港口煤筒仓顶卸料小车轨道固定系统研究

2020-11-11蔺雪峰张小安曲军彪

水运工程 2020年10期

蔺雪峰，田磊，张小安，曲军彪

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082)

近年来，随着经济的发展，越来越多的大规模贮煤筒仓群出现在沿海港区[1-3]，筒仓顶卸料小车的工作性能直接影响输煤、装船效率，而卸料小车轨道及其扣件的连接可靠性成为影响卸料小车作业效率最为重要的一环。工程实例表明，筒仓顶采用钢结构通廊，卸料小车轨道采用吊车梁传统压板扣件，经常出现轨道压板松动脱落、钢轨局部磨损、啃轨及筒仓结构缝处轨道伸缩缝间距、左右移位、竖向高程差超标等现象，通过研究柔性轨道固定系统(如GANTREX、GANTRAIL等系列)、高铁轨道固定系统，并与传统轨道固定系统进行比较分析，总结归纳卸料小车轨道问题形成的原因，并给出解决该问题的意见与建议，可供设计人员参考使用。

1 工程概况

某港口工程有24座筒仓，单个筒仓容量3万t，高43 m，内径40 m。筒仓按4排、6列布置，排净距10 m，列净距5 m，见图1。仓顶钢廊道采用空间桁架，跨度38.13 m，净宽13 m，檐口相对于仓顶高度为12 m。钢廊道通过4个盆式橡胶支座与筒仓顶部环梁连接，一端设置2个固定支座，另一端为定向滑动支座。

图1 筒仓群布置(单位： mm)

筒仓顶每排输煤钢廊道内设1辆卸料小车(图2)。卸料小车总质量151 t，最大轮压标准值见图3。

图2 卸料小车示意

图3 卸料小车轮压标准值

2 卸料小车轨道固定系统

本工程每排筒仓卸料小车轨道总长度约300 m，轨道为有缝轨道，轨道型号QU100，轨道高160 mm，轨道与下部支撑钢梁采用焊接型连接，小车轨道与下部支撑钢梁连接参考钢吊车图集，吊车轨道连接与车档(05G525)见图4，施工时卸料小车轨道施工安装误差要求见表1。

图4 卸料小车轨道扣件

表1 轨道安装误差要求

3 卸料小车轨道及压板扣件问题原因分析

3.1 原因

1)轨道扣件松动脱落。由于卸料小车轮压较大，运行时仓顶钢廊道横向钢梁和纵向轨道梁均会产生2个方向的微小变形[4]，见图5。卸料小车循环往复荷载作用下，竖向压力将使轨道压板楔形部件反复承受挤压与松弛作用；除此之外，卸料小车运行产生的沿轨道方向水平力和垂直轨道方向卡轨力也由轨道传递给压板，再传递给锚栓和钢梁，整个荷载传递过程中锚栓为复杂应力状态下的受力体。因此，卸料小车运营过程中，荷载反复作用会造成楔形部件脱落、缺失、螺母松动等现象，最终造成轨道扣件松动、脱落。

图5 廊道变形(尺寸：mm；高程：m)

卸料小车轨道扣件采用双螺母，短期内螺母不会松动，但是锚栓承受的附加荷载将传递给下部钢梁，在卸料小车反复疲劳荷载作用下，短期内该附加荷载将对钢梁造成疲劳损伤。从长远看，单个振动周期内造成的疲劳损伤将会随双螺母的再次松动而降低，直至该附加荷载作用下锚栓达到新的平衡状态为止。起初，当卸料小车开始运行时，轨道、扣件和下部钢梁组成了支撑小车运行的基础，由于施工中存在无法避免的安装误差和卸料小车荷载作用下钢结构桁架存在微小的变形，必然会在扣件系统中产生附加荷载，随着时间的推移，均会产生螺母松动，进而造成扣件脱落。

2)轨道出现局部磨损、啃轨。在非结构缝附近，轨道左右移位和啃轨相辅相成，轨道左右移位的原因大多与啃轨原因一致。造成啃轨和轨道左右移位的原因众多，如卸料小车车轮直线性、垂直度不好，车轮间距、对称对角线不等；卸料小车启动或刹车时，钢桁架刚度相对较小，作用车体本身的扭摆也可能引起啃轨；由于轨道安装或桁架变形引起轨道不直(即轨道间距过大或过小)，导致啃轨现象的发生：轨道间距过小时啃轨道内侧，轨道间距过大时啃轨道外侧。轨道问题根本上都是由于轨道的相对标高和直线性不符合标准所致。除此之外，坡度太大、轨道面不平等也易引起固定地段啃轨。单一因素引起啃轨的情况较少，多数啃轨现象都是由上述2个或2个以上的因素共同作用所致。多种因素引起的啃轨情况最常见、最复杂，没有一定的规律性，不容易快速、准确地判断啃轨产生的主要原因。因此，须根据实际情况逐一进行排查。此外，压板螺母松动、楔形部件松动或缺失也是卸料小车轨道左右移位、啃轨的主要原因之一。

