跨座式單軌換梁型道岔不同拉桿位置動力學分析

霍震楊

(中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100)

引言

跨座式單軌是一種以預應力混凝土梁作為行走軌道的新制式軌道交通[1]，目前已應用于國內外多個城市。跨座式單軌交通具有爬坡能力強、環境適應能力強、成本低、噪聲小等優點[2]，其中，道岔是其軌道線路換線的重要設備[3-4]，主要包括關節型道岔、整體平移型道岔、樞軸型道岔、換梁型道岔等[5]，主要由道岔梁、臺車、驅動裝置、鎖閉裝置及臺車軌道等組成[6]。

目前，已有學者對道岔梁體載荷強度、剛度、電控系統及道岔現場施工等方面開展相關研究。杜子學采用威布爾分布法對道岔梁焊縫疲勞壽命、進行預測評估[7]；郭凡等分析關節可撓道岔梁體的載荷性能、強度及剛度[8]；王金對各種制式跨座式道岔線形參數展開分析[9]；崔桂林提出一種新型電控系統設計理念[10]；杜子學等對列車在通過曲線道路時的空氣動力性能進行仿真分析[11]；王省茜通過減速器帶動擺臂繞減速器中心軸回轉而實現道岔梁的橫移[12]；付昌友等認為換梁型道岔側向通過速度更高，折返率更快[13]；盧明奇等給出平移式道岔結構在列車作用下的動力荷載類型及相應計算方法[14]。

不難看出，換梁型道岔拉桿受載情況直接影響拉桿疲勞壽命和道岔安全性能，以下對換梁型道岔進行動力學優化分析，以期獲取梁體之間拉桿最佳位置。

1 換梁型道岔動力學模型建立

1.1 換梁型道岔結構參數

換梁型道岔主要由直線梁、曲線梁、梁間拉桿、若干臺車、驅動裝置和鎖閉裝置等組成，直線梁和曲線梁下方均放置3組臺車。道岔側線曲線半徑R=100 m，梁體截面高1 300 mm，寬690 mm。換梁型道岔直線梁長23.7 m，曲線梁長23 m。

1.2 換梁型道岔動力學建模參數

跨座式單軌R=100 m換梁型右開道岔系統動力學建模中，主要參數包括直線梁、曲線梁及臺車支撐輪等的長寬高、質量、重心位置及轉動慣量，考慮直線梁和曲線梁均固結于支撐臺車之上，故把梁與各自的支撐臺車視為一個整體；結合在軟件Creo中已繪制完成的跨座式換梁型道岔三維模型，從軟件中提取各個部件參數，見表1～表6。

表1 換梁型右開道岔系統動力學建模參數

表2 臺車車輪動力學建模參數

表3 驅動擺臂動力學建模參數

表4 直線梁(含3個臺車)動力學建模參數

表5 曲線梁(含3個臺車)動力學建模參數

表6 梁間拉桿動力學建模參數

1.3 換梁型道岔動力學仿真模型

系統多體動力學是研究多體系統(一般由多個柔性和剛性物體互相連接而成)運動規律的科學。在拉格朗日廣義坐標表達系統中，將多剛體系統用拉格朗日方程表示，以建立多體動力系統的定義運動方程。

(1)支撐輪接觸模型

跨座式單軌R=100 m換梁型右開道岔系統中，臺車支撐輪與道岔支撐基礎之間的滾動接觸阻力采用非線性摩擦力方法模擬，以計算道岔在換梁過程中支撐輪與支撐基礎之間的滾動接觸阻力，其中，滾動摩擦系數為μk=0.07。

(2)換梁型道岔仿真模型建立

換梁型單開道岔系統的動力學仿真模型在軟件Simpack中建立。其中，直線梁、曲線梁、拉桿及驅動柄只考慮搖頭自由度ωz，直線梁與驅動柄之間設置約束。故整個道岔系統總共包含4個自由度。

道岔系統動力學模型的拓撲結構見圖1，其動力學仿真模型見圖2。

圖1 換梁型單開道岔系統拓撲結構

圖2 換梁型道岔動力學仿真模型

2 換梁型道岔動力學性能分析

道岔轉轍過程中，驅動搖臂最大允許轉矩為35 460 N·m，驅動搖臂轉動角度為172°，轉轍時間為6 s。道岔在無風阻工況下，計算道岔轉轍過程中的動態響應，并優化梁間拉桿的安裝位置。

