藺雪峰,田 磊,張小安,曲軍彪
(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京100007;2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京100082)
近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的大規(guī)模貯煤筒倉群出現(xiàn)在沿海港區(qū)[1-3],筒倉頂卸料小車的工作性能直接影響輸煤、裝船效率,而卸料小車軌道及其扣件的連接可靠性成為影響卸料小車作業(yè)效率最為重要的一環(huán)。工程實(shí)例表明,筒倉頂采用鋼結(jié)構(gòu)通廊,卸料小車軌道采用吊車梁傳統(tǒng)壓板扣件,經(jīng)常出現(xiàn)軌道壓板松動脫落、鋼軌局部磨損、啃軌及筒倉結(jié)構(gòu)縫處軌道伸縮縫間距、左右移位、豎向高程差超標(biāo)等現(xiàn)象,通過研究柔性軌道固定系統(tǒng)(如GANTREX、GANTRAIL等系列)、高鐵軌道固定系統(tǒng),并與傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)進(jìn)行比較分析,總結(jié)歸納卸料小車軌道問題形成的原因,并給出解決該問題的意見與建議,可供設(shè)計(jì)人員參考使用。
某港口工程有24座筒倉,單個(gè)筒倉容量3萬t,高43 m,內(nèi)徑40 m。筒倉按4排、6列布置,排凈距10 m,列凈距5 m,見圖1。倉頂鋼廊道采用空間桁架,跨度38.13 m,凈寬13 m,檐口相對于倉頂高度為12 m。鋼廊道通過4個(gè)盆式橡膠支座與筒倉頂部環(huán)梁連接,一端設(shè)置2個(gè)固定支座,另一端為定向滑動支座。
圖1 筒倉群布置(單位: mm)
筒倉頂每排輸煤鋼廊道內(nèi)設(shè)1輛卸料小車(圖2)。卸料小車總質(zhì)量151 t,最大輪壓標(biāo)準(zhǔn)值見圖3。
圖2 卸料小車示意
圖3 卸料小車輪壓標(biāo)準(zhǔn)值
本工程每排筒倉卸料小車軌道總長度約300 m,軌道為有縫軌道,軌道型號QU100,軌道高160 mm,軌道與下部支撐鋼梁采用焊接型連接,小車軌道與下部支撐鋼梁連接參考鋼吊車圖集,吊車軌道連接與車檔(05G525)見圖4,施工時(shí)卸料小車軌道施工安裝誤差要求見表1。
圖4 卸料小車軌道扣件
表1 軌道安裝誤差要求
1)軌道扣件松動脫落。由于卸料小車輪壓較大,運(yùn)行時(shí)倉頂鋼廊道橫向鋼梁和縱向軌道梁均會產(chǎn)生2個(gè)方向的微小變形[4],見圖5。卸料小車循環(huán)往復(fù)荷載作用下,豎向壓力將使軌道壓板楔形部件反復(fù)承受擠壓與松弛作用;除此之外,卸料小車運(yùn)行產(chǎn)生的沿軌道方向水平力和垂直軌道方向卡軌力也由軌道傳遞給壓板,再傳遞給錨栓和鋼梁,整個(gè)荷載傳遞過程中錨栓為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力體。因此,卸料小車運(yùn)營過程中,荷載反復(fù)作用會造成楔形部件脫落、缺失、螺母松動等現(xiàn)象,最終造成軌道扣件松動、脫落。
圖5 廊道變形(尺寸:mm;高程:m)
