跨越轨道安全防护装置稳定性分析

夏朝国，黄志辉

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，国家电力设施建设高速发展，形成了庞大的输电网络。与此同时，国家铁路建设也取得了非凡的成就[1]。在电网建设过程中，高压输电线跨越铁路的现象屡有发生。根据《中华人民共和国铁路法》，跨越铁路的施工须经过相关铁路部门的批准，且须具有安全防护措施。目前常采用的防护方法工期长，人工参与过多，安全性和可靠性得不到保障。跨越轨道安全防护装备的研发是为了高效、安全、可靠地实现跨线施工防护工作，而防护装备的稳定性则是首先需要被考虑的。

1 跨越轨道安全防护装备简介

安全防护装置整体结构如图1所示。防护装置由两套相同的机构及中间的柔性防护网组成。每套机构均由底座、回转盘、主塔、横梁、副塔驱动架、副塔构成。

1—底座；2—回转盘；3—主塔起竖油缸；4—主塔；5—横梁起竖油缸；6—横梁； 7—柔性防护网；8—副塔驱动架；9—副塔变幅油缸；10—副塔。图1 整体结构

2 跨越轨道安全防护装备搭建流程

防护装备搭建流程如图2所示。防护装备由运输车辆运到现场，待地面平整完成后，防护装备在液压系统的辅助下自卸下车，然后由人工对防护装备进行前期整备。整备内容包括：拉伸横梁、挂网、加长副塔。整备完成后的安全防护装备如图1(a)所示。防护装备的搭建流程如下：控制主塔和横梁的液压油缸，同步起升主塔和横梁。主塔在主塔起竖油缸的作用下缓慢竖起；横梁则在横梁起升油缸的作用下始终和底面保持平行，直到主塔完全竖起，如图2(b)所示。当天窗送达后，在回转系统的驱动下，防护装备旋转跨越铁路，如图2(c)所示。副塔在副塔变幅油缸的驱动下缓慢竖起，直至与地面垂直，如图2(d)所示。在副塔驱动电机的驱动下，副塔缓慢下落，直到与底面接触，如图2(e)所示。最终由人工完成展网及张拉缆风绳工作。至此防护装备搭建完成，如图2(f)所示。

图2 防护装备搭建流程

3 跨越防护装备的稳定性计算

防护装备的工作地形复杂、环境恶劣，搭建过程中需要横跨铁路，倘若整体稳定性较差，可能引发铁路重大安全事故，给铁路运输行业造成巨大的经济损失。因此校核防护装备的稳定性，并计算出使防护装备安全工作的配重尤为重要。

采用力矩法对防护装备的稳定性进行校核。载荷及安全系数的确定参考GB/T 3811-2008《起重机设计规范》[2]。

a)风载及防护网拉力计算

1)定义机构的受风面

因机构由不同部分组成，且每个部分都有不同的受风面，所以为了方便计算，先定义机构各受风面的名称，如图3所示。

1—底座与z轴垂直的面；2—底座与x轴垂直的面；3—底座与y轴垂直的面；4—主塔正面(下)；5—主塔侧面；6—主塔正面(上)；7—横梁侧面；8—横梁底面；9—副塔侧面；10—副塔端面。图3 机构各受风面标示图

2) 风载计算

根据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》，当风向与桁架结构受风面垂直时，风载计算公式为：

PW=C×p×A

(1)

式中：PW为作用在迎风面的风载，kN；C为风力系数，根据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》，直边型钢桁架结构风力系数取1.7；防护网由圆柱形迪尼玛绳编织而成，且绳子的长度比上绳子的直径>50，所以防护网的风力系数取1.1；p为计算风压，6级风风压为0.25 kN/m2；A为垂直于风载方向的实体迎风面积，m2。

若受风面为两片式结构时，则实际受风面积计算公式为

A=(1+η)×A1

(2)

