超重載大坡度軌道系統(tǒng)鋼軌與扣件選型及其穩(wěn)定性研究

曹希堯 ，王維，王振宇，王星華

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 湖南省電力公司，湖南 長沙 410011)

古往今來，水路運(yùn)輸由于載重量大、成本低等特點(diǎn)而成為國內(nèi)外重要運(yùn)輸方式之一[1?4]。為解決攔河大壩對水運(yùn)的影響矛盾，通常修建斜面升船機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船只上下游的往來。近年來，隨著地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和航運(yùn)條件的改善，船只載重越來越大，對斜面軌道系統(tǒng)軸重及穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文應(yīng)用數(shù)值模擬仿真的方法，分析了超軸重、大坡度、勻低速等因素對斜面升船機(jī)軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 現(xiàn)場工程概況

湖南柘溪水電廠過壩滑道斜面升船機(jī)系統(tǒng)于1975年投入運(yùn)營，投產(chǎn)運(yùn)營已30多年，設(shè)備已嚴(yán)重老化。另一方面，由于湖南柘溪水電站位于水運(yùn)繁忙的資水水域，貨運(yùn)量也在逐年增加，且單船超重情況普遍嚴(yán)重，升船機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)力與航道實(shí)際航運(yùn)能力間的矛盾日益突出，設(shè)備長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成了軌道下沉、下滑，軌道磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到通航的安全性。為了改善大壩過壩滑道系統(tǒng)的安全運(yùn)營條件，解決能力與運(yùn)力之間矛盾，對升船機(jī)及整個(gè)軌道系統(tǒng)進(jìn)行徹底地改造。

柘溪水電廠現(xiàn)有過壩滑道斜面升船機(jī)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)過壩能力為70 t(船貨共重70 t)，改造后的過壩能力為140 t(船貨共重140 t)，其設(shè)計(jì)極限運(yùn)行能力按照230 t計(jì)算(其中斜架車和承船車各重45 t，船貨共重140 t)，斜架車軸重達(dá)為57.5 t，承船車軸重為46.25 t。

2 彈條扣件扣緊力的室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 彈條扣件的選型

在軌道改造前，滑道系統(tǒng)采用普通板式扣件，該扣件零件簡單，調(diào)整軌距比較方便，但使用過程中容易松動(dòng)，不能提供足夠的扣緊力，使得軌道大幅度的下滑。由于升船機(jī)系統(tǒng)平段和斜坡段軌道采用QU80(63.69 kg/m)重軌，采用扣板式扣件難以滿足要求，又考慮到QU80重軌翼緣的結(jié)構(gòu)形式，故扣件采用彈條II型扣件(圖1)[5]。

圖1 彈條Ⅱ型扣件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram ofⅡtype fastener structure

為了充分發(fā)揮彈條Ⅱ型扣件[6?7,10?11]扣壓力大、彈性好的優(yōu)點(diǎn)，必須使軌距擋板的傾角與起重機(jī)鋼軌相匹配，應(yīng)當(dāng)修改軌距擋板(圖2)的k值，當(dāng)k=9時(shí)，軌距擋板與起重機(jī)鋼軌翼緣相匹配。為了檢驗(yàn)彈條Ⅱ型扣件應(yīng)用在起重機(jī)軌道上時(shí)的效果，需要測定單副扣件能夠提供的最大扣緊力，為實(shí)際工程改造提供參考數(shù)據(jù)。

圖2 軌距擋板圖Fig. 2 Gauge baffle map

2.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為了測定扣件能夠提供的最大扣緊力，將一段鋼軌安裝在鋼板上，然后在壓力試驗(yàn)機(jī)上測定鋼軌開始滑動(dòng)時(shí)的最大壓力，該壓力即為一副扣件所能提供的最大扣緊力[13,15]。

鋼軌采用實(shí)際工程的QU80起重機(jī)鋼軌，每米重63.69 kg，扣件采用彈條II扣件，用扳手按照規(guī)范將螺帽緊固，使彈條中間部分貼近軌距擋板，以達(dá)到扣件所需的扣壓力。應(yīng)用TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，LM-02型數(shù)字式測力儀顯示與記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 試驗(yàn)方法與結(jié)果

