水平縱移橋架液壓懸掛系統(tǒng)設(shè)計與均載性能分析

劉 國,戴松貴,竺 輝

(1.寧波梅山島開發(fā)投資有限公司 總工程師室,浙江 寧波 315832; 2.上海同新機電控制技術(shù)有限公司 機電部,上海 201949)

隨著中國經(jīng)濟的增長和社會的發(fā)展,對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求快速增加,公路橋梁建設(shè)所受的限制條件也日趨復雜.雙層鋼桁梁橋占地面積小,可以充分發(fā)揮橋位之利,其通行能力大,能有效地緩解交通壓力.開啟橋因能改善橋梁通航凈空高度,使某些無法修建高架橋的河道建橋成為可能,其優(yōu)點是墩臺較低,能減少兩岸引橋和路堤工程量.

本文基于某雙層開啟橋獨特的開啟方式,提出了一種新的機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng),對液壓油缸結(jié)構(gòu)重新設(shè)計,根據(jù)單個油缸的設(shè)計載荷，設(shè)計懸掛油缸參數(shù),并對設(shè)計好的懸掛系統(tǒng)進行性能分析.根據(jù)目標大橋伸縮式橋身的受力特點,分析懸掛系統(tǒng)適應(yīng)高差及載荷變化范圍的性能指標,并通過理論分析論證了懸掛系統(tǒng)實現(xiàn)均載的可行性.

1 機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)

在開啟橋下層橋架縱移開啟方案中,起關(guān)鍵作用的結(jié)構(gòu)為懸掛系統(tǒng).傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)多通過鋼結(jié)構(gòu),采用機械式或液壓式蓄能懸掛將上、下層橋架連接在一起,承受下層橋架橋重及橋上人群活載,并在驅(qū)動機構(gòu)的作用下帶動下層橋架縱移,實現(xiàn)橋架的開啟.目標大橋采用下層橋架縱移實現(xiàn)橋架開啟,如圖1所示,現(xiàn)對其懸掛系統(tǒng)進行設(shè)計.

圖1 橋架總體圖Fig.1 Overall structure of the bridge

1.1 傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)介紹

機械式懸掛為用機械機構(gòu)、機械連接件等實現(xiàn)開啟橋下層橋架與上層橋架之間的活動連接,使用組合彈簧時,必須考慮摩擦力對碟簧特性曲線的影響.雖然組合碟形彈簧單片疊數(shù)較少,整體結(jié)構(gòu)簡單,但在橋整個的壽命周期內(nèi),懸掛彈簧一直承受豎直載荷,故在彈簧發(fā)生破壞前無法對彈簧進行維護更換,因此,此懸掛方案維修保養(yǎng)不方便.

液壓蓄能式懸掛基本框架結(jié)構(gòu)與機械式懸掛類似,由液壓油缸代替機械式懸掛的碟形彈簧總成,取消了機械式懸掛的平衡臂機構(gòu).懸掛油缸功能與機械式懸掛的碟簧總成類似,但對懸掛導軌的加工精度比機械式懸掛系統(tǒng)低.基于液壓懸掛機構(gòu)的結(jié)構(gòu),在滾輪機構(gòu)處軸承發(fā)生故障時,無法對其進行更換,故此懸掛機構(gòu)不便維護保養(yǎng).

1.2 機械液壓混合懸掛系統(tǒng)

鑒于上述機械式懸掛與液壓蓄能式懸掛各自的優(yōu)缺點,現(xiàn)提出一種新的懸掛系統(tǒng)方案——機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng).機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)聯(lián)合作用的方法,實現(xiàn)下層橋架與上層橋架的連接,如圖2所示.此懸掛沿用機械式懸掛的機械結(jié)構(gòu)(框架、滾輪機構(gòu)、平衡臂機構(gòu)、導向輪機構(gòu))，依據(jù)液壓蓄能式懸掛液壓油缸恒壓補償、維護方便、可靠性高等優(yōu)點，用液壓油缸代替機械式懸掛的碟形彈簧.液壓油缸通過套在銷軸上的關(guān)節(jié)軸承與橋架吊耳相連接，降低對銷軸、吊耳等零部件的加工精度要求,導向輪機構(gòu)與懸掛輪機構(gòu)可實現(xiàn)下層橋架的縱移.

