王巨民 胡友民

懸掛式軌道是礦業(yè)、民爆行業(yè)中常用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]，但目前關(guān)于其設(shè)計的介紹并不多。現(xiàn)有的文獻(xiàn)多關(guān)注于懸掛式軌道的強(qiáng)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(tài)[2，3]。本文結(jié)合工程背景對懸掛軌道的設(shè)計進(jìn)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(cè)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(yè)主需求，在隧道頂部搭建一條小車軌道。小車在軌道上往復(fù)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(dāng)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(xiàn)小車的結(jié)構(gòu)已定，要求完成軌道的設(shè)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(shè)計重點在于保證在空間有限的隧道內(nèi)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(yùn)輸和安裝，軌道用多節(jié)冷彎等邊槽鋼拼接而成。為了改善在小車作用下軌道的應(yīng)力及變形情況，在每節(jié)槽鋼上設(shè)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(jié)槽鋼的接縫處進(jìn)行打磨和調(diào)整。考慮到隧道的壁面并不規(guī)則，軌道平面與隧道頂部之間的距離應(yīng)柔性可調(diào)。隧道壁面的混凝土噴涂材料難以直接承擔(dān)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(jié)構(gòu)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(dān)軌道與小車的重量。將導(dǎo)軌吊掛結(jié)構(gòu)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(diào)整，軌道平面與隧道頂部之間的距離通過鋼筋與吊掛結(jié)構(gòu)的連接點位置來調(diào)整。

3 單跨軌道長度選擇

在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，當(dāng)一個激振頻率與固有頻率相接近，就會使系統(tǒng)發(fā)生共振，整個系統(tǒng)處于失效或準(zhǔn)失效狀態(tài)。由系統(tǒng)共振引起的疲勞破壞廣泛存在于受沖擊、瞬態(tài)或隨機(jī)載荷作用的各種結(jié)構(gòu)之中。共振時，結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力大、壽命短，顯得更加危險[4]。

在整個軌道系統(tǒng)中，當(dāng)小車在固定軌道上移動時，每經(jīng)過相鄰兩段單跨軌道的接縫處就會產(chǎn)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(yùn)行速度及單跨軌道長度有關(guān)。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(jié)槽鋼長度時應(yīng)考慮可能引起的激振，避免系統(tǒng)發(fā)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(shè)計依據(jù)。

3.1 建立軌道有限元模型

根據(jù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡化為兩根直徑為20mm的鋼筋，長度統(tǒng)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(jié)槽鋼長度的1/2，吊掛點與相鄰槽鋼接縫的距離為每節(jié)槽鋼長度的 1/4。設(shè)置軌道及鋼筋的材料參數(shù)為:楊氏模量2e+005MPa;泊松比0.3;密度7.85e-006 kg/mm3。采用自由網(wǎng)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(jié)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(jié)果如表1所示。

表1 固有頻率分析結(jié)果 Hz

忽略總長度的微小差異對分析結(jié)果的影響，可以看出，隨著每節(jié)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(yīng)就較小(稱倍頻法則)，若固有頻率重合或接近時，將出現(xiàn)共振現(xiàn)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(yùn)行速度v=20m/s，每節(jié)槽鋼長度L=4m時，激振頻率f為:

同理，當(dāng)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(dāng)每節(jié)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(yùn)輸和安裝，選取每節(jié)槽鋼長度為6m。

4 軌道強(qiáng)度校核

經(jīng)以上討論初步確定每節(jié)槽鋼長度，利用ANSYSWorkbench軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。校核結(jié)果顯示，當(dāng)小車位于相鄰兩節(jié)槽鋼的接縫處時，軌道的應(yīng)力最大。如圖 3所示，最大應(yīng)力值為84MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，軌道強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)語

結(jié)合懸掛式軌道的應(yīng)用背景，對軌道的安裝形式進(jìn)行了討論。利用SolidWorks軟件建立三維簡化模型，借助ANSYSWorkbench軟件進(jìn)行固有頻率分析，對軌道強(qiáng)度進(jìn)行校核。分析結(jié)果表明:每節(jié)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(jié)槽鋼的合理長度為 6m。現(xiàn)已完成該懸掛式軌道的設(shè)計與加工，工程已進(jìn)入安裝階段。

[1] 陳中億.工業(yè)炸藥懸掛式軌道輸送車系統(tǒng)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(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集[C].1992.

[3] 丁蕓孫.懸掛吊車軌道與節(jié)點的設(shè)計探討[A].第十一屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集[C].2005.

[4] 張義民，宿蘇英，李 鶴，等.隨機(jī)連續(xù)梁彎曲振動系統(tǒng)的頻率可靠性分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2007，24(1):133-136.

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