西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031

0 引言

中低速磁懸浮列車以其環(huán)保、安全性高、爬坡能力強(qiáng)、建設(shè)和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為未來城市軌道交通的重要方式。為了完善中低速磁浮交通的系統(tǒng)性，需要配備用于車輛吊裝復(fù)位、事故救援的救援設(shè)備。

目前，對(duì)中低速磁懸浮交通工程車的研究主要在磁浮維護(hù)牽引車領(lǐng)域。磁浮維護(hù)牽引車具有調(diào)車、設(shè)施設(shè)備檢測(cè)和維修等重要作用。鄧贊[1]針對(duì)長(zhǎng)沙磁浮線的線路特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種磁浮維護(hù)牽引車轉(zhuǎn)向架，并對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和疲勞壽命分析。楊穎[2]等人對(duì)中低速磁浮維護(hù)牽引車構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了構(gòu)架設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了優(yōu)化減重。當(dāng)磁懸浮車輛發(fā)生重大事故，無法由牽引車送往維修站點(diǎn)時(shí)，需要具有起吊能力的救援設(shè)備將磁浮車輛調(diào)離軌道以保證線路的通暢。傳統(tǒng)鐵路系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵路起重機(jī)進(jìn)行了大量的研究。許善超[3]等人介紹了160 t伸縮式鐵路起重機(jī)轉(zhuǎn)向架的主要性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)，并對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)均滿足要求。Yang Di[4]等人完成了160 t雙回轉(zhuǎn)鐵路起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和柔性配重的參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)分析，并通過有限元分析軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)各部件的厚度進(jìn)行了優(yōu)化。

目前,對(duì)應(yīng)用于中低速磁懸浮交通的起吊型救援設(shè)備的研究還很少。結(jié)合中低速磁懸浮軌道特點(diǎn)，確定了救援設(shè)備轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，并在軌道強(qiáng)度限制條件下得出了救援設(shè)備的起重特性，為后續(xù)中低速磁懸浮交通救援設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒作用。

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案及支承力計(jì)算

1.1 轉(zhuǎn)向架形式方案

中低速磁懸浮的線路架設(shè)于混凝土橋墩之上，線路距離地面位置較高，且橋面寬度較窄。因此，要求救援設(shè)備需在磁浮軌道上實(shí)施救援，且無法采用支腿作業(yè)。

為了確保救援設(shè)備具有足夠的抗傾翻穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種救援設(shè)備的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案。救援設(shè)備采用具有救援能力大、救援功能不受線路影響等特點(diǎn)的輪軌接觸式走行方案[5]。為保證救援設(shè)備具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性和過彎能力，轉(zhuǎn)向架上設(shè)置有安全輪和導(dǎo)向輪。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 考慮伸縮配重下的支承反力計(jì)算

為了提高救援設(shè)備的抗傾覆穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)省空間，救援設(shè)備采用了伸縮式配重形式[6]。伸縮配重可改善行走輪和安全輪的輪壓分配，進(jìn)而改善F型導(dǎo)軌的受力情況，提高救援設(shè)備的起重能力。

救援設(shè)備支承裝置所受的垂直反作用力稱為支承反力。計(jì)算支承反力后可進(jìn)一步計(jì)算行走輪和安全輪的輪壓，根據(jù)輪壓值可驗(yàn)算中低速磁懸浮軌道的承載能力。根據(jù)救援設(shè)備使用要求，底盤采用兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上有兩對(duì)輪對(duì)。故救援設(shè)備的支承裝置為四點(diǎn)支承式。四支點(diǎn)式支承反力的計(jì)算屬于一次超靜定問題，精確求解十分困難，可將車架假設(shè)為絕對(duì)剛體，利用力矩法近似求解[7]。

在圖2中，假設(shè)救援設(shè)備由A、B、C、D四點(diǎn)支承。下車重力為G1，重心在支承面上的投影與支承平面的形心重合于O1。吊重為Gh，作用點(diǎn)在支承面的投影為點(diǎn)J。吊臂重力為Gb，重心在支承面上的投影為點(diǎn)E，到O1的距離為e。伸縮配重的重力為Gp，在支承面的投影為點(diǎn)F，旋轉(zhuǎn)中心為O1，臂架平面與x軸的夾角為φ，l為輪距，b為輪距。