單個懸掛小車液壓回路如圖3所示.該液壓原理主要回路為平衡、調(diào)壓回路,雙聯(lián)齒輪泵，適應(yīng)懸掛系統(tǒng)的不同工況,各液壓回路、元件的功能與液壓蓄能式懸掛一致.由于單個機械液壓式懸掛有2個液壓懸掛油缸,區(qū)別于單個液壓蓄能式懸掛的4個懸掛油缸,其承受的負載發(fā)生變化,故需對液壓油缸結(jié)構(gòu)重新設(shè)計.

圖2 機械液壓混合蓄能式懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of mechanical hydraulic hybrid energy storage suspension system

圖3 機械液壓混合蓄能式懸掛液壓系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of mechanical hydraulic hybrid energy storage suspension system

正常情況下,懸掛油缸在橋架開啟和閉合過程中承受橋重,考慮懸掛系統(tǒng)的最壞工況,橋架閉合后,楔塊剛性鎖定機構(gòu)失效,此時橋重和活載全由懸掛系統(tǒng)承受,載荷大小為1 300 kN,單個油缸承受載荷為162.5 kN,取單個油缸的設(shè)計載荷為250 kN,載荷放大系數(shù)為1.54.

根據(jù)單個油缸的設(shè)計載荷設(shè)計懸掛油缸參數(shù),并對設(shè)計好的懸掛系統(tǒng)進行性能分析.

(1) 油缸相關(guān)參數(shù)確定.活塞面積為

油缸內(nèi)徑為

活塞桿桿徑為

(1)

式中:F為油缸設(shè)計載荷，F(xiàn)=250 kN；p為油缸壓力，p=32 MPa.

將上述各值代入式(1)得,D=100.5 mm,d=50.25 mm.依據(jù)機械設(shè)計手冊,確定液壓油缸的相關(guān)尺寸:缸徑125 mm,桿徑60 mm,行程50 mm.

(2) 適應(yīng)范圍分析.由油缸的行程可知,此懸掛系統(tǒng)適應(yīng)范圍為50 mm,由此可知此方案對懸掛導軌的加工精度要求最低.

(3) 橋閉合時豎直載荷變化范圍.依據(jù)液壓式懸掛,在橋架開啟和閉合過程中,懸掛油缸承受橋重,橋架閉合后,懸掛油缸不再承受載荷,故懸掛油缸的豎直載荷變化范圍為0～83.75 kN.

(4) 可靠性.懸掛豎直載荷恒為83.75 kN,同理對其做有限元分析,得到危險部位應(yīng)力為141 MPa,發(fā)生在框架上(Q345鋼,屈服強度為345 MPa),依據(jù)機械式懸掛計算可靠度,可得此懸掛的可靠度T=Φ(β)=Φ(8.2)=100%.

(5) 維修性.在橋架完全開啟時,懸掛油缸通過液壓控制回路即可卸載,此時即可對懸掛機構(gòu)各組成零部件進行維修和更換.考慮到懸掛方案維修主要是對損壞零部件進行更換,故可用機械平均更換時間TB,單位min，評價此懸掛方案的維修方便性,即

(2)

式中:y1為更換元件的質(zhì)量，kg;y2為固定所更換元件的緊固件數(shù);y3為連接所更換元件的連接件數(shù);x2為更換元件前需拆卸的緊固件數(shù);x3為更換元件前需拆卸的連接件數(shù).

對該懸掛系統(tǒng),考慮滾輪處調(diào)心滾子軸承需維護更換,其中，y1=1.675 kg,x2=20,x3=13,y2=13,y3=13,代入式(2),得液壓式懸掛方案更換一個懸掛輪軸承的平均更換時間TB=258 min.