卸料小車軌道扣件采用雙螺母,短期內(nèi)螺母不會松動,但是錨栓承受的附加荷載將傳遞給下部鋼梁,在卸料小車反復(fù)疲勞荷載作用下,短期內(nèi)該附加荷載將對鋼梁造成疲勞損傷。從長遠(yuǎn)看,單個(gè)振動周期內(nèi)造成的疲勞損傷將會隨雙螺母的再次松動而降低,直至該附加荷載作用下錨栓達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。起初,當(dāng)卸料小車開始運(yùn)行時(shí),軌道、扣件和下部鋼梁組成了支撐小車運(yùn)行的基礎(chǔ),由于施工中存在無法避免的安裝誤差和卸料小車荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)桁架存在微小的變形,必然會在扣件系統(tǒng)中產(chǎn)生附加荷載,隨著時(shí)間的推移,均會產(chǎn)生螺母松動,進(jìn)而造成扣件脫落。
2)軌道出現(xiàn)局部磨損、啃軌。在非結(jié)構(gòu)縫附近,軌道左右移位和啃軌相輔相成,軌道左右移位的原因大多與啃軌原因一致。造成啃軌和軌道左右移位的原因眾多,如卸料小車車輪直線性、垂直度不好,車輪間距、對稱對角線不等;卸料小車啟動或剎車時(shí),鋼桁架剛度相對較小,作用車體本身的扭擺也可能引起啃軌;由于軌道安裝或桁架變形引起軌道不直(即軌道間距過大或過小),導(dǎo)致啃軌現(xiàn)象的發(fā)生:軌道間距過小時(shí)啃軌道內(nèi)側(cè),軌道間距過大時(shí)啃軌道外側(cè)。軌道問題根本上都是由于軌道的相對標(biāo)高和直線性不符合標(biāo)準(zhǔn)所致。除此之外,坡度太大、軌道面不平等也易引起固定地段啃軌。單一因素引起啃軌的情況較少,多數(shù)啃軌現(xiàn)象都是由上述2個(gè)或2個(gè)以上的因素共同作用所致。多種因素引起的啃軌情況最常見、最復(fù)雜,沒有一定的規(guī)律性,不容易快速、準(zhǔn)確地判斷啃軌產(chǎn)生的主要原因。因此,須根據(jù)實(shí)際情況逐一進(jìn)行排查。此外,壓板螺母松動、楔形部件松動或缺失也是卸料小車軌道左右移位、啃軌的主要原因之一。
3)筒倉結(jié)構(gòu)縫處軌道伸縮縫間距、左右移位、豎向高程差超標(biāo)。卸料小車運(yùn)行時(shí),結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)鋼廊道懸挑端變形需要鋼軌來協(xié)調(diào),以保證軌道的連續(xù)性,否則,若軌道伸縮縫和結(jié)構(gòu)縫位置一致,由于卸料小車荷載作用下,鋼廊道懸挑端變形造成跳車現(xiàn)象,易發(fā)生安全事故。長期疲勞荷載作用下,在結(jié)構(gòu)縫附近,鋼軌及其下部2個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元之間變形反復(fù)協(xié)調(diào)作用,鋼軌會出現(xiàn)扣件松動,引起結(jié)構(gòu)縫處鋼軌左右移位是該部位啃軌的主要原因。在結(jié)構(gòu)縫處,由于小車軌道下部基礎(chǔ)變形差需要軌道來協(xié)調(diào),使鋼軌受力過程中會沿軌道方向產(chǎn)生軸向力,該軸向力也是軌道伸縮縫間距增大或減少的主要原因之一。本工程軌道伸縮縫間距46 m,若不考慮扣件對軌道的約束作用,一端與軌道梁焊接的軌道由溫度變化引起的縱向變形為16 mm,溫度作用對軌道伸縮縫間距變化影響較大;一條軌道上驅(qū)動輪作用給軌道頂部的驅(qū)動荷載為120 kN,在軌道一端焊接固定的情況下,驅(qū)動力作用下的軌道軸向變形為2.4 mm,因此軌道一端與下部軌道梁焊接時(shí),溫度作用對單軌縱向變形的影響遠(yuǎn)大于驅(qū)動力作用下的變形(圖6)。
圖6 軌道伸縮縫變化
