劉 國,戴松貴,竺 輝

(1.寧波梅山島開發(fā)投資有限公司 總工程師室,浙江 寧波 315832; 2.上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司 機(jī)電部,上海 201949)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長和社會(huì)的發(fā)展,對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求快速增加,公路橋梁建設(shè)所受的限制條件也日趨復(fù)雜.雙層鋼桁梁橋占地面積小,可以充分發(fā)揮橋位之利,其通行能力大,能有效地緩解交通壓力.開啟橋因能改善橋梁通航凈空高度,使某些無法修建高架橋的河道建橋成為可能,其優(yōu)點(diǎn)是墩臺(tái)較低,能減少兩岸引橋和路堤工程量.

本文基于某雙層開啟橋獨(dú)特的開啟方式,提出了一種新的機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng),對液壓油缸結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì),根據(jù)單個(gè)油缸的設(shè)計(jì)載荷，設(shè)計(jì)懸掛油缸參數(shù),并對設(shè)計(jì)好的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行性能分析.根據(jù)目標(biāo)大橋伸縮式橋身的受力特點(diǎn),分析懸掛系統(tǒng)適應(yīng)高差及載荷變化范圍的性能指標(biāo),并通過理論分析論證了懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均載的可行性.

1 機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)

在開啟橋下層橋架縱移開啟方案中,起關(guān)鍵作用的結(jié)構(gòu)為懸掛系統(tǒng).傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)多通過鋼結(jié)構(gòu),采用機(jī)械式或液壓式蓄能懸掛將上、下層橋架連接在一起,承受下層橋架橋重及橋上人群活載,并在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下帶動(dòng)下層橋架縱移,實(shí)現(xiàn)橋架的開啟.目標(biāo)大橋采用下層橋架縱移實(shí)現(xiàn)橋架開啟,如圖1所示,現(xiàn)對其懸掛系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).

圖1 橋架總體圖Fig.1 Overall structure of the bridge

1.1 傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)介紹

機(jī)械式懸掛為用機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)械連接件等實(shí)現(xiàn)開啟橋下層橋架與上層橋架之間的活動(dòng)連接,使用組合彈簧時(shí),必須考慮摩擦力對碟簧特性曲線的影響.雖然組合碟形彈簧單片疊數(shù)較少,整體結(jié)構(gòu)簡單,但在橋整個(gè)的壽命周期內(nèi),懸掛彈簧一直承受豎直載荷,故在彈簧發(fā)生破壞前無法對彈簧進(jìn)行維護(hù)更換,因此,此懸掛方案維修保養(yǎng)不方便.

液壓蓄能式懸掛基本框架結(jié)構(gòu)與機(jī)械式懸掛類似,由液壓油缸代替機(jī)械式懸掛的碟形彈簧總成,取消了機(jī)械式懸掛的平衡臂機(jī)構(gòu).懸掛油缸功能與機(jī)械式懸掛的碟簧總成類似,但對懸掛導(dǎo)軌的加工精度比機(jī)械式懸掛系統(tǒng)低.基于液壓懸掛機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),在滾輪機(jī)構(gòu)處軸承發(fā)生故障時(shí),無法對其進(jìn)行更換,故此懸掛機(jī)構(gòu)不便維護(hù)保養(yǎng).

1.2 機(jī)械液壓混合懸掛系統(tǒng)

鑒于上述機(jī)械式懸掛與液壓蓄能式懸掛各自的優(yōu)缺點(diǎn),現(xiàn)提出一種新的懸掛系統(tǒng)方案——機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng).機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合作用的方法,實(shí)現(xiàn)下層橋架與上層橋架的連接,如圖2所示.此懸掛沿用機(jī)械式懸掛的機(jī)械結(jié)構(gòu)(框架、滾輪機(jī)構(gòu)、平衡臂機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu))，依據(jù)液壓蓄能式懸掛液壓油缸恒壓補(bǔ)償、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，用液壓油缸代替機(jī)械式懸掛的碟形彈簧.液壓油缸通過套在銷軸上的關(guān)節(jié)軸承與橋架吊耳相連接，降低對銷軸、吊耳等零部件的加工精度要求,導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)與懸掛輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)下層橋架的縱移.

