夏朝國，黃志輝

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，國家電力設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，形成了龐大的輸電網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，國家鐵路建設(shè)也取得了非凡的成就[1]。在電網(wǎng)建設(shè)過程中，高壓輸電線跨越鐵路的現(xiàn)象屢有發(fā)生。根據(jù)《中華人民共和國鐵路法》，跨越鐵路的施工須經(jīng)過相關(guān)鐵路部門的批準(zhǔn)，且須具有安全防護(hù)措施。目前常采用的防護(hù)方法工期長，人工參與過多，安全性和可靠性得不到保障?？缭杰壍腊踩雷o(hù)裝備的研發(fā)是為了高效、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)跨線施工防護(hù)工作，而防護(hù)裝備的穩(wěn)定性則是首先需要被考慮的。

1 跨越軌道安全防護(hù)裝備簡介

安全防護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。防護(hù)裝置由兩套相同的機(jī)構(gòu)及中間的柔性防護(hù)網(wǎng)組成。每套機(jī)構(gòu)均由底座、回轉(zhuǎn)盤、主塔、橫梁、副塔驅(qū)動架、副塔構(gòu)成。

1—底座；2—回轉(zhuǎn)盤；3—主塔起豎油缸；4—主塔；5—橫梁起豎油缸；6—橫梁； 7—柔性防護(hù)網(wǎng)；8—副塔驅(qū)動架；9—副塔變幅油缸；10—副塔。圖1 整體結(jié)構(gòu)

2 跨越軌道安全防護(hù)裝備搭建流程

防護(hù)裝備搭建流程如圖2所示。防護(hù)裝備由運(yùn)輸車輛運(yùn)到現(xiàn)場，待地面平整完成后，防護(hù)裝備在液壓系統(tǒng)的輔助下自卸下車，然后由人工對防護(hù)裝備進(jìn)行前期整備。整備內(nèi)容包括：拉伸橫梁、掛網(wǎng)、加長副塔。整備完成后的安全防護(hù)裝備如圖1(a)所示。防護(hù)裝備的搭建流程如下：控制主塔和橫梁的液壓油缸，同步起升主塔和橫梁。主塔在主塔起豎油缸的作用下緩慢豎起；橫梁則在橫梁起升油缸的作用下始終和底面保持平行，直到主塔完全豎起，如圖2(b)所示。當(dāng)天窗送達(dá)后，在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的驅(qū)動下，防護(hù)裝備旋轉(zhuǎn)跨越鐵路，如圖2(c)所示。副塔在副塔變幅油缸的驅(qū)動下緩慢豎起，直至與地面垂直，如圖2(d)所示。在副塔驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下，副塔緩慢下落，直到與底面接觸，如圖2(e)所示。最終由人工完成展網(wǎng)及張拉纜風(fēng)繩工作。至此防護(hù)裝備搭建完成，如圖2(f)所示。

圖2 防護(hù)裝備搭建流程

3 跨越防護(hù)裝備的穩(wěn)定性計(jì)算

防護(hù)裝備的工作地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，搭建過程中需要橫跨鐵路，倘若整體穩(wěn)定性較差，可能引發(fā)鐵路重大安全事故，給鐵路運(yùn)輸行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此校核防護(hù)裝備的穩(wěn)定性，并計(jì)算出使防護(hù)裝備安全工作的配重尤為重要。

采用力矩法對防護(hù)裝備的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。載荷及安全系數(shù)的確定參考GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。

a)風(fēng)載及防護(hù)網(wǎng)拉力計(jì)算

1)定義機(jī)構(gòu)的受風(fēng)面

因機(jī)構(gòu)由不同部分組成，且每個(gè)部分都有不同的受風(fēng)面，所以為了方便計(jì)算，先定義機(jī)構(gòu)各受風(fēng)面的名稱，如圖3所示。