2 懸掛機構(gòu)的均載性研究及性能指標分析

根據(jù)伸縮式橋身的受力特點,分析懸掛系統(tǒng)的性能指標(適應(yīng)高差及載荷變化范圍),通過理論分析論證該懸掛系統(tǒng)是否能夠滿足實現(xiàn)均載的功能.

2.1 懸掛系統(tǒng)均載性的實現(xiàn)

2.1.1關(guān)節(jié)軸承

關(guān)節(jié)軸承主要是由一個有外球面的內(nèi)圈和一個有內(nèi)球面的外圈特殊結(jié)構(gòu)組成的滑動軸承.關(guān)節(jié)軸承一般用于速度較低的擺動運動(即角運動),在支承軸與軸殼孔不同心度較大時,仍能正常工作.

由懸掛系統(tǒng)與下層橋架的裝配關(guān)系(見圖4),為使橋架移動時因軌道不平導致耳板銷軸與軸殼孔不同心度較大時仍能正常工作,耳板通過關(guān)節(jié)軸承與銷軸連接,因軸承主要承受徑向載荷,故選用向心關(guān)節(jié)軸承.

圖4 懸掛油缸與下層橋架裝配關(guān)系Fig.4 Assembly relationship between suspension cylinder and lower bridge

此橋正常工作(閉合)時,橋架恒重和橋上活載由楔塊剛性鎖定機構(gòu)承受,考慮極端情況下(楔塊剛性鎖定機構(gòu)故障時),此時橋重及活載都由懸掛油缸承受(懸掛油缸最壞工況),單側(cè)油缸實際承受的載荷為P0=162.5 kN.關(guān)節(jié)軸承只承受靜載荷作用,故對其作靜載校核，即

(3)

式中:S0為軸承靜強度安全系數(shù),此工況下,軸承要求轉(zhuǎn)動平穩(wěn),S0應(yīng)大于1,取S0=2;P0為軸承靜載荷；C0為額定靜載荷.S0P0=2×162.5=325 kN,選取軸承GEF30ES,其額定靜載荷為439 kN,此軸承滿足其靜載要求.

由于吊耳處銷軸應(yīng)滿足靜強度要求,其尺寸應(yīng)滿足

(4)

式中：Fs為銷軸所受剪力；A為銷軸受剪面積；[τ]為許用剪切應(yīng)力.

將Fs=325 kN,A=πd2/4,[τ]=164 MPa(銷軸材料為42CrMo,其抗拉強度為1 080 MPa,考慮到軸承工作重要性、疲勞、計算誤差、制造可靠性等問題,確定安全系數(shù)取3.96,確定許用強度為273 MPa,進而確定許用剪切強度為0.6×273=164 MPa)代入式(4),得d≥58 mm.根據(jù)軸承手冊選用軸承GEF60ES,其額定動載荷為55 kN,額定靜載荷為1 720 kN,滿足要求.

2.1.2調(diào)心滾子軸承

懸掛輪采用平衡臂結(jié)構(gòu),且懸掛輪上安裝有調(diào)心滾子軸承,如圖5所示,平衡臂結(jié)構(gòu)和調(diào)心滾子軸承均能很好地克服軌道不平產(chǎn)生的不平衡力.

圖5 調(diào)心滾子軸承Fig.5 Structure of the spherical roller bearing

此工況下軸承的設(shè)計要求:調(diào)心、低速、徑向重載,選擇軸承類型為調(diào)心滾子軸承.

在橋架開啟和閉合過程中,懸掛滾輪機構(gòu)在懸掛導軌上滾動,帶動橋架開啟和閉合,此時對軸承有重要影響的參數(shù)為動載荷;在橋架閉合后,各機構(gòu)正常工作時,懸掛機構(gòu)靜止在軌道上,不承受載荷,依照關(guān)節(jié)軸承靜載計算,考慮楔塊剛性鎖定機構(gòu)失效時,懸掛油缸承受橋重及活載作用,對軸承做靜載分析.

