鐵路橋梁搖軸支座鉸軸橫向移位病害處理

姜蘭潮1，曾建源1，祁翔恬2，張敬學(xué)2

(1.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京100044； 2. 邯濟(jì)鐵路有限責(zé)任公司，山東聊城252419)

摘要：鉸接搖軸支座多用于跨度在20～32 m的鐵路橋梁，近年發(fā)現(xiàn)一些支座在使用過(guò)程中出現(xiàn)病害，主要表現(xiàn)為活動(dòng)支座的鉸軸橫向移位，并由此導(dǎo)致部分支座的部件在鉸軸的橫向頂推擠壓下發(fā)生破壞而失去約束功能，為鐵路橋梁的運(yùn)營(yíng)埋下安全隱患，需要對(duì)病害支座進(jìn)行復(fù)位。對(duì)病害支座進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，通過(guò)車橋耦合計(jì)算得到橫向力最大為160 kN，通過(guò)支座仿真計(jì)算，發(fā)生橫向移位需要139 kN的橫向作用力，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉸軸復(fù)位需要190～210 kN的水平力，既解釋了病害發(fā)生的原因，也說(shuō)明了鉸軸復(fù)位的可能性。根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果開發(fā)了一套簡(jiǎn)單易行的鉸軸大剛度橫向自動(dòng)復(fù)位裝置，可根治鉸軸橫向移位病害，并且該裝置在列車運(yùn)營(yíng)時(shí)即可安裝，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)無(wú)影響。

關(guān)鍵詞：搖軸支座； 橫向移位； 自動(dòng)復(fù)位裝置

中圖分類號(hào):U443.362文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Repairment of axial endplay of hinged rocker bearings in railway bridges

JIANGLan-chao1,ZENGJian-yuan1,QIXiang-tian2,ZHANGJing-xue2(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Handan-Jinan Railway Company Limited, Liaocheng 252419, China)

Abstract:Hinged rocker bearings are usually used on railway bridges with a span of 20m ～ 32m. In recent years, hazards appear in some of such bearings used. They cause bearings’ axial endplay or channeling, parts of bearings damage under the action of transversal forces, and safety potential problems are buried to the operation of railway bridges, so these bearings need to be repaired. Here, numerical calculations and tests were conducted for the diseased bearings. It was shown that through vehicle-bridge coupled vibration analysis, the maximum transverse force of the bearing is 160kN and through the finite element simulation, bearings’ axial endplay needs a transverse force of 139kN and through on-site testing, bearings’ axial reset needs a transverse force of 190kN～210kN; all these data explain the cause of hazards occurring and the possibility of bearings’ axial reset. According to the results of calculation and tests, a simple, easy to use axial endplay automatic reset equipment was developed to avoid hazards, and the equipment could be installed when trains running on railways.

Key words:hinged rocker bearing; axial endplay; automatic reset equipment

鉸接搖軸支座(鉸軸支座)[1]是搖軸支座的一種改進(jìn)形式，其優(yōu)點(diǎn)在于支座的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在鉸軸處，使支座的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活。搖軸支座在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生橫向移位，且出現(xiàn)支座無(wú)法正常復(fù)位[2]，主要原因是下擺與支座底板的線形接觸面接觸應(yīng)力過(guò)大，下擺與底板之間由原來(lái)的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榛∶娼佑|所致。此外，該類支座還經(jīng)常發(fā)生活動(dòng)支座下擺與底板之間的銷子被剪斷、上擺與搖軸之間的擺卡被剪斷、錨固螺栓被拔掉及墊石崩裂等病害，如圖1所示，這主要是由于支座承受了超過(guò)設(shè)計(jì)水平的橫向力或縱向力所引起的。

鉸軸橫向移位是鉸接搖軸支座主要的病害之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于支座鉸軸橫向移位病害成因及處理方案的研究較少，對(duì)于支座鉸軸橫向移位這一病害往往采用頂梁法處理，將橋梁頂起，釋放作用在鉸軸上的壓力，再將鉸軸推入的方法復(fù)位。但是，這樣做需要封閉線路，導(dǎo)致列車在一定時(shí)段內(nèi)停運(yùn)，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)橋上線路為無(wú)縫線路時(shí)，按頂梁法復(fù)位鉸軸會(huì)更為復(fù)雜，封閉線路的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。為解決鉸軸病害、不影響列車運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失，有必要開發(fā)設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單易行的鉸軸復(fù)位工裝，達(dá)到徹底根治鉸軸橫向移位病害的目的，形成鐵路搖軸支座鉸軸橫向移位病害處理工法和成果。