1—底座與z軸垂直的面；2—底座與x軸垂直的面；3—底座與y軸垂直的面；4—主塔正面(下)；5—主塔側(cè)面；6—主塔正面(上)；7—橫梁側(cè)面；8—橫梁底面；9—副塔側(cè)面；10—副塔端面。圖3 機(jī)構(gòu)各受風(fēng)面標(biāo)示圖

2) 風(fēng)載計(jì)算

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)風(fēng)向與桁架結(jié)構(gòu)受風(fēng)面垂直時(shí)，風(fēng)載計(jì)算公式為：

PW=C×p×A

(1)

式中：PW為作用在迎風(fēng)面的風(fēng)載，kN；C為風(fēng)力系數(shù)，根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，直邊型鋼桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)取1.7；防護(hù)網(wǎng)由圓柱形迪尼瑪繩編織而成，且繩子的長度比上繩子的直徑>50，所以防護(hù)網(wǎng)的風(fēng)力系數(shù)取1.1；p為計(jì)算風(fēng)壓，6級風(fēng)風(fēng)壓為0.25 kN/m2；A為垂直于風(fēng)載方向的實(shí)體迎風(fēng)面積，m2。

若受風(fēng)面為兩片式結(jié)構(gòu)時(shí)，則實(shí)際受風(fēng)面積計(jì)算公式為

A=(1+η)×A1

(2)

式中：A為結(jié)構(gòu)的總迎風(fēng)面積，m2；A1為第1片結(jié)構(gòu)的實(shí)際受風(fēng)面積，m2；η為擋風(fēng)折減系數(shù)，由結(jié)構(gòu)充實(shí)率和間隔比查表獲得。

在三維軟件中測算出防護(hù)裝備各受風(fēng)面風(fēng)載所需要的參數(shù)。將各個(gè)面的風(fēng)載計(jì)算參數(shù)帶入風(fēng)載計(jì)算公式中得：主塔正面風(fēng)載fzz=3.54kN、主塔側(cè)面風(fēng)載fzc=3.54kN、橫梁底面風(fēng)載fhd=4.05kN、橫梁側(cè)面風(fēng)載fhc=4.94kN；副塔側(cè)面風(fēng)載ffc=2.33kN、副塔端面風(fēng)載ffd=0.31kN；底座受x軸方向風(fēng)的風(fēng)載fdx=3.33kN、底座受y軸方向風(fēng)的風(fēng)載fdy=3.98kN；底座受z軸方向風(fēng)的風(fēng)載fdz=2.51kN；防護(hù)網(wǎng)完全展開時(shí)的風(fēng)載fw=4.39kN。

3)防護(hù)網(wǎng)拉力的等效計(jì)算

防護(hù)網(wǎng)完全展開時(shí)，其長度方向和寬度方向各有37根繩子。由于防護(hù)網(wǎng)的受力復(fù)雜，現(xiàn)將防護(hù)網(wǎng)等效為單根繩子，等效后的繩子彈性模量不變，為4.22×104MPa，橫截面積為74根迪尼瑪繩的橫截面積之和，即A1=83.62×10-4m2。將繩子的弧線近似看為圓弧，根據(jù)最大弧垂為2.5m，跨距為18m，可得出繩子原長l=18.91m。

對單根繩子進(jìn)行受力分析，設(shè)繩子的一半變形為l1，其受力分析如圖4所示。

圖4 防護(hù)網(wǎng)等效模型受力分析圖

對圖中O點(diǎn)列力平衡方程：

∑Fx=0.2×F1×sina=F

(3)

繩子的變形量和幾何變形條件：

聯(lián)立方程可解出繩子在受不同載荷時(shí)對兩邊橫梁的拉力F1。防護(hù)網(wǎng)只受自重時(shí)，F(xiàn)=1.96kN，解出：F1=3.16kN。防護(hù)網(wǎng)受6級風(fēng)風(fēng)載，F(xiàn)=2.45kN，解出：F1=3.95kN。防護(hù)網(wǎng)受與網(wǎng)面夾角為45°的6級風(fēng)作用時(shí)，F(xiàn)=2.20kN，解出F1=3.55kN。3種不同力作用下，繩子與水平位置的夾角相差非常小，所以認(rèn)為它們相等，為18.06°。