此外,卸料小車運(yùn)營時(shí),由于小車運(yùn)行方向的改變或輕微非勻速行駛,沿軌道方向?qū)a(chǎn)生卸料小車車輪的制動力和驅(qū)動力,在該附加荷載作用下軌道將產(chǎn)生軸向壓縮或拉伸變形。這種變形是無法避免的,只能通過加強(qiáng)卸料小車運(yùn)行管理,確保小車平穩(wěn)、勻速、有規(guī)律行駛,使用過程中盡量避免緊急剎車或突然啟動,以減小該軸向變形。另外,壓板螺栓松動也是形成沿軸向拉伸或壓縮重要原因,壓板松動后,軌道將失去約束作用,可向各個(gè)方向發(fā)生位移,對設(shè)備安全生產(chǎn)造成很大困擾,該問題可隨著螺栓松動問題的解決而得到解決。
1)保障施工質(zhì)量,軌道安裝應(yīng)滿足設(shè)計(jì)關(guān)于安裝誤差的要求,包括軌頂高程、卸料小車軌道安裝、壓板扣件等。
2)卸料小車設(shè)備和車輪安裝應(yīng)滿足機(jī)械設(shè)備安裝要求,包括車輪的平行性、垂直度、車輪間距、車輪對稱對角線等。
3)卸料小車運(yùn)行時(shí)盡量避免突然啟動或急剎,確保小車勻速、平穩(wěn)、有規(guī)律行駛。
4)考慮到卸料小車防傾覆裝置下部卡頭與鋼軌腹板距離較近(圖7),在軌道伸縮縫處加魚尾板時(shí)卸料小車無法正常行走。因此,無法從傳統(tǒng)魚尾板角度解決伸縮縫距離、高程差、左右移位超標(biāo)等問題。
圖7 卸料小車防傾覆裝置(高程:m;尺寸:mm)
建議考慮采用2種方案處理:
方案1:在軌道兩側(cè)均勻增設(shè)變厚度耳板,既能保證溫度作用下和小車運(yùn)行時(shí)軌道的正常壓縮、拉伸(縱向變形幅度為縫寬)及其直線性,又能阻止軌道左右移動,釋放豎向疲勞荷載。
方案2:在方案1的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn),軌道伸縮縫處設(shè)置變厚度耳板和普通螺栓,耳板上開長圓孔螺栓,一方面防止扣件松動時(shí)軌道左右、上下移動;另一方面,即使溫度作用下扣件松動,軌道能拉伸、壓縮(縱向變形幅度為長圓孔長度的一半),但不能上下或左右移動,因此依然不會影響軌道的正常使用。
2種方案雖都能解決軌道的間距、高程差超標(biāo)問題,但是采用方案1軌道伸縮縫處理方式,縫兩側(cè)軌道固定系統(tǒng)的整體剛度較好(圖8)。
圖8 卸料小車軌道固定系統(tǒng)改進(jìn)措施
5)設(shè)置長鋼軌時(shí),2個(gè)筒倉間結(jié)構(gòu)伸縮縫部位將由軌道來承擔(dān)縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)作用,疲勞荷載長期作用下,結(jié)構(gòu)縫附近鋼軌將出現(xiàn)彎曲變形,同時(shí)伴隨局部磨損,因此不建議采用長鋼軌來解決伸縮縫處的軌道問題。
此外,溫度作用下,若不考慮壓板扣件對長鋼軌約束的影響,單軌(軌道長275 m,溫差取28 ℃)縱向變形為93 mm,若該變形完全被扣件約束,則所需縱向力為784 kN。該作用力將完全通過扣件傳遞給軌道梁,平均每根柱子承受附加溫度作用65.3 kN,其下部盆式橡膠支座均為固定支座,這意味著每列筒倉由于采用長軌道,溫度作用下,固定支座的附加水平力將平均增大65.3 kN。當(dāng)然,水平力均勻分布給每個(gè)筒倉柱子屬于理想狀態(tài),一旦個(gè)別筒倉扣件松動,無法固定住軌道,則存在其他筒倉柱子水平力大于65.3 kN的情況,這對盆式橡膠固定支座的影響將是無法預(yù)知的,存在較大的安全隱患。
6)若扣件不采用雙螺母而采用單螺母點(diǎn)焊固定形式,或軌道采用間斷焊縫焊接,直接將扣件或軌道焊接于軌道梁或其墊板上,雖然能在一定程度上緩解軌道左右移位、扣件松動脫落等問題,但由于軌道和下部軌道梁完全成為整體,振動荷載作用下,施加給軌道的疲勞荷載全部傳遞給下部軌道梁,反復(fù)作用下可能造成工程事故。此外,一旦出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象,軌道焊接在鋼梁上換軌困難,而且不利于溫度應(yīng)力釋放。