單個(gè)懸掛小車液壓回路如圖3所示.該液壓原理主要回路為平衡、調(diào)壓回路,雙聯(lián)齒輪泵，適應(yīng)懸掛系統(tǒng)的不同工況,各液壓回路、元件的功能與液壓蓄能式懸掛一致.由于單個(gè)機(jī)械液壓式懸掛有2個(gè)液壓懸掛油缸,區(qū)別于單個(gè)液壓蓄能式懸掛的4個(gè)懸掛油缸,其承受的負(fù)載發(fā)生變化,故需對液壓油缸結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì).

圖2 機(jī)械液壓混合蓄能式懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of mechanical hydraulic hybrid energy storage suspension system

圖3 機(jī)械液壓混合蓄能式懸掛液壓系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of mechanical hydraulic hybrid energy storage suspension system

正常情況下,懸掛油缸在橋架開啟和閉合過程中承受橋重,考慮懸掛系統(tǒng)的最壞工況,橋架閉合后,楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)失效,此時(shí)橋重和活載全由懸掛系統(tǒng)承受,載荷大小為1 300 kN,單個(gè)油缸承受載荷為162.5 kN,取單個(gè)油缸的設(shè)計(jì)載荷為250 kN,載荷放大系數(shù)為1.54.

根據(jù)單個(gè)油缸的設(shè)計(jì)載荷設(shè)計(jì)懸掛油缸參數(shù),并對設(shè)計(jì)好的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行性能分析.

(1) 油缸相關(guān)參數(shù)確定.活塞面積為

油缸內(nèi)徑為

活塞桿桿徑為

(1)

式中:F為油缸設(shè)計(jì)載荷，F(xiàn)=250 kN；p為油缸壓力，p=32 MPa.

將上述各值代入式(1)得,D=100.5 mm,d=50.25 mm.依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,確定液壓油缸的相關(guān)尺寸:缸徑125 mm,桿徑60 mm,行程50 mm.

(2) 適應(yīng)范圍分析.由油缸的行程可知,此懸掛系統(tǒng)適應(yīng)范圍為50 mm,由此可知此方案對懸掛導(dǎo)軌的加工精度要求最低.

(3) 橋閉合時(shí)豎直載荷變化范圍.依據(jù)液壓式懸掛,在橋架開啟和閉合過程中,懸掛油缸承受橋重,橋架閉合后,懸掛油缸不再承受載荷,故懸掛油缸的豎直載荷變化范圍為0～83.75 kN.

(4) 可靠性.懸掛豎直載荷恒為83.75 kN,同理對其做有限元分析,得到危險(xiǎn)部位應(yīng)力為141 MPa,發(fā)生在框架上(Q345鋼,屈服強(qiáng)度為345 MPa),依據(jù)機(jī)械式懸掛計(jì)算可靠度,可得此懸掛的可靠度T=Φ(β)=Φ(8.2)=100%.

(5) 維修性.在橋架完全開啟時(shí),懸掛油缸通過液壓控制回路即可卸載,此時(shí)即可對懸掛機(jī)構(gòu)各組成零部件進(jìn)行維修和更換.考慮到懸掛方案維修主要是對損壞零部件進(jìn)行更換,故可用機(jī)械平均更換時(shí)間TB,單位min，評價(jià)此懸掛方案的維修方便性,即

(2)

式中:y1為更換元件的質(zhì)量，kg;y2為固定所更換元件的緊固件數(shù);y3為連接所更換元件的連接件數(shù);x2為更換元件前需拆卸的緊固件數(shù);x3為更換元件前需拆卸的連接件數(shù).

對該懸掛系統(tǒng),考慮滾輪處調(diào)心滾子軸承需維護(hù)更換,其中，y1=1.675 kg,x2=20,x3=13,y2=13,y3=13,代入式(2),得液壓式懸掛方案更換一個(gè)懸掛輪軸承的平均更換時(shí)間TB=258 min.