主動梁和垛梁腹板直接采用指形板搭接，以確保車輛穩定通過；測量點位于指形板指尖處，以檢測道岔轉轍過程中是否會與垛梁指形板和梁體另一側腹板干涉。換梁型道岔梁體與垛梁幾何干涉分析測點位置見表7。

表7 幾何干涉分析測點位置 m

在原方案基礎上再增加3個測試點，通過分析拉桿受力和長細比等參數求取位置最佳解，測點位置布局見圖3，拉桿位置分析見表8。

圖3 換梁型道岔測試點示意

表8 梁間拉桿位置分析

2.1 道岔動力學仿真分析

在無風阻工況下，對比分析梁間拉桿4種安裝位置拉桿軸向力和驅動搖臂轉動力矩，計算結果見圖4～圖7。

圖4 直線梁臺車支撐輪滾動阻力變化

圖5 曲線梁臺車支撐輪滾動阻力變化

圖6 測點空間位置變化時間歷程曲線

圖7 驅動搖臂轉動力矩和梁間拉桿軸向力受力時間歷程

換梁型道岔在轉轍過程中道岔各個部件所受支反力仿真情況見表9。

表9 道岔系統各部件受力值

幾何干涉分析測點的位置變化量見表10。

表10 幾何干涉分析測點位置變化量 m

由表10可知，道岔轉轍過程中，道岔梁體與垛梁干涉點無明顯位移變化。

2.2 梁間拉桿構件長細比

長細比λ是指結構桿件計算長度l0與桿件截面回轉半徑i之比，可反映受壓桿件穩定性。梁間拉桿為圓柱結構，直徑D=80 mm，兩端為鉸接，有

λ=l0/i

(1)

式中，μ為長度因數，拉桿兩端為鉸接時μ=1；l、I、A、D分別為桿件幾何長度、截面慣性矩、截面面積和桿件直徑，其中，l0=μl；i=I/A；I=πD4/64；A=πD2/4；有

λ=4l/D

(2)

結合表8和式(2)，得出不同的測試方案拉桿對應的長細比，數值見表11。

表11 各方案拉桿長細比值

(3)

式中，εk為鋼號修正系數；σs為鋼牌材料屈服強度。45號鋼對應屈服強度355 MPa，有

[λ]=130εk=105

(4)

2.3 仿真結果分析

由表9可知，在無風阻工況下，道岔系統轉轍過程中直線梁臺車支撐輪的總滾動阻力為1 087.2 N，曲線梁臺車每個支撐輪滾動阻力為1 051.5 N，道岔系統總滾動阻力為2 138.7 N。梁間拉桿的安裝位置較原方案向接近直線梁中心時，驅動搖臂轉動力矩有逐漸增加趨勢，拉桿的軸向推力有明顯增加；梁間拉桿的安裝位置較原方案向遠離直線梁中心時，驅動搖臂轉動力矩和拉桿的軸向受力有明顯減小趨勢。測試方案2和測試方案3優于原方案。結合表11和式(4)，測試方案3的長細比超出允許值，測試方案2拉桿受力次于測試方案3，但穩定性優于測試方案3。

從上述分析可知，拉桿向遠離直線梁中心設置，且長細比為允許值105時，即為拉桿極限位置解。結合式(2)、式(4)，求得極限位置對應桿長為2 100 mm。結合R=100 m換梁型道岔線形和拉桿在道岔間安裝位置，得出極限位置為較原方案向遠離直線梁中心方向移動3 m。

3 結語

對于跨座式單軌R=100 m換梁型道岔系統，在無風阻工況下進行動態響應仿真分析，當梁間拉桿向遠離直線梁中心位置移動時，道岔轉轍過程中驅動搖臂轉動力矩和拉桿的軸向受力有明顯減小趨勢，但拉桿的穩定性會逐漸變差。結合鋼結構設計標準和R=100 m換梁型道岔線形，梁間拉桿向遠離直線梁中心方向移動3 m時為拉桿的極限位置解。