。經過計算,組合2工況下,直線過岔狀態,道岔梁整體最大應力190.13 MPa,位于道岔梁頂部加強筋處,芯軌與道岔梁體搭接位置處,道岔梁應力在160 MPa左右,道岔整體應力在80 MPa以下。

3)組合3:組合1+風載。經過計算,組合3工況下,直線過岔狀態,道岔梁整體最大應力177.16 MPa,位于道岔梁頂部加強筋處,芯軌與道岔梁體搭接位置處,道岔梁應力在160 MPa左右,道岔整體應力在80 MPa以下。

4)組合4:組合1+溫度影響力+風載。經過計算,組合4工況下,直線過岔狀態,道岔梁整體最大應力186.27 MPa,位于道岔梁頂部加強筋處,芯軌與道岔梁體搭接位置處,道岔梁應力在160 MPa左右,道岔整體應力在80 MPa以下。

5)組合5:組合1+制動力。經過計算,組合5工況下,直線過岔狀態,道岔梁整體最大應力181.12 MPa,位于道岔梁頂部加強筋處。芯軌與道岔梁體搭接位置處,道岔梁應力在160 MPa左右,道岔整體應力在90 MPa以下。

經過不同組合、不同狀態下計算分析,道岔梁體應力滿足設計規范要求[10-11],且通過計算,明確了道岔梁體應力最大位置,為道岔梁體制造和使用維護提供了理論依據,具體計算結果如表3所示。

表3 道岔梁體受力計算結果

3.6 疲勞強度計算

按照TB 10091—2017鐵路橋梁鋼結構設計規范,疲勞組合包括設計荷載中的恒載加活載(包括沖擊、離心力)。直線過岔狀態下,道岔梁體疲勞應力幅為107.45 MPa,位于芯軌和道岔梁體搭接處的加強筋板處,應力幅值小于疲勞極限110.3 MPa,滿足疲勞強度要求。曲線過岔狀態下,道岔梁體疲勞應力幅為106.354 MPa,位于芯軌和道岔梁體搭接處的加強筋板處,應力幅值小于疲勞極限110.3 MPa,滿足疲勞強度要求,如圖8所示。

3.7 自振頻率

以道岔梁體實體模型為基礎,利用ANSYS對道岔梁進行整體自振頻率計算,道岔梁體自振頻率如表4所示。結果表明,道岔梁主要振型特點為橫彎、豎彎和扭轉,道岔梁自振頻率隨著階數的增大而增大。

表4 道岔梁整體自振頻率

4 結論

道岔作為懸掛式單軌系統關鍵技術之一,道岔梁是懸掛式單軌道岔的主要承載部件,本文重點對懸掛式單軌可動芯道岔梁的結構進行了研究,其研究表明[12-16]:

1)靜活載作用下,道岔梁豎向最大位移8.1 mm,撓跨比1/2 469,梁端角轉1.2/1 000 rad,滿足設計規范要求。2)直/曲線過岔兩種狀態下,荷載組合作用下道岔梁的強度滿足材料許用應力要求,道岔梁體疲勞強度滿足要求,最大應力位于道岔梁頂部加強筋處、芯軌和梁體搭接處的加強筋處。3)道岔梁一階自振頻率5.85 Hz,大于70/L(3.5 Hz),滿足設計規范要求。4)道岔梁在橫向溫度梯度15 ℃作用下,道岔梁側向變形量4.2 mm,道岔結構設置需根據熱變形云圖考慮此影響;道岔梁在豎向溫度梯度15 ℃作用下,道岔梁豎向變形量6.3 mm,溫度梯度對道岔梁體變形不影響車輛的運行,但這種變形對道岔梁體上搭載的機構有一定影響,在機構設計中需釋放溫度梯度帶來的梁體變形。