2 懸掛機(jī)構(gòu)的均載性研究及性能指標(biāo)分析

根據(jù)伸縮式橋身的受力特點(diǎn),分析懸掛系統(tǒng)的性能指標(biāo)(適應(yīng)高差及載荷變化范圍),通過理論分析論證該懸掛系統(tǒng)是否能夠滿足實(shí)現(xiàn)均載的功能.

2.1 懸掛系統(tǒng)均載性的實(shí)現(xiàn)

2.1.1關(guān)節(jié)軸承

關(guān)節(jié)軸承主要是由一個(gè)有外球面的內(nèi)圈和一個(gè)有內(nèi)球面的外圈特殊結(jié)構(gòu)組成的滑動(dòng)軸承.關(guān)節(jié)軸承一般用于速度較低的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)(即角運(yùn)動(dòng)),在支承軸與軸殼孔不同心度較大時(shí),仍能正常工作.

由懸掛系統(tǒng)與下層橋架的裝配關(guān)系(見圖4),為使橋架移動(dòng)時(shí)因軌道不平導(dǎo)致耳板銷軸與軸殼孔不同心度較大時(shí)仍能正常工作,耳板通過關(guān)節(jié)軸承與銷軸連接,因軸承主要承受徑向載荷,故選用向心關(guān)節(jié)軸承.

圖4 懸掛油缸與下層橋架裝配關(guān)系Fig.4 Assembly relationship between suspension cylinder and lower bridge

此橋正常工作(閉合)時(shí),橋架恒重和橋上活載由楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)承受,考慮極端情況下(楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)故障時(shí)),此時(shí)橋重及活載都由懸掛油缸承受(懸掛油缸最壞工況),單側(cè)油缸實(shí)際承受的載荷為P0=162.5 kN.關(guān)節(jié)軸承只承受靜載荷作用,故對其作靜載校核，即

(3)

式中:S0為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù),此工況下,軸承要求轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),S0應(yīng)大于1,取S0=2;P0為軸承靜載荷；C0為額定靜載荷.S0P0=2×162.5=325 kN,選取軸承GEF30ES,其額定靜載荷為439 kN,此軸承滿足其靜載要求.

由于吊耳處銷軸應(yīng)滿足靜強(qiáng)度要求,其尺寸應(yīng)滿足

(4)

式中：Fs為銷軸所受剪力；A為銷軸受剪面積；[τ]為許用剪切應(yīng)力.

將Fs=325 kN,A=πd2/4,[τ]=164 MPa(銷軸材料為42CrMo,其抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa,考慮到軸承工作重要性、疲勞、計(jì)算誤差、制造可靠性等問題,確定安全系數(shù)取3.96,確定許用強(qiáng)度為273 MPa,進(jìn)而確定許用剪切強(qiáng)度為0.6×273=164 MPa)代入式(4),得d≥58 mm.根據(jù)軸承手冊選用軸承GEF60ES,其額定動(dòng)載荷為55 kN,額定靜載荷為1 720 kN,滿足要求.

2.1.2調(diào)心滾子軸承

懸掛輪采用平衡臂結(jié)構(gòu),且懸掛輪上安裝有調(diào)心滾子軸承,如圖5所示,平衡臂結(jié)構(gòu)和調(diào)心滾子軸承均能很好地克服軌道不平產(chǎn)生的不平衡力.

圖5 調(diào)心滾子軸承Fig.5 Structure of the spherical roller bearing

此工況下軸承的設(shè)計(jì)要求:調(diào)心、低速、徑向重載,選擇軸承類型為調(diào)心滾子軸承.

在橋架開啟和閉合過程中,懸掛滾輪機(jī)構(gòu)在懸掛導(dǎo)軌上滾動(dòng),帶動(dòng)橋架開啟和閉合,此時(shí)對軸承有重要影響的參數(shù)為動(dòng)載荷;在橋架閉合后,各機(jī)構(gòu)正常工作時(shí),懸掛機(jī)構(gòu)靜止在軌道上,不承受載荷,依照關(guān)節(jié)軸承靜載計(jì)算,考慮楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)失效時(shí),懸掛油缸承受橋重及活載作用,對軸承做靜載分析.