式中：A为结构的总迎风面积，m2；A1为第1片结构的实际受风面积，m2；η为挡风折减系数，由结构充实率和间隔比查表获得。

在三维软件中测算出防护装备各受风面风载所需要的参数。将各个面的风载计算参数带入风载计算公式中得：主塔正面风载fzz=3.54kN、主塔侧面风载fzc=3.54kN、横梁底面风载fhd=4.05kN、横梁侧面风载fhc=4.94kN；副塔侧面风载ffc=2.33kN、副塔端面风载ffd=0.31kN；底座受x轴方向风的风载fdx=3.33kN、底座受y轴方向风的风载fdy=3.98kN；底座受z轴方向风的风载fdz=2.51kN；防护网完全展开时的风载fw=4.39kN。

3)防护网拉力的等效计算

防护网完全展开时，其长度方向和宽度方向各有37根绳子。由于防护网的受力复杂，现将防护网等效为单根绳子，等效后的绳子弹性模量不变，为4.22×104MPa，横截面积为74根迪尼玛绳的横截面积之和，即A1=83.62×10-4m2。将绳子的弧线近似看为圆弧，根据最大弧垂为2.5m，跨距为18m，可得出绳子原长l=18.91m。

对单根绳子进行受力分析，设绳子的一半变形为l1，其受力分析如图4所示。

图4 防护网等效模型受力分析图

对图中O点列力平衡方程：

∑Fx=0.2×F1×sina=F

(3)

绳子的变形量和几何变形条件：

联立方程可解出绳子在受不同载荷时对两边横梁的拉力F1。防护网只受自重时，F=1.96kN，解出：F1=3.16kN。防护网受6级风风载，F=2.45kN，解出：F1=3.95kN。防护网受与网面夹角为45°的6级风作用时，F=2.20kN，解出F1=3.55kN。3种不同力作用下，绳子与水平位置的夹角相差非常小，所以认为它们相等，为18.06°。

4)安全系数确定

三维模型中测出的质量并不包括焊缝，为了更准确地校核防护装备稳定性，取质量放大系数n1=1.1。防护装备搭建过程中，起升动载系数n=1.15。

b)稳定性计算工况分析

稳定性危险工况主要出现在搭建过程中，当副塔完全起竖后，倾翻力矩达到最大，防护装备的危险工况有：风向与y-相同、风向与x-相同、风向与z+相同、风向平行于xOy面且与y轴夹角为45°。

c)稳定性计算

稳定性计算的坐标系定义为：坐标原点位于回转中心线与底座下盖板下表面交点处；x轴和z轴与地面平行，方向如图5所示；y轴垂直于xOz面，方向由右手定则确定。

图5 坐标系标示图

将质心在四条支腿之间的部分(底座、回转盘、主塔、主塔起竖油缸、横梁起竖油缸)质量记为G1，G1=162.86 kN。质心在支腿之外的部分(横梁、副塔变幅油缸、副塔驱动架、副塔驱动电机、副塔)质量记为G2，G2=39.17 kN。副塔起竖后机构稳定性计算参数如表1所示。

表1 副塔起竖后机构稳定计算参数 单位：m

4种危险工况的风载示意如图6所示。

图6 危险工况风载示意图

风向与y-同向时，机构受风载示意图如图6(a)所示。此时机构有绕AC轴顺时针倾翻的可能。对AC轴取矩，得出工况1的安全系数k与配重之间的函数关系式：

(3)

风向与x-同向时，机构受风载示意图如图6(b)所示。此时机构有绕AC轴顺时针倾翻的可能。对AC轴取矩，得出工况2的安全系数k与配重之间的函数关系式：

(4)

风向平行于xOy面且与y轴夹角为45°时，机构受风载示意图如图6(c)所示。此时机构有绕AC轴顺时针倾翻的可能。对AC轴取矩，得出工况3的安全系数k与配重之间的函数关系式：

k=

(5)