4)安全系數(shù)確定

三維模型中測出的質(zhì)量并不包括焊縫，為了更準(zhǔn)確地校核防護(hù)裝備穩(wěn)定性，取質(zhì)量放大系數(shù)n1=1.1。防護(hù)裝備搭建過程中，起升動載系數(shù)n=1.15。

b)穩(wěn)定性計(jì)算工況分析

穩(wěn)定性危險(xiǎn)工況主要出現(xiàn)在搭建過程中，當(dāng)副塔完全起豎后，傾翻力矩達(dá)到最大，防護(hù)裝備的危險(xiǎn)工況有：風(fēng)向與y-相同、風(fēng)向與x-相同、風(fēng)向與z+相同、風(fēng)向平行于xOy面且與y軸夾角為45°。

c)穩(wěn)定性計(jì)算

穩(wěn)定性計(jì)算的坐標(biāo)系定義為：坐標(biāo)原點(diǎn)位于回轉(zhuǎn)中心線與底座下蓋板下表面交點(diǎn)處；x軸和z軸與地面平行，方向如圖5所示；y軸垂直于xOz面，方向由右手定則確定。

圖5 坐標(biāo)系標(biāo)示圖

將質(zhì)心在四條支腿之間的部分(底座、回轉(zhuǎn)盤、主塔、主塔起豎油缸、橫梁起豎油缸)質(zhì)量記為G1，G1=162.86 kN。質(zhì)心在支腿之外的部分(橫梁、副塔變幅油缸、副塔驅(qū)動架、副塔驅(qū)動電機(jī)、副塔)質(zhì)量記為G2，G2=39.17 kN。副塔起豎后機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 副塔起豎后機(jī)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算參數(shù) 單位：m

4種危險(xiǎn)工況的風(fēng)載示意如圖6所示。

圖6 危險(xiǎn)工況風(fēng)載示意圖

風(fēng)向與y-同向時(shí)，機(jī)構(gòu)受風(fēng)載示意圖如圖6(a)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)有繞AC軸順時(shí)針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況1的安全系數(shù)k與配重之間的函數(shù)關(guān)系式：

(3)

風(fēng)向與x-同向時(shí)，機(jī)構(gòu)受風(fēng)載示意圖如圖6(b)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)有繞AC軸順時(shí)針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況2的安全系數(shù)k與配重之間的函數(shù)關(guān)系式：

(4)

風(fēng)向平行于xOy面且與y軸夾角為45°時(shí)，機(jī)構(gòu)受風(fēng)載示意圖如圖6(c)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)有繞AC軸順時(shí)針傾翻的可能。對AC軸取矩，得出工況3的安全系數(shù)k與配重之間的函數(shù)關(guān)系式：

k=

(5)

風(fēng)向與z+同向時(shí)，機(jī)構(gòu)受風(fēng)載示意圖如圖6(d)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)有繞AB軸順時(shí)針傾翻的可能。對AB軸取矩，得出工況4的安全系數(shù)k與配重之間的函數(shù)關(guān)系式：

(6)

將機(jī)構(gòu)各參數(shù)帶入安全系數(shù)與配重的函數(shù)關(guān)系式中，利用得到的函數(shù)關(guān)系式畫出工況1-工況4的穩(wěn)定安全系數(shù)k與配重P的函數(shù)關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)定安全系數(shù)與配重函數(shù)關(guān)系圖

如圖7可以看出，配重與穩(wěn)定安全系數(shù)呈線性關(guān)系。當(dāng)配重質(zhì)量在0～30 kN范圍變化時(shí)，工況1-工況4的穩(wěn)定安全系數(shù)分別位于1.5～2.06、1.33～1.84、3.50～3.98、1.41～1.95之間。所以，不配重時(shí)最小穩(wěn)定安全系數(shù)為工況2的1.33。根據(jù)起重機(jī)規(guī)范可知，穩(wěn)定安全系數(shù)需>1.11，說明防護(hù)裝備的穩(wěn)定性符合要求。但由于防護(hù)裝備是新開發(fā)的工程機(jī)械，沒有現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)，為了防止一些現(xiàn)場未知因素對防護(hù)裝備的穩(wěn)定性造成影響，決定添加2 t配重。配重2 t后最小穩(wěn)定安全系數(shù)提升到1.65。