(1) 動(dòng)載荷計(jì)算.單側(cè)油缸的實(shí)際載荷P0=83.75 kN,單個(gè)軸承承受的徑向載荷為

(5)

得

Fr=41.9 kN.

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷為

(6)

將壽命因數(shù)fh=1.693、力矩載荷因數(shù)fm=1、沖擊載荷因數(shù)fd=1.5、速度因數(shù)fn=1.569、溫度因數(shù)fT=1代入式(6)，即得當(dāng)量動(dòng)載荷P=67.8 kN.

由計(jì)算所得的軸承靜載荷及動(dòng)載荷,選取軸承型號(hào)為22310C/W33,其額定動(dòng)載荷為175 kN,靜載荷為210 kN,滿足要求.

(3) 懸掛油缸.懸掛油缸之間大腔與大腔相通,小腔與小腔相通,如圖6所示.

圖6 懸掛油缸工作原理Fig.6 Working principle of the suspension cylinder

設(shè)大腔壓力為P0，缸徑為D0，桿徑為d1，小腔壓力為P1，P0,P1與液壓系統(tǒng)有關(guān),故油缸吊點(diǎn)的壓力F為

(7)

由式(7)可知,由于各油缸幾何參數(shù)(缸徑、桿徑等)均一致,各油缸大腔的壓力相等,各小腔之間的壓力也相等,從而導(dǎo)致油缸各吊點(diǎn)的力都相同.

2.2 懸掛系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析

2.2.1適應(yīng)高度差

根據(jù)目標(biāo)大橋所采用的懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的懸掛油缸參數(shù)可知,油缸的行程為50 mm,因此,懸掛系統(tǒng)的適應(yīng)高度差為50 mm,滿足懸掛導(dǎo)軌不平度±25 mm的要求.

2.2.2載荷變化范圍

對于懸掛系統(tǒng)來說,懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在橋架開啟和閉合時(shí),懸掛油缸承受橋重,在橋架閉合后且各機(jī)構(gòu)都正常工作時(shí),懸掛油缸不再承受載荷.如前面所述,在橋架閉合后,楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)因故短暫失效時(shí),懸掛油缸應(yīng)能承受橋重及活載,每個(gè)油缸的實(shí)際載荷為

(8)

式中:FL為單節(jié)橋架活載,FL=630 kN;FD為單節(jié)橋架上的恒載,FD=670 kN;n為單節(jié)橋架懸掛油缸的數(shù)目,n=8.

由式(8)可得

缸徑為D0=125 mm,桿徑為d1=60 mm,油缸額定壓力Pe=32 MPa,則油缸能承受的最大載荷為

(9)

將各參數(shù)值代入式(9),可得Fmax=302 kN,則懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上的懸掛油缸的載荷變化范圍為0～162.5 kN,滿足要求.

3 結(jié)論

(1) 目標(biāo)大橋采用下層橋架縱移實(shí)現(xiàn)橋架開啟,橋架開啟寬度不受限于上、下層橋架高度,克服了立轉(zhuǎn)式橋架的不足,開啟高度亦比升降式開啟橋大,無需在河道上建造平轉(zhuǎn)橋要求的大型圓墩.開啟方式在應(yīng)用研究領(lǐng)域具有創(chuàng)新性與前瞻性,為相關(guān)類型橋梁搭建提供借鑒.

(2) 提出了一種新的機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,與傳統(tǒng)蓄能懸掛系統(tǒng)相比,在綜合考慮懸掛適應(yīng)范圍、安全可靠性、零件加工工藝性及維護(hù)方便性等方面均有明顯優(yōu)勢.

(3) 根據(jù)計(jì)算分析可知,懸掛系統(tǒng)的高度差和載荷變化范圍都在合理的范圍內(nèi).各項(xiàng)設(shè)計(jì)理論上能夠滿足目標(biāo)大橋下層橋架的懸掛系統(tǒng)均載性要求,其性能指標(biāo)也滿足要求.