(1) 動載荷計算.單側(cè)油缸的實際載荷P0=83.75 kN,單個軸承承受的徑向載荷為

(5)

得

Fr=41.9 kN.

根據(jù)機械設(shè)計手冊,計算當量動載荷為

(6)

將壽命因數(shù)fh=1.693、力矩載荷因數(shù)fm=1、沖擊載荷因數(shù)fd=1.5、速度因數(shù)fn=1.569、溫度因數(shù)fT=1代入式(6)，即得當量動載荷P=67.8 kN.

由計算所得的軸承靜載荷及動載荷,選取軸承型號為22310C/W33,其額定動載荷為175 kN,靜載荷為210 kN,滿足要求.

(3) 懸掛油缸.懸掛油缸之間大腔與大腔相通,小腔與小腔相通,如圖6所示.

圖6 懸掛油缸工作原理Fig.6 Working principle of the suspension cylinder

設(shè)大腔壓力為P0，缸徑為D0，桿徑為d1，小腔壓力為P1，P0,P1與液壓系統(tǒng)有關(guān),故油缸吊點的壓力F為

(7)

由式(7)可知,由于各油缸幾何參數(shù)(缸徑、桿徑等)均一致,各油缸大腔的壓力相等,各小腔之間的壓力也相等,從而導致油缸各吊點的力都相同.

2.2 懸掛系統(tǒng)的性能指標分析

2.2.1適應(yīng)高度差

根據(jù)目標大橋所采用的懸掛導向機構(gòu)的懸掛油缸參數(shù)可知,油缸的行程為50 mm,因此,懸掛系統(tǒng)的適應(yīng)高度差為50 mm,滿足懸掛導軌不平度±25 mm的要求.

2.2.2載荷變化范圍

對于懸掛系統(tǒng)來說,懸掛導向機構(gòu)在橋架開啟和閉合時,懸掛油缸承受橋重,在橋架閉合后且各機構(gòu)都正常工作時,懸掛油缸不再承受載荷.如前面所述,在橋架閉合后,楔塊剛性鎖定機構(gòu)因故短暫失效時,懸掛油缸應(yīng)能承受橋重及活載,每個油缸的實際載荷為

(8)

式中:FL為單節(jié)橋架活載,FL=630 kN;FD為單節(jié)橋架上的恒載,FD=670 kN;n為單節(jié)橋架懸掛油缸的數(shù)目,n=8.

由式(8)可得

缸徑為D0=125 mm,桿徑為d1=60 mm,油缸額定壓力Pe=32 MPa,則油缸能承受的最大載荷為

(9)

將各參數(shù)值代入式(9),可得Fmax=302 kN,則懸掛導向機構(gòu)上的懸掛油缸的載荷變化范圍為0～162.5 kN,滿足要求.

3 結(jié)論

(1) 目標大橋采用下層橋架縱移實現(xiàn)橋架開啟,橋架開啟寬度不受限于上、下層橋架高度,克服了立轉(zhuǎn)式橋架的不足,開啟高度亦比升降式開啟橋大,無需在河道上建造平轉(zhuǎn)橋要求的大型圓墩.開啟方式在應(yīng)用研究領(lǐng)域具有創(chuàng)新性與前瞻性,為相關(guān)類型橋梁搭建提供借鑒.

(2) 提出了一種新的機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)設(shè)計方案,與傳統(tǒng)蓄能懸掛系統(tǒng)相比,在綜合考慮懸掛適應(yīng)范圍、安全可靠性、零件加工工藝性及維護方便性等方面均有明顯優(yōu)勢.

(3) 根據(jù)計算分析可知,懸掛系統(tǒng)的高度差和載荷變化范圍都在合理的范圍內(nèi).各項設(shè)計理論上能夠滿足目標大橋下層橋架的懸掛系統(tǒng)均載性要求,其性能指標也滿足要求.