將Gh、Gb和Gp的作用點(diǎn)移到對(duì)稱中心O1處，同時(shí)需附加相應(yīng)的力矩M，M可進(jìn)一步分解為Mx和My，即

式中：θ為吊臂與水平面的夾角，L為吊臂的長(zhǎng)度。

將吊臂的重心簡(jiǎn)化在吊臂中心位置，則e可按下式計(jì)算

總垂直載荷為

各個(gè)支承點(diǎn)的力為

1.3 軌道強(qiáng)度限制

F型軌道是救援設(shè)備自重及其他外載荷的直接受力構(gòu)件。為了防止救援設(shè)備超載，對(duì)F型軌道造成破壞，需要求出F型軌道所能承受的最大輪壓。在相鄰軌枕的F型軌道中間部位施加單個(gè)集中力，在保證F型軌道強(qiáng)度的前提下，逐步試算最大集中力。

圖3是集中力為7.84×104N時(shí)軌排的應(yīng)力等直線圖。軌排最大應(yīng)力為295.62 MPa，最大應(yīng)力位于軌枕與F型鋼軌接觸區(qū)域的邊界處。軌排結(jié)構(gòu)只在極小范圍的高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，其他區(qū)域的應(yīng)力值均在180 MPa以下。所以，救援設(shè)備單個(gè)輪壓的極限值為7.84×104N。由于單個(gè)支承點(diǎn)處的支承力由轉(zhuǎn)向架同側(cè)的兩個(gè)行走輪或安全輪平均承擔(dān)，故單個(gè)支承點(diǎn)的支承力的極限值為（-1.57～1.57）×105N。

2 起重特性研究

2.1 救援設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

救援設(shè)備的起重特性是指導(dǎo)救援設(shè)備安全作業(yè)和事故分析的重要依據(jù)[8]。本文從滿足軌道強(qiáng)度的角度研究救援設(shè)備的起重特性，具體參數(shù)取值見表1。

表1 救援設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 銘牌起重能力

360°回轉(zhuǎn)下的最大起重能力是救援設(shè)備最基本的起重性能，一般也是銘牌上標(biāo)注的起重性能[9]。參照相關(guān)磁浮工程車結(jié)構(gòu)參數(shù)并結(jié)合中低速磁懸浮軌道尺寸，取Lp為4 m，L與cosθ的乘積定義為幅度R（2 m≤R≤18 m），求解在吊臂360°全回轉(zhuǎn)的過程中，滿足4個(gè)支承點(diǎn)處支承力大小均在限定范圍內(nèi)的最大起重力矩。

圖4為吊臂360°全回轉(zhuǎn)在4個(gè)支承點(diǎn)處支承力滿足限定范圍條件下幅度與該幅度下最大起重量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，當(dāng)幅度為2 m時(shí)，最大起重量為15.06 t。隨著幅度的增大，該幅度下最大起重量逐漸減小。當(dāng)幅度達(dá)到最大值18 m時(shí)，最大起重量為0.67 t。

將幅度與該幅度下的最大起重量相乘，即可得到全回轉(zhuǎn)條件下的最大起重力矩。如圖5所示，當(dāng)幅度為3.6 m時(shí)，最大起重力矩為31.8 t · m。

2.3 順軌起重性能

圖6為救援設(shè)備順軌方向±30°范圍內(nèi)的起重性能曲線。從圖中可以看出，幅度為2 m時(shí)的起重量為16.2 t。隨著幅度的增大，該幅度下的最大起重量逐漸減小。當(dāng)幅度為18 m時(shí)，最大起重量為1 t。

2.4 支承力與變參數(shù)關(guān)系研究

支承點(diǎn)的受力受到L、θ、φ、Gh、Lp的共同影響。由于影響因素較多，不便于直接研究支承力與變參數(shù)之間的關(guān)系。現(xiàn)將θ定為65°，φ定為90°，Lp定為4 m，以便研究支承力與L和Gh的關(guān)系。

根據(jù)支承面的對(duì)稱性，畫出了支承點(diǎn)A和D的受力情況。從圖7a可以看出，支承點(diǎn)A處的受力整體上隨L和Gh的增加而變大，圖形上部是缺失的，說明缺失部位對(duì)應(yīng)的Gh和L的組合導(dǎo)致支承點(diǎn)A處受力超過了限定范圍。當(dāng)L小于4.9 m時(shí)，Gh可達(dá)到最大值1.96×105N。圖7b圖形沒有缺失，在Gh接近1.96×105N且L接近18 m時(shí)，支承點(diǎn)處的受力大小為負(fù)值，并接近極限值，說明此時(shí)D處的行走輪已與F型軌道分離，安全輪與F型軌道接觸并且安全輪對(duì)F型軌道的壓力即將使F型軌道發(fā)生破壞。