圖1　鉸軸軸向移位病害 Fig.1 Axial endplay of hinged rocker bearing

1病害原因分析

1.1理論分析

從搖軸鑄鋼支座的構(gòu)造及受力特點(diǎn)來(lái)看，鉸軸的作用是將支座上擺的力傳給下擺，并使上、下擺可發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。正常情況下鉸軸不會(huì)出現(xiàn)橫向移位現(xiàn)象。但病害事實(shí)表明必然存在橫向的水平外力F(如列車的橫向搖擺力、離心力等)[3]，才會(huì)導(dǎo)致鉸軸克服靜摩阻力，產(chǎn)生橫向的滑動(dòng)移位。水平力F的傳遞路線如圖2所示，首先通過(guò)鉸軸與上擺之間的摩阻力傳遞給鉸軸，進(jìn)而通過(guò)鉸軸與支座底板間的摩阻力傳遞給下部結(jié)構(gòu)。

圖2　支座水平力傳遞路線 Fig.2 The route of horizontal force in bearing

鋼軸對(duì)鑄鋼的靜摩擦系數(shù)通常為0.16～0.18，因此當(dāng)水平橫向力大于豎向壓力的0.18倍時(shí)，鉸軸會(huì)產(chǎn)生橫向移位。一般由于列車荷載較重，水平靜摩阻力也較大，故鉸軸不容易克服靜摩阻力而產(chǎn)生滑動(dòng)移位，但當(dāng)列車車速較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輪重減載現(xiàn)象(地震時(shí)也會(huì)產(chǎn)生上拋運(yùn)動(dòng)，類似減載現(xiàn)象)，水平靜摩阻力將減小，此時(shí)在較大的水平力作用下，鉸軸會(huì)克服靜摩阻力，產(chǎn)生橫向移位。

1.2有限元計(jì)算

(1)車橋耦合計(jì)算

建立車橋耦合動(dòng)力計(jì)算模型。梁跨采用專橋2 059B，為雙片式T型梁布置的型式，T梁高2.8 m，橋面寬3.9 m，兩片梁中心距1.8 m，梁體混凝土標(biāo)號(hào)為C50，橋面線路為有碴軌道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)二期恒載為42 kN/m，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土單柱矩形橋墩，截面尺寸為：縱橋向1.2 m，橫橋向3 m，墩身混凝土標(biāo)號(hào)為C20，如圖3所示。

圖3　簡(jiǎn)支T梁橋布置圖(單位：mm) Fig.3 Layout of simply supported T beam bridge(unit: mm)

車輛為DF4牽引的C62貨車，車輛編組方式為1節(jié)DF4+28節(jié)C62重載貨車,計(jì)算車速為20～60 km/h。一節(jié)DF4機(jī)車車輛全長(zhǎng)23.10 m，一節(jié)C62貨車車輛全長(zhǎng)13.44 m，簡(jiǎn)支T梁跨度32 m，根據(jù)車長(zhǎng)和梁長(zhǎng)，可知一跨梁橫向力的最不利加載工況如圖4。

圖4　簡(jiǎn)支梁承受的水平力示意圖 Fig.4 Horizontal force of simply supported beam

根據(jù)設(shè)計(jì)車速和目前中國(guó)主要干線鐵路養(yǎng)護(hù)水平，采用美國(guó)軌道譜參數(shù)模擬產(chǎn)生軌道軌向、高低、水平不平順樣本，見公式(1)。

(1)

式中，軌道譜S(Ω)的單位為cm2/(rad/m)；Ω為軌道不平順的空間角頻率(rad/m)；k為安全系數(shù)，可根據(jù)對(duì)不平順的要求在0.25～1.0之間選取，一般取0.25；Ωc、Ωs為截?cái)囝l率(rad/m)；Av、Aa為粗糙度常數(shù)(cm2·rad/m)。