將鋼軌在鋼板上固定后，在壓力機(jī)上測定鋼軌滑動(dòng)時(shí)的最大壓力，構(gòu)件試驗(yàn)時(shí)受力狀況如圖3所示。安裝好構(gòu)件后，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)。重復(fù)試驗(yàn)2次，測得一副扣件提供的最大縱向阻力分別為24.99 kN和25.25 kN，平均值為25.12 kN。

3 軌道穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

3.1 有限元軟件ANSYS簡介

ANSYS軟件為一通用大型有限元分析軟件[16?21]，可以進(jìn)行各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變的計(jì)算，具有強(qiáng)大的靈敏度分析及優(yōu)化分析能力，并可將計(jì)算結(jié)果以色彩等值線、矢量、梯度、立體切片、半透明及透明(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可根據(jù)用戶需要將計(jì)算結(jié)果以曲線、圖表形式輸出或顯示。

圖3 試驗(yàn)構(gòu)件受力圖Fig. 3 Experimental component stress diagram

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)的有限元模擬

3.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒑陀?jì)算參數(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)中采用扣件固定鋼軌于鋼板上，并通過測量試驗(yàn)構(gòu)件能承受的最大壓力來決定扣件能提供的最大縱向阻力。數(shù)值模擬時(shí)可以建立與實(shí)際情況相符合的模型，采用mesh200單元模擬地基，用solid45單元模擬鋼軌，用接觸單元conta173與targe170模擬地基與鋼軌的接觸面，各單元計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算參數(shù)Table 1 Laboratory test simulation parameters

鑒于沿行車方向可以看作為平面應(yīng)變問題，取y軸為行車方向，z軸為鉛垂方向，x軸垂直yz平面，取0≤y≤1 m，0≤x≤6 m，?3.4 m≤z≤0.13 m，建立模型 如圖4所示。數(shù)值擬時(shí)把扣件的作用力用等模效壓力(0.67 MPa)賦給接觸單元，模型的四周邊界約束，通過提供模型沿y方向的拉力來確定扣件能提供的最大縱向阻力，加載模型如圖4所示。

圖4 室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算模型邊界和加載示意圖Fig. 4 Sketch of boundary and loading of laboratory test calculation model

3.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)加載模擬與計(jì)算分析

3.2.2.1 接觸單元狀態(tài)分析

為了確定一副扣件能提供的最大縱向阻力，根據(jù)圖4示意圖進(jìn)行逐級加載并查看接觸單元的滑移狀態(tài)來決定鋼軌是否與鋼板發(fā)生相對移動(dòng)，圖5反應(yīng)了接觸單元在不同拉力作用下狀態(tài)變化圖。由圖5可知，當(dāng)拉力逐漸變大時(shí)，接觸單元處于滑動(dòng)臨界狀態(tài)的面積越來越大，當(dāng)拉力增大到28 kN時(shí)，接觸單元處于滑動(dòng)狀態(tài)，說明單副扣件能提供的最大縱向阻力是27 kN，略大于試驗(yàn)測得的25.12 kN。

圖6顯示了不同拉力作用下接觸單元接觸面上的摩擦應(yīng)力情況，由圖可知，在鋼軌沒發(fā)生滑動(dòng)前，接觸摩擦應(yīng)力隨著拉力的增大而增大，當(dāng)拉力達(dá)到最大值27 kN時(shí)，最大摩擦應(yīng)力約為0.22 MPa。當(dāng)拉力大于28 kN，鋼軌發(fā)生滑動(dòng)是，最大摩擦力基本保持不變。

3.2.2.2 鋼軌狀態(tài)分析

在不同拉力作用下，鋼軌的最大主應(yīng)力變化如圖7所示，可以看出，隨著拉力的增大，鋼軌的主應(yīng)力成線性增加，當(dāng)拉力增加到27 kN鋼軌開始滑動(dòng)時(shí)，鋼軌內(nèi)的最大主應(yīng)力是6.61 MPa，遠(yuǎn)小于鋼軌的抗拉強(qiáng)度。