风向与z+同向时，机构受风载示意图如图6(d)所示。此时机构有绕AB轴顺时针倾翻的可能。对AB轴取矩，得出工况4的安全系数k与配重之间的函数关系式：

(6)

将机构各参数带入安全系数与配重的函数关系式中，利用得到的函数关系式画出工况1-工况4的稳定安全系数k与配重P的函数关系图，如图7所示。

图7 稳定安全系数与配重函数关系图

如图7可以看出，配重与稳定安全系数呈线性关系。当配重质量在0～30 kN范围变化时，工况1-工况4的稳定安全系数分别位于1.5～2.06、1.33～1.84、3.50～3.98、1.41～1.95之间。所以，不配重时最小稳定安全系数为工况2的1.33。根据起重机规范可知，稳定安全系数需>1.11，说明防护装备的稳定性符合要求。但由于防护装备是新开发的工程机械，没有现场使用经验，为了防止一些现场未知因素对防护装备的稳定性造成影响，决定添加2 t配重。配重2 t后最小稳定安全系数提升到1.65。

4 底座有限元分析

通过稳定性分析可知：机构在工况2时，倾翻力矩最大。对工况2底座以上部分进行有限元分析，得到底座以上部分对底座的支反力和支反力矩。将支反力和支反力矩施加到底座上，可求出并判断工况2时底座的强度是否合格，会不会出现局部失稳现象；其次可通过支腿与地面的支反力来判断此时支腿是否离地，即从有限元分析的角度再次验证防护装备的稳定性是否符合要求。

4.1 底座有限元模型

底座由钢板焊接而成的箱型结构以SHELL181单元进行离散，而对于球形铰支座、回转支承，则采用SOLID185单元[4]。销轴连接以rbe2和BEAM188单元模拟[5]。模型中共有196 040个单元，节点197 163个。为了方便描述，为底座支腿编号。底座有限元模型如图8所示。

图8 底座有限元模型

4.2 底座材料属性

底座材料属性参数如表2所示。有风工况的强度安全系数取1.34。

表2 材料属性表

4.3 载荷、约束的施加

1)载荷的施加

底座以上结构对底座产生的力和力矩如表3所示。将底座回转支承上表面所有节点的3个平动自由度耦合到回转中心点的辅助质量单元上，将支反力和支反力矩施加于质量单元上。

表3 底座载荷数据

2) 约束的施加

将每条支腿底面的所有节点耦合于各自底面的中心点处，在中心点施加约束。底座的约束为1、2、3、4号支腿底面中心点的3个平动自由度[6]。

4.4 有限元计算结果分析

1) 底座强度分析

底座应力云图如图9所示。最大应力点在销轴与销孔连接处，最大应力值为228.05MPa，小于材料许用应力。底座强度合格，不会出现局部失稳。

图9 底座应力云图

2) 底座稳定性分析

机构在旋转过程中，当底座受力较为均匀时，4条支腿均受地面的压力。当底座受力不均匀时，则可能是3条支腿受力，1条支腿悬空，此时应该释放悬空支腿的约束，重新进行计算[7-8]。如果倾翻力矩过大，会发生倾翻，有限元计算结果为2条支腿受地面压力，另外2条支腿受地面拉力。

底座4条支腿的支反力如表4所示。1、2、3、4号支腿的y向支反力均为压力，说明工况2的4条支腿均与地面接触，未出现支腿悬空状况，证明底座不会倾翻，也验证了稳定性计算的正确性。

表4 底座支腿支反力数据

5 结语

1) 利用力矩法对防护装备稳定性进行分析，分析结果表明跨越轨道安全防护装备整体稳定性符合要求。

2) 对底座强度进行有限元分析，底座强度合格，不会出现局部失稳而导致整体失稳的情况。

3)分析底座的支反力，得出防护装备在最大倾翻力矩工况支腿不会离地的结论，再次验证了防护装备的稳定性。