7)針對卸料小車軌道及其扣件脫落松動問題,一方面可根據(jù)螺母的松動周期定期對扣件進(jìn)行檢修、對松動螺母進(jìn)行緊固、對軌道直線性或豎直度進(jìn)行校正,同時(shí),采用方案1的局部改進(jìn)方式,以滿足卸料小車軌道運(yùn)行要求;另一方面,也可考慮采用柔性鋼軌固定系統(tǒng)或高鐵軌道固定系統(tǒng)中彈條扣件代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌道固定系統(tǒng)。
傳統(tǒng)卸料小車鋼軌固定系統(tǒng)采用鋼對鋼的方式解決軌道附加內(nèi)力問題,而柔性軌道固定系統(tǒng)通過釋放部分附加內(nèi)力的方式來解決,主要體現(xiàn)在鋼墊板與鋼軌之間彈性橡膠墊板的設(shè)置與壓板使用2個(gè)方面:
1)鋼墊板與鋼軌之間鋪設(shè)彈性橡膠墊板。橡膠墊板和具有橡膠壓頭的壓板配合使用,形成一個(gè)彈性基礎(chǔ),可消除鋼軌與鋼墊板之間的點(diǎn)接觸現(xiàn)象,使鋼墊板更趨于均勻受壓,減小應(yīng)力集中和疲勞應(yīng)力(圖9)。在使用壽命方面,膠墊板材料是由經(jīng)硫化合成橡膠板制成,內(nèi)鑲有增強(qiáng)鋼片,抗磨損、抗擠壓、抗剪切等性能較好。
圖9 柔性軌道固定系統(tǒng)
2)軌道固定系統(tǒng)采用專利壓板。該壓板的特點(diǎn)在于“鋼對鋼”側(cè)向固定鋼軌,“柔克鋼”垂直方向以彈性力固定鋼軌。壓板總成由壓板夾和底座組成,壓板夾通過橡膠鼻子作用向下的力固定鋼軌,橡膠鼻子是合成橡膠經(jīng)硫化處理壓合在壓板夾上。壓板總成具有雙面楔連接,可產(chǎn)生自鎖功能,保證軌道直線度和軌距不發(fā)生變化,可極大地提高設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)度和安全性。此外,專利壓板還具有側(cè)向調(diào)節(jié)特性,與普通軌道壓板相比,該壓板可提供更寬泛的側(cè)向調(diào)整范圍,同時(shí)確保壓板側(cè)向“鋼對鋼”地固定住鋼軌。軌道壓板有一個(gè)高強(qiáng)度橡皮鼻子以彈性力壓緊鋼軌,可吸收“曲弓波”力。
卸料小車荷載作用下,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向變形(圖5),軌道兩端的壓板會受到不同的作用力,受壓一側(cè)的壓板膠鼻會被壓縮,松弛一側(cè)的壓板膠鼻會伸長。這種柔性作用使軌道始終處于被壓緊狀態(tài),壓板可一直有效地固定住鋼軌。發(fā)生沿軌道縱向方向的變形時(shí)也同理(圖6)。通過壓板膠鼻的自適應(yīng)變形作用,壓板在卸料小車荷載反復(fù)作用下受到反復(fù)擠壓和松弛的作用大大降低,極大地緩解了扣件松動和脫落問題。
柔性軌道固定系統(tǒng)對軌道扣件傳力方式進(jìn)行了很大改進(jìn),減震效果較好,但是研究發(fā)現(xiàn),該固定系統(tǒng)大量應(yīng)用于混凝土剛性基礎(chǔ)上[5](圖10)。一般認(rèn)為柔性基礎(chǔ)上的減震效果不如坐落在剛性基礎(chǔ)上,但是,在諸如筒倉頂鋼廊道內(nèi),柔性軌道固定系統(tǒng)的減震效果必然優(yōu)于傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng),具體的減震效果和減震程度取決于筒倉頂部鋼桁架的整體剛度、卸料小車的使用頻繁程度及使用規(guī)律性。