4 底座有限元分析

通過穩(wěn)定性分析可知：機(jī)構(gòu)在工況2時(shí)，傾翻力矩最大。對工況2底座以上部分進(jìn)行有限元分析，得到底座以上部分對底座的支反力和支反力矩。將支反力和支反力矩施加到底座上，可求出并判斷工況2時(shí)底座的強(qiáng)度是否合格，會不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象；其次可通過支腿與地面的支反力來判斷此時(shí)支腿是否離地，即從有限元分析的角度再次驗(yàn)證防護(hù)裝備的穩(wěn)定性是否符合要求。

4.1 底座有限元模型

底座由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)以SHELL181單元進(jìn)行離散，而對于球形鉸支座、回轉(zhuǎn)支承，則采用SOLID185單元[4]。銷軸連接以rbe2和BEAM188單元模擬[5]。模型中共有196 040個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)197 163個(gè)。為了方便描述，為底座支腿編號。底座有限元模型如圖8所示。

圖8 底座有限元模型

4.2 底座材料屬性

底座材料屬性參數(shù)如表2所示。有風(fēng)工況的強(qiáng)度安全系數(shù)取1.34。

表2 材料屬性表

4.3 載荷、約束的施加

1)載荷的施加

底座以上結(jié)構(gòu)對底座產(chǎn)生的力和力矩如表3所示。將底座回轉(zhuǎn)支承上表面所有節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動自由度耦合到回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的輔助質(zhì)量單元上，將支反力和支反力矩施加于質(zhì)量單元上。

表3 底座載荷數(shù)據(jù)

2) 約束的施加

將每條支腿底面的所有節(jié)點(diǎn)耦合于各自底面的中心點(diǎn)處，在中心點(diǎn)施加約束。底座的約束為1、2、3、4號支腿底面中心點(diǎn)的3個(gè)平動自由度[6]。

4.4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

1) 底座強(qiáng)度分析

底座應(yīng)力云圖如圖9所示。最大應(yīng)力點(diǎn)在銷軸與銷孔連接處，最大應(yīng)力值為228.05MPa，小于材料許用應(yīng)力。底座強(qiáng)度合格，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)。

圖9 底座應(yīng)力云圖

2) 底座穩(wěn)定性分析

機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)?shù)鬃芰^為均勻時(shí)，4條支腿均受地面的壓力。當(dāng)?shù)鬃芰Σ痪鶆驎r(shí)，則可能是3條支腿受力，1條支腿懸空，此時(shí)應(yīng)該釋放懸空支腿的約束，重新進(jìn)行計(jì)算[7-8]。如果傾翻力矩過大，會發(fā)生傾翻，有限元計(jì)算結(jié)果為2條支腿受地面壓力，另外2條支腿受地面拉力。

底座4條支腿的支反力如表4所示。1、2、3、4號支腿的y向支反力均為壓力，說明工況2的4條支腿均與地面接觸，未出現(xiàn)支腿懸空狀況，證明底座不會傾翻，也驗(yàn)證了穩(wěn)定性計(jì)算的正確性。

表4 底座支腿支反力數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

1) 利用力矩法對防護(hù)裝備穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明跨越軌道安全防護(hù)裝備整體穩(wěn)定性符合要求。

2) 對底座強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，底座強(qiáng)度合格，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)而導(dǎo)致整體失穩(wěn)的情況。

3)分析底座的支反力，得出防護(hù)裝備在最大傾翻力矩工況支腿不會離地的結(jié)論，再次驗(yàn)證了防護(hù)裝備的穩(wěn)定性。