懸掛式軌道設計探討

王巨民 胡友民

懸掛式軌道是礦業、民爆行業中常用的鋼結構構件[1]，但目前關于其設計的介紹并不多。現有的文獻多關注于懸掛式軌道的強度分析，而其安裝方法及固有頻率對整體功能影響的分析尚處于空白狀態[2，3]。本文結合工程背景對懸掛軌道的設計進行探討。

1 工程概況

某一隧道，寬4m，高3.5 m，總長為100m，頂部呈半圓形。隧道的左右兩側及頂部壁面均由混凝土噴涂到巖石表面形成，混凝土厚約 15mm。因業主需求，在隧道頂部搭建一條小車軌道。小車在軌道上往復移動，移動范圍為 90m。正常工作時要求小車的移動速度為 1m/s;當需要快速定位時，要求小車能夠以最大20m/s的速度定位到指定位置。

現小車的結構已定，要求完成軌道的設計。小車要求軌道的橫截面與冷彎等邊槽鋼GB/T 6723-1986 160×80×5相同。在軌道橫截面不能更改的情況下，設計重點在于保證在空間有限的隧道內完成大跨度軌道的安裝以及單跨軌道長度的選擇。

2 軌道安裝形式探討

為了便于加工、運輸和安裝，軌道用多節冷彎等邊槽鋼拼接而成。為了改善在小車作用下軌道的應力及變形情況，在每節槽鋼上設置兩個吊掛點。吊掛點在軌道長度方向上均勻分布。為了保證軌道表面平整、光滑，在相鄰兩節槽鋼的接縫處進行打磨和調整。考慮到隧道的壁面并不規則，軌道平面與隧道頂部之間的距離應柔性可調。隧道壁面的混凝土噴涂材料難以直接承擔軌道及小車的重量，因此將直徑為 20mm的鋼筋打入隧道頂部作為承載結構件。在每個吊掛點上方打入 2根鋼筋，打入足夠的深度以承擔軌道與小車的重量。將導軌吊掛結構連接到 2根鋼筋的下端，吊掛點在軌道長度方向上的位置通過鋼筋打入點的位置來調整，軌道平面與隧道頂部之間的距離通過鋼筋與吊掛結構的連接點位置來調整。

3 單跨軌道長度選擇

在結構系統中，當一個激振頻率與固有頻率相接近，就會使系統發生共振，整個系統處于失效或準失效狀態。由系統共振引起的疲勞破壞廣泛存在于受沖擊、瞬態或隨機載荷作用的各種結構之中。共振時，結構的動應力大、壽命短，顯得更加危險[4]。

在整個軌道系統中，當小車在固定軌道上移動時，每經過相鄰兩段單跨軌道的接縫處就會產生一次沖擊，該沖擊的頻率即為激振頻率。激振頻率與小車的運行速度及單跨軌道長度有關。在小車最大速度已定的情況下，在選擇單跨軌道長度即每節槽鋼長度時應考慮可能引起的激振，避免系統發生共振。下面分析單跨長度為4m，5m，6m和7m，總長度為90m左右的懸掛式軌道的固有頻率，為槽鋼長度選擇提供設計依據。

3.1 建立軌道有限元模型

根據工程實際需求及軌道安裝形式，利用SolidWorks軟件建立懸掛式軌道的三維簡化模型，并通過程序接口導入ANSYS Workbench軟件，如圖1所示。

軌道選材為冷彎等邊槽鋼GB/T 6723-1986 160×80×5，吊掛結構簡化為兩根直徑為20mm的鋼筋，長度統一為0.8m，其上表面與水平面平行。相鄰吊掛點之間的距離為每節槽鋼長度的1/2，吊掛點與相鄰槽鋼接縫的距離為每節槽鋼長度的 1/4。設置軌道及鋼筋的材料參數為:楊氏模量2e+005MPa;泊松比0.3;密度7.85e-006 kg/mm3。采用自由網格劃分方法，懸掛式軌道的有限元模型如圖 2所示。

3.2 軌道固有頻率分析

針對每節槽鋼長度為4m，5m，6m和 7m，軌道總長度分別為92m，90m，90m和91m四種情況，分析懸掛式軌道的固有頻率，分析結果如表1所示。

表1 固有頻率分析結果 Hz

忽略總長度的微小差異對分析結果的影響，可以看出，隨著每節槽鋼長度的增長，懸掛式軌道的固有頻率依次減小。

3.3 軌道長度選擇

從理論上來說，固有頻率與激振頻率兩者的比值大于 2時，相互的共振響應就較小(稱倍頻法則)，若固有頻率重合或接近時，將出現共振現象[5]。因此，為了避免共振，要求激振頻率小于1階固有頻率的 1/2。

小車最大運行速度v=20m/s，每節槽鋼長度L=4m時，激振頻率f為:

同理，當槽鋼長度為5m，6m，7m時，激振頻率分別為:4.00Hz，3.33Hz，2.86Hz。由以上分析可見，當每節槽鋼長度為6m，7m時能夠滿足此要求。為了便于軌道的制造、運輸和安裝，選取每節槽鋼長度為6m。

4 軌道強度校核

經以上討論初步確定每節槽鋼長度，利用ANSYSWorkbench軟件對其進行強度校核。校核結果顯示，當小車位于相鄰兩節槽鋼的接縫處時，軌道的應力最大。如圖 3所示，最大應力值為84MPa，小于材料的許用應力值，軌道強度滿足要求。

5 結語

結合懸掛式軌道的應用背景，對軌道的安裝形式進行了討論。利用SolidWorks軟件建立三維簡化模型，借助ANSYSWorkbench軟件進行固有頻率分析，對軌道強度進行校核。分析結果表明:每節槽鋼長度越長，軌道的固有頻率就越低，而允許的小車最高速度增大，確定每節槽鋼的合理長度為 6m。現已完成該懸掛式軌道的設計與加工，工程已進入安裝階段。

[1] 陳中億.工業炸藥懸掛式軌道輸送車系統的安全性研究[J].爆破器材，2010，39(5):34-37.

[2] 孫世田.懸掛吊車懸掛點的受力特性與合理形式[A].第六屆空間結構學術會議論文集[C].1992.

[3] 丁蕓孫.懸掛吊車軌道與節點的設計探討[A].第十一屆空間結構學術會議論文集[C].2005.

[4] 張義民，宿蘇英，李 鶴，等.隨機連續梁彎曲振動系統的頻率可靠性分析[J].應用力學學報，2007，24(1):133-136.

[5] 李朝旭.電子設備的抗振動設計[J].電子機械工程，2002，18(1):51-55.