環形彈簧在橋梁支座中的應用研究

張曉武，梁文偉，顧海龍，高 健

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

環形彈簧是由多個帶有內錐面的外圓環和帶有外錐面的內圓環配合組成的一種壓縮型彈簧構件[1](見圖1)。由于其良好的彈性、耗能能力以及大承載能力,同時其結構相對緊湊,因此,環形彈簧常被用在軸向承載大、需強緩沖耗能且空間受限的場合[2],比如土木建筑領域的消能減振(震),槍炮的后座緩沖等[3]。

1 環形彈簧特性曲線分析和適應工況研究

針對一特定的工況(環形彈簧外環外徑最大為500 mm,彈簧設計軸向載荷為3 300 kN,彈簧設計軸向變形量1.72 mm),根據《彈簧手冊》[4]設計并推導出該環形彈簧的加卸載曲線和不同預壓荷載下的滯回曲線,如圖2所示。

由環形彈簧在不同預壓荷載下的滯回曲線可以看出:

1)不同預壓荷載下的滯回曲線均包絡在加卸載曲線中。

2)滯回曲線所圍成的面積(見表1),隨著預壓荷載的增大,包圍面積線性增大,也即環形彈簧的耗能能力線性增大。因此,在采用環形彈簧進行減振(震)耗能時,在一定范圍內可以盡可能使預壓荷載增大。

表1 環形彈簧的滯回曲線包圍的面積

區別于純線性彈簧,由環形彈簧特性曲線分析,可得到以下三種其適用工況:

1)環形彈簧在零預壓荷載狀態下,當軸向外力能完全卸載時(即軸向外力為瞬時力),比如:風荷載、地震荷載、撞擊荷載,列車行車振動荷載等。環形彈簧特性線為完整的加-卸載曲線。此時,環形彈簧既能起到彈性作用,也能夠起到強緩沖和耗能的作用。

2)環形彈簧在有預壓荷載的狀態下,當預壓荷載值較大(F預壓≥FR),FR為環形彈簧在零預壓荷載作用下卸載曲線拐點處對應的荷載值,此時無論活載值取值多少,環形特性線都只能在特性線的剛度極大段范圍內振蕩,此時環形彈簧失去彈性作用,不能起到耗能與緩沖作用。

3)環形彈簧在有預壓荷載的狀態下,當預壓荷載值較小(F預壓

2 環形彈簧在橋梁支座中的應用

當列車行車過程中,由于輪軌相互作用產生的振動屬于瞬時力,依據相關隔振理論的研究,為了降低列車運行產生的振動傳遞到橋墩進而擴散到周圍環境,從而造成環境振動污染,可通過在振動的傳播路徑上加入彈性耗能裝置以達到隔離、消減振動的目的。

列車產生的激振整體傳播路徑為,輪軌、梁體、支座、橋墩、基礎、周圍環境。因此,可通過在支座處串聯一彈性耗能裝置從而隔離、消減振動的傳播。上述方法其核心是降低支座的固有頻率,也即是降低支座的豎向剛度,同時增加支座的耗能能力。根據小節2中關于環形彈簧的適用工況分析,可采用環形彈簧與橋梁支座串聯的方式來實現減隔振(震)功能。

2.1 支座總體結構設計

根據環形彈簧的減隔振(震)原理,在橋梁支座下座板下部串聯兩個厚壁型環形彈簧。厚壁型環形彈簧是在標準的環形彈簧的基礎上,通過結構改進使其增加豎向承載能力,同時降低豎向高度。其功能原理為:當支座上部受到軸向振動荷載作用時,環形彈簧外圈水平向受力脹開,內圈水平向受力收縮,支座整體下降。當支座上部振動荷載卸載后,環形彈簧外環水平向收縮,內環水平向張開,支座整體升高。支座整體處于彈性狀態同時由于內外環的摩擦而起到緩沖耗能作用。

具體結構形式和計算分析如下。

支座的總體結構見圖3,標準環形彈簧結構見圖4。

其中,D2為外圓環直徑;D1為內圓環直徑;H0為環簧受載前總高;H為環簧受載后總高;β為內圓環的圓錐角;δ0為環簧受載前兩節外環初始間距;δ為環簧受載后兩節外環間距;f為環簧受載前后高度差;F為環簧所受軸向荷載。

厚壁型環形彈簧,對比《彈簧手冊》里標準的環形彈簧設計方法,主要改進措施如下:

1)只采用一對標準環簧的一半,減小其軸向尺寸,降低高度。

2)增大環簧的圓錐角β;增大環簧徑向厚度,提高豎向承載力,增大剛度。

此外,在底盆設置凸臺和環槽,凸臺高度與環簧外環高度保持一致,考慮到環簧長期使用過程中可能疲勞失效,下坐板和底盆可直接接觸,保證支座豎向承載能力,提高可靠性。此外凸臺和環形彈簧側面的間隙合理設置,對環形彈簧軸向變形起到導向作用。

2.2 支座仿真分析計算

還是以支座設計承載力為5 500 kN,設計軸向載荷3 300 kN,彈簧設計軸向變形量1.72 m為例,完成多層環簧式隔振支座結構設計,并進行了仿真計算。三維模型見圖5。

2.2.1 剛度計算

通過對多層環簧式隔振支座的結構仿真分析,結果見圖6—圖11。

表2給出了多層環簧結構在豎向加載過程中的豎向變形情況,圖12給出了其荷載-變形曲線,圖12顯示多層環形彈簧的豎向壓縮組合剛度呈線性,為1 918.6 kN/mm。

表2 多層環形彈簧結構豎向加載變形情況

2.2.2 應力計算

通過應力計算,可得:內側環形彈簧在恒載時的最大應力分別為:內環774 MPa,外環850 MPa(見圖13,圖14)。外側環形彈簧最大應力分別為:內環482 MPa,外環499 MPa(見圖15,圖16)。按照通用彈簧材料60Si2MnA的屈服強度為1 375 MPa計算,安全系數分別達到1.8,1.6,2.8,2.7。具體計算表如表3所示。

2.2.3 支座減隔振能力分析

通過分析支座在豎向振動激勵下,不加環形彈簧結構和加上環形彈簧結構后,支座上下板的加速度和力值變化,分析環形彈簧和支座串聯后的減隔振(震)效果。

分別在支座上板上施加恒載3 300 kN,動載為500 kN,頻率為50 Hz的振動激勵。仿真結果如表4所示。

表3 環簧應力

表4 支座上下板加速度、力值變化

由表4可看出:支座在串聯了厚壁型環形彈簧結構后,支座上板在受到一定頻率、一定數值的振動激勵后,支座下板處的加速度和力值能夠明顯的減弱,起到了良好的減隔振作用。

3 結論

通過分析經典的環形彈簧加-卸載曲線及不同預壓荷載下的滯回曲線,得到不同工況下的環形彈簧的適用條件,根據適應條件分析,研究環形彈簧在橋梁支座中的應用,然后通過支座結構設計、仿真分析可得:環形彈簧和支座串聯后具備良好的減隔振性能。