美國(guó)軌道譜波長(zhǎng)范圍可達(dá)1.5～300 m，適用面很廣。該軌道譜分為6級(jí)，不同等級(jí)線路采用不同的截?cái)囝l率和不同的粗糙度系數(shù)，所容許的車輛最高安全運(yùn)行速度是不同的，如表1所示。根據(jù)所研究的線路特點(diǎn)和車速范圍，計(jì)算選用美國(guó)軌道3、4級(jí)譜作為系統(tǒng)的自激激勵(lì)源[4-6]。

通過(guò)車橋耦合模型的計(jì)算，可以得到列車在不同行駛速度下，簡(jiǎn)支梁在最不利荷載布置條件下所承受的橫向力，如表2所示。

作用在一跨梁上的輪軸數(shù)目為10，將簡(jiǎn)支梁上的最大橫向力按比例分配到4個(gè)支座上，則可以得到作用在單個(gè)支座上的最大橫向力與最小橫向力。簡(jiǎn)支T梁橋在DF4牽引的C62貨車以不同速度通過(guò)時(shí)，對(duì)車橋動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得出了不同車速(28 km/h、40 km/h、48 km/h、60 km/h)時(shí)，作用在單個(gè)支座上的最大橫向力見表3，車輛的最大動(dòng)力響應(yīng)見表4。

表1　美國(guó)軌道譜參數(shù)

表2　簡(jiǎn)支梁橫向力計(jì)算結(jié)果(kN)

表3　支座在列車通過(guò)時(shí)橫向力的最大、最小值(kN)

表4　橋上車輛最大動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

(2)支座仿真計(jì)算

采用ANSYS有限元通用程序進(jìn)行鑄鋼支座數(shù)值仿真分析，有限元模型如圖5所示。采用兩種單元類型，其中Solid186用于模擬支座實(shí)體(3 448個(gè)單元)，接觸單元Targe170、Conta174用于模擬支座鉸軸(918個(gè)單元)與上、下擺的接觸面(1 364個(gè)單元)。邊界約束條件為支座底板線自由度全部約束。鋼材密度為7 850 kg/m3，并考慮支座自重，而上部結(jié)構(gòu)對(duì)支座的作用力只考慮最不利的情況。根據(jù)車橋耦合動(dòng)力分析的計(jì)算結(jié)果，每個(gè)支座受到的荷載情況為：豎向荷載：N=1 540 kN；最大橫向力：F=160 kN。對(duì)模型施力荷載時(shí)，通過(guò)均布面荷載的方式施加在支座上擺頂面。鋼軸對(duì)鑄鋼的靜摩擦系數(shù)通常為0.16～0.18，計(jì)算時(shí)取0.18。

經(jīng)過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算，僅139kN的作用力，便能夠使支座鉸軸橫向移位。而根據(jù)車橋耦合分析得到的作用于單個(gè)支座的最大橫向力為160 kN，足以致使鉸軸移位。

圖5　支座有限元模型 Fig.5 The finite element model of bearing

1.3試驗(yàn)研究

由于列車運(yùn)行過(guò)程中，輪重減載現(xiàn)象的隨機(jī)性，水平靜摩阻力的大小也是隨機(jī)的。為了了解實(shí)際在支座處需施加多大的橫向回復(fù)力，才可能將支座復(fù)位，現(xiàn)場(chǎng)安裝50 t液壓千斤頂，千斤頂后部安裝應(yīng)變式壓力傳感器，以準(zhǔn)確得到施力的數(shù)值大小?，F(xiàn)場(chǎng)裝置見圖6。在鉸軸位置處布置應(yīng)變式位移傳感器，測(cè)試鉸軸在列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的位置變化。

圖6　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置 Fig.6 The test apparatus on the site

測(cè)試共記錄了三次運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)支座鉸軸位置的變化及頂力的變化情況(初始力由15 t加至18 t，過(guò)車時(shí)均無(wú)復(fù)位反應(yīng)，后加至21 t)。將數(shù)據(jù)繪制成圖，見圖7，可知橫向力大約為19～21 t時(shí)，可使鉸軸逐步復(fù)位。