圖5 不同拉力下接觸單元滑動(dòng)狀態(tài)變化圖Fig. 5 Diagram of sliding state of contact element under different tension

圖6 接觸單元接觸面摩擦應(yīng)力圖Fig. 6 Contact stress of contact element

圖7 不同拉力下鋼軌最大主應(yīng)力圖Fig. 7 Maximum principal stress diagram of rail under different tension

4 柘溪水力發(fā)電廠過壩滑道實(shí)例研究

4.1 扣件的設(shè)計(jì)

過壩滑道系統(tǒng)由斜架車、承船車與貨船組成，貨船進(jìn)入承船車中，而承船車坐落在斜架車上，鋼纜牽引斜架車在斜坡上運(yùn)動(dòng)。因此，需要計(jì)算斜架車滿載時(shí)上下運(yùn)動(dòng)對軌道所產(chǎn)生的下滑力的大小，從而確定扣件的數(shù)量。斜架車的計(jì)算簡圖見圖 8，荷載包括：

1) 斜架車長19.5 m，自重(G)45 t，承船車自重45 t，船以及貨物重140 t，總重230 t；

2) 斜架車每個(gè)輪對承擔(dān)的荷載為57.5 t，坡度為1:6；

3) 作用于斜架車的牽引力。

圖8 斜架車結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 8 Car frame structure diagram

4.1.1 鋼軌受力分析

柘溪水力發(fā)電廠過壩升船機(jī)極限能力為船貨共重140 t，斜架車、承船車各45 t，升船機(jī)系統(tǒng)作用在上、下游斜坡道和平段軌道上的荷載分別是230，230和185 t，分別取動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)和安全系數(shù)為1.2和1.6，則作用在上、下游斜坡道和平面段軌道上的計(jì)算荷載分別是441.6，441.6和355.2 t，對斜面升船機(jī)系統(tǒng)各階段受力分析見圖9。

圖9 斜面升船機(jī)系統(tǒng)各階段受力圖Fig. 9 Sketch of each stage inclined ship lift system

4.1.2 制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力

承船車和斜架車正常運(yùn)行時(shí)，車輪滾動(dòng)，車輪啟動(dòng)時(shí)受力可簡化為以下模型，如圖 10所示。在車輪與鋼軌接觸的A點(diǎn)有法向反力Fn，它與P等值反向。靜摩擦力Fs，阻止車輪滾動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力F不大時(shí)，車輪靜止，F(xiàn)s與F等值反向，車輪之所以受F與 Fs產(chǎn)生的力偶而靜止是因?yàn)檐囕喤c鋼軌接觸處不是一條直線而是一個(gè)接觸面，如圖10(a)所示。在接觸面，物體受分布力的作用，這些力向點(diǎn)A簡化，得到就一個(gè)力 FR和一力偶，力偶的力矩 M，如圖10(b)所示。這個(gè)力FR可以分解為摩擦力Fs和正壓力 Fn，這個(gè)力矩為 M的力偶稱為滾動(dòng)摩阻力偶，它與力偶(F，F(xiàn)s)相平衡，它的轉(zhuǎn)向與滾動(dòng)的趨向相反，如圖10(c)。

圖10 接觸面受力分析Fig. 10 Stress analysis of contact surface

與靜滑動(dòng)摩擦力相似，滾動(dòng)摩阻力偶M隨著主動(dòng)力矩的增加而增大，當(dāng)動(dòng)力F增加到某個(gè)值時(shí)，車輪處于將滾未滾的臨界平衡狀態(tài)時(shí)；這時(shí)，滾動(dòng)摩阻力偶矩達(dá)到最大值，稱為最大滾動(dòng)摩阻力矩，用Mmax表示。若動(dòng)力F再增大一點(diǎn)，車輪就會滾動(dòng)。在滾動(dòng)過程中滾動(dòng)摩阻力偶矩近似等于Mmax。試驗(yàn)證明：最大滾動(dòng)摩阻力偶Mmax與車輪半徑無關(guān)，而與支承面的正壓力Fn的大小成正比[5,8?9,12,14]，即

