F型軌道密封裝置的設(shè)計

□ 趙繼平 □ 鐘 可 □ 王天龍 □ 田江澤

1.中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司 北京 100048 2.長沙市軌道交通集團有限公司 長沙 410000

1 設(shè)計背景

磁浮列車是一種靠磁浮力來推動的列車。由于軌道的磁力使列車懸浮在空中,行走時不需要接觸地面,因此阻力只有空氣的阻力。列車運行時不但速度快,而且平穩(wěn)、舒適,易于實現(xiàn)自動控制,無噪聲,無有害廢氣排放。

2006年,我國在引入德國產(chǎn)品的前提下在上海建成世界上首條商業(yè)運營高速磁浮線。此后,國內(nèi)加速開發(fā)技術(shù),并在十年間相繼建立五條試驗線,進而在北京、長沙完成兩條正式線路,兩條線路皆為高架線。目前,武漢、成都、廣州、岳陽、株洲、郴州、唐山、烏魯木齊等十余座大中型城市都已規(guī)劃修建磁浮線路。

長沙磁浮線在一期基礎(chǔ)上獲批開建東延線,其中兩站為地下站,屬國內(nèi)首創(chuàng)。根據(jù)我國人防相關(guān)法律規(guī)定,磁浮線修建需兼顧人防工程。因此需設(shè)置區(qū)間防護設(shè)備,目前國內(nèi)外皆無同類設(shè)備。

F型軌道如圖1所示。列車運行過程中,依托兩條F型軌道提供磁力懸浮,在平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時,不能斷開F型軌道。因此,F型軌道的密閉性設(shè)計是磁浮式地鐵區(qū)間防護設(shè)備研發(fā)進程中的重點和難點。

▲圖1 F型軌道

中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司的技術(shù)人員攻克技術(shù)難點,研發(fā)了一種適用于磁浮列車的F型軌道密封裝置。這一裝置具有平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時不需要斷開F型軌道,安裝方便快捷,能抵抗核武器和常規(guī)武器6級沖擊波荷載等諸多優(yōu)點。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

F型軌道密封裝置截面如圖2所示,分為上、下密封裝置兩部分,包絡(luò)擠壓F型軌道,實現(xiàn)密閉性。上密封裝置分為左、右兩部分,便于吊裝安裝。

▲圖2 F型軌道密封裝置截面▲圖3 F型軌道密封裝置結(jié)構(gòu)

F型軌道密封裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示,由外側(cè)鋼板、夾心層膠塊、內(nèi)側(cè)密封裝置、加強筋板及夾持的螺栓組成。

鋼板材質(zhì)的牌號為Q345,膠塊材質(zhì)為橡膠,Q345鋼的屈服強度為345 MPa。

3 密封原理

鋼板及夾心層的膠塊與F型軌道仿形設(shè)計,膠塊凸出鋼板邊緣2 mm。當螺栓預緊力連接上、下密封裝置時,膠塊凸出部分包絡(luò)擠壓F型軌道,實現(xiàn)F型軌道的密閉性。

安裝下密封裝置時,在下密封裝置與安裝基座之間塞入3 mm膠塊,實現(xiàn)密閉性。

左上密封裝置和右上密封裝置之間塞入膠塊,實現(xiàn)密閉性。

平時列車運營時,拆下密封裝置,不會阻礙列車運行。平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時,安裝密封裝置,并且不需要斷開F型軌道。

4 有限元分析

對左上密封裝置、右上密封裝置、下密封裝置分別加載6級沖擊波等效靜載載荷,分析F型軌道密封裝置的力學性能和位移。

4.1 下密封裝置

下密封裝置應力如圖4所示。最大應力產(chǎn)生在左右下角無筋板處,最大應力值為176.1 MPa,小于Q345鋼的屈服強度,滿足強度要求。

▲圖4 下密封裝置應力

下密封裝置位移如圖5所示。最大位移產(chǎn)生在與F型軌道接口處,最大位移值為0.94 mm,位移值較小,可以忽略。

▲圖5 下密封裝置位移

4.2 右上密封裝置

右上密封裝置應力如圖6所示。最大應力產(chǎn)生在與F型軌道接口處,最大應力值為207.9 MPa,小于Q345鋼的屈服強度,滿足強度要求。

右上密封裝置位移如圖7所示。最大位移產(chǎn)生在與F型軌道接口處,最大位移值為0.72 mm,位移值較小,可以忽略。

4.3 左上密封裝置

左上密封裝置應力如圖8所示。忽略直角處應力集中,最大應力產(chǎn)生在無筋板處,最大應力值為501.1 MPa,大于Q345鋼的屈服強度,不滿足強度要求。

▲圖8 左上密封裝置應力▲圖9 左上密封裝置位移▲圖10 優(yōu)化后左上密封裝置應力

左上密封裝置位移如圖9所示。最大位移產(chǎn)生在無筋板處,最大位移值為9.93 mm,變形過大。

5 優(yōu)化改進設(shè)計

對左上密封裝置進行優(yōu)化設(shè)計,增加筋板,并進行有限元分析。

優(yōu)化后左上密封裝置應力如圖10所示。忽略直角處應力集中,最大應力值為169.5 MPa,小于Q345鋼的屈服強度,滿足強度要求。

優(yōu)化后左上密封裝置位移如圖11所示。最大位移值為2.28 mm,經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)位移有較大幅度減小,在彈性變形范圍內(nèi)。

▲圖11 優(yōu)化后左上密封裝置位移

6 結(jié)束語

筆者介紹了一種F型軌道密封裝置,有效解決了磁浮式列車穿行通過地下站區(qū)間時,人防防護設(shè)備F型軌道的密閉性問題,確保平時不影響列車運行,戰(zhàn)時不需要斷開F型軌道,屬于國內(nèi)首創(chuàng)。對該裝置進行了有限元分析,對受力薄弱、變形較大的左上密封裝置進行了優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后滿足強度和變形要求。這一裝置為成功研發(fā)適用于磁浮列車穿行通過地下區(qū)間防護段的區(qū)間人防設(shè)備提供了理論依據(jù)。