圖7　頂力與鉸軸位移 Fig.7 Jacking force and displacement

由于車輛荷載的隨機(jī)性，回復(fù)力的大小亦具有一定的隨機(jī)性。

2復(fù)位裝置研制

2.1復(fù)位裝置設(shè)計(jì)構(gòu)思

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試圖設(shè)計(jì)一套自動(dòng)復(fù)位裝置，以期通過(guò)該裝置提供初始橫向力，使病害支座在列車運(yùn)行過(guò)程中，依靠列車的輪重減載，逐步自動(dòng)恢復(fù)到原始設(shè)計(jì)安裝狀態(tài)。試圖通過(guò)彈簧提供初始力，既滿足力的要求，又能滿足變形的要求，即彈簧既有足夠的承載力，又有足夠的剛度，鉸軸恢復(fù)一定的變形后，彈簧仍能提供足夠的橫向回復(fù)力。

對(duì)于裝置的主要構(gòu)件彈簧的選型，主要依據(jù)其提供的剛度大小是否滿足實(shí)際需要。圈簧體積小，但剛度較小，效果較差，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，剛度不能滿足要求，故而將汽車中使用的剛度較大的減振板簧[7]應(yīng)用于裝置的設(shè)計(jì)中。

2.2復(fù)位裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)裝置見圖8。該裝置主要由板簧、槽鋼、箱型鋼、螺桿組成，裝配結(jié)構(gòu)見圖8。所用鋼材為Q235鋼，板簧剛度為10 000 kN/m，變形量25 mm，螺栓直徑為M24，8.8s級(jí)。

將板簧置于槽鋼內(nèi)，后部以一箱型鋼為擋板，槽鋼中間為一突出的圓柱形鋼塊，抵在外竄的鉸軸上。裝置另一端為一槽型鋼，與螺桿②連接形成整體，提供約束作用。

圖8　裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.8 The structure of the device

2.3工作原理

板簧加工后，先在工廠對(duì)其施以250 kN的預(yù)壓力(此數(shù)值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算得到)。除螺桿②外，其他構(gòu)件均在加工廠安裝?，F(xiàn)場(chǎng)將裝置固定在支座上后，卸去螺桿①，則力傳至裝置內(nèi)?？紤]到力在傳遞過(guò)程中可能存在的損失，也可對(duì)板簧施以稍大于250 kN的力。在多次列車通過(guò)后，由于列車減載作用及板簧的推力，橫向移位的鉸軸可逐步被推回至原位。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將該裝置安裝于實(shí)際支座處(該支座移位達(dá)10 mm)，如圖9所示。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的時(shí)間，在列車振動(dòng)作用下，該支座移位已回復(fù)4mm，說(shuō)明該裝置的效果比較明顯。為了提供較大的回復(fù)力，可施擰螺栓，使內(nèi)力再次增大至初始值，以便剩余移位逐步回復(fù)。

圖9　復(fù)位裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖 Fig.9 On-site installation of the device

4結(jié)論

(1)列車車速較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輪重減載現(xiàn)象，鉸軸與上下擺之間的水平靜摩阻力減小，此時(shí)在較大的水平力作用下，鉸軸會(huì)克服靜摩阻力，產(chǎn)生橫向移位。

(2)通過(guò)車橋耦合計(jì)算得到支座處橫向力最大為160 kN，通過(guò)支座仿真計(jì)算，橫向作用力只要達(dá)到139 kN，鉸軸就會(huì)發(fā)生橫向移位，前者大于后者，可解釋鉸軸發(fā)生橫向移位的原因。

(3)剛度為10 000 kN/m的板簧既有足夠的承載力，又有足夠的剛度，即鉸軸恢復(fù)一定的變形后，彈簧仍能提供足夠的橫向力。

(4)配置板簧的鉸接搖軸支座大剛度橫向自動(dòng)復(fù)位裝置可用于根治鉸軸橫向移位的病害，其研制與使用不僅可以減少傳統(tǒng)治理工法所造成的經(jīng)濟(jì)損失，而且安裝方便，不影響鐵路運(yùn)營(yíng)，創(chuàng)造性地解決了鐵路橋梁鉸接搖軸支座存在的突出病害，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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