F型軌道密封裝置的設計

□ 趙繼平 □ 鐘 可 □ 王天龍 □ 田江澤

1.中國建筑標準設計研究院有限公司 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、舒適,易于實現自動控制,無噪聲,無有害廢氣排放。

2006年,我國在引入德國產品的前提下在上海建成世界上首條商業運營高速磁浮線。此后,國內加速開發技術,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劃修建磁浮線路。

長沙磁浮線在一期基礎上獲批開建東延線,其中兩站為地下站,屬國內首創。根據我國人防相關法律規定,磁浮線修建需兼顧人防工程。因此需設置區間防護設備,目前國內外皆無同類設備。

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,在平戰轉換時,不能斷開F型軌道。因此,F型軌道的密閉性設計是磁浮式地鐵區間防護設備研發進程中的重點和難點。

▲圖1 F型軌道

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

2 結構設計

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,包絡擠壓F型軌道,實現密閉性。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型軌道密封裝置結構

F型軌道密封裝置的結構如圖3所示,由外側鋼板、夾心層膠塊、內側密封裝置、加強筋板及夾持的螺栓組成。

鋼板材質的牌號為Q345,膠塊材質為橡膠,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,膠塊凸出部分包絡擠壓F型軌道,實現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,實現密閉性。

左上密封裝置和右上密封裝置之間塞入膠塊,實現密閉性。

平時列車運營時,拆下密封裝置,不會阻礙列車運行。平戰轉換時,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。最大位移產生在無筋板處,最大位移值為9.93 mm,變形過大。

5 優化改進設計

對左上密封裝置進行優化設計,增加筋板,并進行有限元分析。

優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,經過優化后的結構位移有較大幅度減小,在彈性變形范圍內。

▲圖11 優化后左上密封裝置位移

6 結束語

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間時,人防防護設備F型軌道的密閉性問題,確保平時不影響列車運行,戰時不需要斷開F型軌道,屬于國內首創。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化設計,優化后滿足強度和變形要求。這一裝置為成功研發適用于磁浮列車穿行通過地下區間防護段的區間人防設備提供了理論依據。