將θ定為65°，φ定為0°，L定為14 m，以便研究支承力與Gh和Lp的關(guān)系。根據(jù)支承面的對(duì)稱性，只畫出了支承點(diǎn)A和B的受力情況。在圖8a中，圖形下部有缺失，說明Gh大于1.75×105N時(shí)無法選取適當(dāng)?shù)腖p使A點(diǎn)的支承力滿足限定條件。在圖8b中，圖形上部有缺失。當(dāng)Gh大于5.14×104 N時(shí)，無法選取適當(dāng)?shù)腖p使B點(diǎn)的支承力滿足限定條件。綜合考慮支承點(diǎn)A和B的受力情況，在θ為65°、φ為0°、L為14 m的工況下，Gh應(yīng)小于5.14×104N。

將θ定為45°，Lp定為4 m，L定為12 m，以便研究支承力與Gh和φ的關(guān)系。從圖9a整體看，圖形下部和上部均有缺失。沿平行于偏擺角坐標(biāo)軸方向，當(dāng)Gh小于3.15×104N時(shí)，圖像完整，說明當(dāng)Gh小于3.15×104N時(shí)吊臂進(jìn)行360°全回轉(zhuǎn)，支承點(diǎn)A處的支承力大小都滿足限定條件。當(dāng)Gh大于3.15×104N時(shí)，在部分偏擺角下，A處支承力的大小不滿足限定條件。沿平行于吊重坐標(biāo)軸方向，當(dāng)φ處于42°～75°和252°～285°時(shí)，圖像是完整的，說明只在這兩個(gè)角度范圍內(nèi)Gh才可取到最大值。圖9b～圖9d的圖形只是圖9a關(guān)于沿偏擺角滯后或超前一定的角度形成的，不再敘述。

將φ定為90°，Lp定為4 m，L定為16 m，以便研究支承力與Gh和θ的關(guān)系。根據(jù)支承面的對(duì)稱關(guān)系，只畫出支承點(diǎn)A和D的受力情況。在圖10a中，圖形上部缺失。隨著吊臂仰角的增大，該仰角下的最大起重量也在增大。當(dāng)?shù)醣垩鼋菫?5°時(shí)，Gh最大可取8.6×104N。當(dāng)?shù)醣垩鼋菫?°時(shí)，Gh最大可取3.4×104N。在圖10b中，圖形下部有缺失。當(dāng)?shù)醣垩鼋谴笥?7°時(shí)，Gh最大可取1.96×105N。當(dāng)?shù)醣垩鼋菫?°時(shí)，Gh最大可取1.69×105N。綜合考慮支承點(diǎn)A和D的受力，當(dāng)φ為90°、Lp為4 m、L為16 m時(shí)，某個(gè)臂架仰角下的最大起重量主要受到支承點(diǎn)A處的軌道強(qiáng)度限制。

2.5 銘牌起重性能有限元驗(yàn)算

在幅度為3.6 m、起重量為8.8 t的工況下，驗(yàn)算磁懸浮軌排結(jié)構(gòu)在臂架360°回轉(zhuǎn)過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用Solid 186實(shí)體單元對(duì)車軌耦合有限元模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，并對(duì)車輪與F型軌道接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11所示。為了模擬剛性車架，將車架材料的彈性模量取2.1×1014Pa。在車架回轉(zhuǎn)支承圈上表面施加總集中載荷和附加扭矩，F(xiàn)型軌道有限元計(jì)算結(jié)果如圖12所示。在各偏擺角下F型軌道的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，且在偏擺角為270°時(shí)，F(xiàn)型軌道的最大應(yīng)力最小，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

3 總結(jié)

本文結(jié)合中低速磁懸浮的軌道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于中低速磁懸浮列車救援的、具有較好抗傾覆能力的救援設(shè)備的轉(zhuǎn)向架方案。求解了軌道支承力的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)軌道強(qiáng)度限制，計(jì)算了救援設(shè)備單個(gè)支承點(diǎn)處的支承力的取值范圍。繪制了救援設(shè)備的銘牌起重特性曲線和順軌方向起重性能曲線，研究了支承力和吊重分別與吊臂長(zhǎng)度、配重伸出長(zhǎng)度、偏擺角以及吊臂仰角的關(guān)系。最后驗(yàn)證了救援設(shè)備銘牌起重性能下F型軌道的強(qiáng)度。為中低速磁懸浮交通相關(guān)工程設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。