式中：δ是滾動(dòng)摩阻系數(shù)，mm；鋼質(zhì)車輪與車軌取δ=0.05 mm。

因此，理論上車輪在啟動(dòng)及勻速運(yùn)行時(shí)對鋼軌產(chǎn)生的最大摩擦力為：

而突然制動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于車輪被抱死，車輪與鋼軌之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化成滑動(dòng)摩擦，對鋼軌產(chǎn)生很大的沖擊作用。

滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式：

式中：G各個(gè)階段的計(jì)算荷載；F系統(tǒng)提供的拉力，F(xiàn)n地面對系統(tǒng)的支持力；fs系統(tǒng)與鋼軌間的摩擦力，θ斜面角度，u鋼軌與輪的摩擦因數(shù)，取0.2。

根據(jù)式3計(jì)算出圖12中a，b和c 3種情況的摩擦力分別為：fsa=816.7 kN，fsb=803.4 kN，fsc=666 kN。

4.1.3 軌道自身下滑力

該電站升船機(jī)系統(tǒng)最大坡度為1:4，即α=14°，而QU80每米質(zhì)量63.69 kg，因此，每米鋼軌引起的最大下滑力為：Phmax=mg×sinа=63.69×10×sin 14°=154.1 N=0.154 kN，相對很小。

4.1.4 扣件類型的確定

改造前柘溪水電站所采用的普通扣板式扣件，主要由扣板、螺紋道釘、彈簧墊圈、鐵座及絕緣緩沖墊板組成。該扣件零件簡單，調(diào)整軌距比較方便，但使用過程中容易松動(dòng)。因此，本文用彈條Ⅱ型扣件緊固起重機(jī)鋼軌，并通過試驗(yàn)測得每副扣件能提供的最大縱向阻力為25.12 kN。

為確定鋼軌扣件的間距，根據(jù)斜面升船機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載規(guī)范，a，b和c 3種情況單側(cè)每米鋼軌須提供克服摩擦力和溫度力的最大作用力分別是 Fa=95.65 kN，F(xiàn)b=94.35 kN和Fc=80.05kN，平段和斜坡段軌道采用QU80重軌，扣件采用彈條Ⅱ型扣件，一組扣件(2個(gè))提供縱向阻力24 kN，因此，a，b和c 3種情況單側(cè)每米鋼軌需扣件組數(shù)分別是3.97，3.92和3.32組，因此每米都取4組扣件，對應(yīng)扣件間距為25 cm。

5 結(jié)論

1) 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，單幅彈條Ⅱ型扣件能提供的最大縱向抗力是 25.12 kN ，略小于數(shù)值模擬值27 kN，但某種程度上相互論證了試驗(yàn)和數(shù)值模擬的正確性，為扣件設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

2) 在相同的荷載作用下，同一種類型的鋼軌線密度越大其對荷載的響應(yīng)越小，而線密度相當(dāng)?shù)牟煌愋偷匿撥?，鐵路系列軌道的拉(壓)應(yīng)力和變形的響應(yīng)比起重機(jī)系列軌道的小，而剪應(yīng)力響應(yīng)比起重機(jī)系列軌道的大；承船車荷載(軸重 57.5 t)作用下，起重機(jī)鋼軌QU100、QU80、鐵路鋼軌75號和60號都能滿足穩(wěn)定性要求，但從工程實(shí)際考慮，QU80最合適；理論計(jì)算確定了承船車的合理定距(16 m)和軸距(0.94 m)，扣件類型(彈條Ⅱ型)和扣件間距(25 cm)。

4) 對超軸重列車運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明軸重愈大，鋼軌位移和應(yīng)力愈大；坡度很小時(shí)，坡度的變化對鋼軌位移和應(yīng)力的影響不明顯；但速度較大時(shí)，速度越大，鋼軌的位移和應(yīng)力越大；因此，超軸重列車在增加軸重時(shí)，必須對鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行提高，同時(shí)必須適當(dāng)?shù)南匏佟?/p>

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