圖10 混凝土剛性基礎(chǔ)上柔性軌道固定系統(tǒng)
從曹妃甸某大型工業(yè)廠房柔性軌道固定系統(tǒng)應(yīng)用看,其在工業(yè)廠房中應(yīng)用效果較好,可大大延長吊車梁軌道免維護(hù)時(shí)間。柔性軌道固定系統(tǒng)在使用1年多時(shí)間內(nèi)尚未出現(xiàn)影響生產(chǎn)的大修現(xiàn)象,但個(gè)別地方扣件局部維護(hù)依然存在。
考慮到高鐵軌道標(biāo)準(zhǔn)扣件與卸料小車QU100軌道無法匹配,因而根據(jù)卸料小車運(yùn)營環(huán)境,可設(shè)計(jì)出傳力方式類似于高鐵標(biāo)準(zhǔn)扣件的彈條扣件固定系統(tǒng),見圖11。扣件由固定板、彈條、軌下墊板組成,軌下墊板采用TPEE(熱塑性聚酯彈性體)材料,TPEE具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐蠕變性好、回彈性優(yōu)異、抗沖和耐彎曲疲勞、耐磨、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。此外,它還能抵制許多工業(yè)化學(xué)品、油和溶劑導(dǎo)致的腐蝕,適用于筒倉頂部作業(yè)環(huán)境。與橡膠材料相比,TPEE材料的使用壽命更長,而且耐壓縮變形能力更強(qiáng)。TPEE墊板位于鋼軌與軌道梁之間,承受過往每一個(gè)車輪移動時(shí)產(chǎn)生的沖擊和擠壓載荷,有效降低和緩沖了車輪通過鋼軌時(shí)所產(chǎn)生的沖擊和振動??偟恼f來,彈條扣件具有一定的自動減震作用,可有效防止扣件松弛,減小鋼軌的縱向移動和橫向移動,大大減小養(yǎng)護(hù)維修工作量。但彈條扣件的缺點(diǎn)是,與傳統(tǒng)扣件相比,依然是鋼對鋼地從橫向和縱向2個(gè)方向約束鋼軌,一旦出現(xiàn)施工、安裝誤差或設(shè)備操作不當(dāng)造成扣件和鋼軌較勁的現(xiàn)象發(fā)生,彈條扣件不能像柔性鋼軌固定扣件那樣,在橫向通過橡膠鼻子產(chǎn)生一定的內(nèi)力釋放,勢必會通過扣件彈條抵抗橫向荷載,較勁嚴(yán)重的地方將出現(xiàn)彈條斷裂。根據(jù)高速鐵路軌道線路維修規(guī)則,高鐵軌道扣件需要進(jìn)行定期檢查、維修[6],預(yù)測設(shè)計(jì)的專用彈條扣件定期巡視、維護(hù)時(shí)間為1~3個(gè)月。
圖11 高鐵彈條扣件方案
高鐵彈條扣件用于卸料小車軌道固定,須對卸料小車運(yùn)營環(huán)境關(guān)鍵部位(軌道伸縮縫處、倉頂鋼廊道伸縮處和跨中等)進(jìn)行實(shí)際變形測量;其次對彈條扣件進(jìn)行設(shè)計(jì),并在工廠進(jìn)行扣件試生產(chǎn),然后,對扣件性能進(jìn)行試驗(yàn)研究;最后,選取一列筒倉進(jìn)行試驗(yàn),對受力關(guān)鍵部位,調(diào)查、研究扣件使用效果,若扣件受力和使用效果顯著,則進(jìn)行推廣使用。
柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件抗水平力最大值見表4。由表4可以看出,單個(gè)柔性軌道固定系統(tǒng)的抗橫向水平力最大值120 kN大于彈條扣件70 kN,一條軌道荷載作用區(qū)域內(nèi)共12對扣件對抵抗橫向力起主要作用,總抗力最小為840 kN,而單個(gè)輪子橫向水平力11 kN,一條軌道共8個(gè)輪子,共88 kN,因此,2種軌道扣件均能夠滿足抗橫向水平力的要求。對于單個(gè)彈條扣件,抗縱向水平力10 kN,一條軌道荷載作用區(qū)域內(nèi)共12對扣件對抵抗縱向力起主要作用,總抗力為240 kN,而單個(gè)驅(qū)動輪縱向水平力20 kN,12個(gè)驅(qū)動輪,一條軌道總縱向水平力120 kN,扣件縱向水平力仍滿足要求。柔性軌道固定扣件受力特性是在縱向有自鎖功能,因此,抗縱向水平力最小應(yīng)為壓板底板沿縱向焊縫的受剪承載力(F=101 kN)和橡膠鼻子與軌道接觸面的縱向摩擦力較小值即6.1 kN,扣件縱向總抗力為146.4 kN,大于一條軌道總縱向水平力120 kN,扣件縱向水平力滿足要求。
表4 柔性軌道固定系統(tǒng)和彈條扣件抗水平力參數(shù)
綜上所述,柔性軌道固定系統(tǒng)的抗橫向水平力大于彈條扣件,而抗縱向水平力略小于彈條扣件,但是,2種扣件在抵抗橫向和縱向受力方面均能滿足設(shè)計(jì)要求。
柔性軌道固定系統(tǒng)與彈條扣件同一時(shí)間的市場詢價(jià)見表5。從表5可以看出,僅從材料費(fèi)用方面,柔性軌道固定系統(tǒng)大于彈條扣件,均高于傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng),但是,考慮到彈條扣件的非標(biāo)準(zhǔn)性增加了設(shè)計(jì)費(fèi)用和扣件生產(chǎn)模具費(fèi)用,其總費(fèi)用之和略高于柔性軌道固定系統(tǒng)。
表5 柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件系統(tǒng)價(jià)格
總體來看,柔性軌道固定系統(tǒng)效果較好,尤其在釋放卸料小車振動荷載方面,可較好地減少疲勞荷載對軌道梁的損傷。一方面,柔性軌道固定扣件不僅從豎向減小振動作用對軌道梁的影響,還可以從橫向釋放一定的側(cè)向力,抗縱向水平力也能滿足設(shè)計(jì)要求;另一方面,柔性軌道固定扣件更換較為方便,綜合材料價(jià)格更低(表6)。
表6 柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件比較
1)無論采用何種軌道固定系統(tǒng),均無法做到軌道扣件永久免維護(hù),仍須對軌道扣件進(jìn)行定期檢查、維護(hù)。
2)柔性基礎(chǔ)上傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)出現(xiàn)的上述問題是由軌道基礎(chǔ)受力特性和疲勞荷載反復(fù)作用決定的,可從軌道施工與維護(hù)、卸料小車使用等各方面綜合考慮,最大程度地減緩扣件問題帶來的困擾,但無法從根本上解決扣件問題,做到一勞永逸。
3)與傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)相比,柔性軌道固定系統(tǒng)對軌道扣件的傳力方式進(jìn)行了很大改進(jìn),在剛性基礎(chǔ)軌道工程和部分工業(yè)廠房吊車軌道中應(yīng)用效果較好,可大大延長軌道免維護(hù)時(shí)間。
對于使用頻率較高(如吊車梁工作制級別為A5~A8時(shí))和荷載較大時(shí)(如卸料小車、額定起重質(zhì)量超過20 t橋式吊車),均建議優(yōu)先考慮采用柔性軌道固定系統(tǒng),并合理縮小扣件間距,以延長軌道扣件免維護(hù)時(shí)間。
4)采購卸料小車設(shè)備時(shí)優(yōu)先考慮軌道采用現(xiàn)行高鐵通用軌道的可行性,減少非標(biāo)扣件用于卸料小車軌道的情況,為高鐵軌道扣件在相關(guān)工程領(lǐng)域推廣使用創(chuàng)造條件。