3)筒仓结构缝处轨道伸缩缝间距、左右移位、竖向高程差超标。卸料小车运行时，结构缝两侧钢廊道悬挑端变形需要钢轨来协调，以保证轨道的连续性，否则，若轨道伸缩缝和结构缝位置一致，由于卸料小车荷载作用下，钢廊道悬挑端变形造成跳车现象，易发生安全事故。长期疲劳荷载作用下，在结构缝附近，钢轨及其下部2个独立结构单元之间变形反复协调作用，钢轨会出现扣件松动，引起结构缝处钢轨左右移位是该部位啃轨的主要原因。在结构缝处，由于小车轨道下部基础变形差需要轨道来协调，使钢轨受力过程中会沿轨道方向产生轴向力，该轴向力也是轨道伸缩缝间距增大或减少的主要原因之一。本工程轨道伸缩缝间距46 m，若不考虑扣件对轨道的约束作用，一端与轨道梁焊接的轨道由温度变化引起的纵向变形为16 mm，温度作用对轨道伸缩缝间距变化影响较大；一条轨道上驱动轮作用给轨道顶部的驱动荷载为120 kN，在轨道一端焊接固定的情况下，驱动力作用下的轨道轴向变形为2.4 mm，因此轨道一端与下部轨道梁焊接时，温度作用对单轨纵向变形的影响远大于驱动力作用下的变形(图6)。

图6 轨道伸缩缝变化

此外，卸料小车运营时，由于小车运行方向的改变或轻微非匀速行驶，沿轨道方向将产生卸料小车车轮的制动力和驱动力，在该附加荷载作用下轨道将产生轴向压缩或拉伸变形。这种变形是无法避免的，只能通过加强卸料小车运行管理，确保小车平稳、匀速、有规律行驶，使用过程中尽量避免紧急刹车或突然启动，以减小该轴向变形。另外，压板螺栓松动也是形成沿轴向拉伸或压缩重要原因，压板松动后，轨道将失去约束作用，可向各个方向发生位移，对设备安全生产造成很大困扰，该问题可随着螺栓松动问题的解决而得到解决。

3.2 改进措施

1)保障施工质量，轨道安装应满足设计关于安装误差的要求，包括轨顶高程、卸料小车轨道安装、压板扣件等。

2)卸料小车设备和车轮安装应满足机械设备安装要求，包括车轮的平行性、垂直度、车轮间距、车轮对称对角线等。

3)卸料小车运行时尽量避免突然启动或急刹，确保小车匀速、平稳、有规律行驶。

4)考虑到卸料小车防倾覆装置下部卡头与钢轨腹板距离较近(图7)，在轨道伸缩缝处加鱼尾板时卸料小车无法正常行走。因此，无法从传统鱼尾板角度解决伸缩缝距离、高程差、左右移位超标等问题。

图7 卸料小车防倾覆装置(高程：m；尺寸：mm)

建议考虑采用2种方案处理：

方案1：在轨道两侧均匀增设变厚度耳板，既能保证温度作用下和小车运行时轨道的正常压缩、拉伸(纵向变形幅度为缝宽)及其直线性，又能阻止轨道左右移动，释放竖向疲劳荷载。

方案2：在方案1的基础上做进一步改进，轨道伸缩缝处设置变厚度耳板和普通螺栓，耳板上开长圆孔螺栓，一方面防止扣件松动时轨道左右、上下移动；另一方面，即使温度作用下扣件松动，轨道能拉伸、压缩(纵向变形幅度为长圆孔长度的一半)，但不能上下或左右移动，因此依然不会影响轨道的正常使用。

2种方案虽都能解决轨道的间距、高程差超标问题，但是采用方案1轨道伸缩缝处理方式，缝两侧轨道固定系统的整体刚度较好(图8)。

图8 卸料小车轨道固定系统改进措施

5)设置长钢轨时，2个筒仓间结构伸缩缝部位将由轨道来承担缝两侧结构的变形协调作用，疲劳荷载长期作用下，结构缝附近钢轨将出现弯曲变形，同时伴随局部磨损，因此不建议采用长钢轨来解决伸缩缝处的轨道问题。

此外，温度作用下，若不考虑压板扣件对长钢轨约束的影响，单轨(轨道长275 m，温差取28 ℃)纵向变形为93 mm，若该变形完全被扣件约束，则所需纵向力为784 kN。该作用力将完全通过扣件传递给轨道梁，平均每根柱子承受附加温度作用65.3 kN，其下部盆式橡胶支座均为固定支座，这意味着每列筒仓由于采用长轨道，温度作用下，固定支座的附加水平力将平均增大65.3 kN。当然，水平力均匀分布给每个筒仓柱子属于理想状态，一旦个别筒仓扣件松动，无法固定住轨道，则存在其他筒仓柱子水平力大于65.3 kN的情况，这对盆式橡胶固定支座的影响将是无法预知的，存在较大的安全隐患。

6)若扣件不采用双螺母而采用单螺母点焊固定形式，或轨道采用间断焊缝焊接，直接将扣件或轨道焊接于轨道梁或其垫板上，虽然能在一定程度上缓解轨道左右移位、扣件松动脱落等问题，但由于轨道和下部轨道梁完全成为整体，振动荷载作用下，施加给轨道的疲劳荷载全部传递给下部轨道梁，反复作用下可能造成工程事故。此外，一旦出现啃轨现象，轨道焊接在钢梁上换轨困难，而且不利于温度应力释放。

7)针对卸料小车轨道及其扣件脱落松动问题，一方面可根据螺母的松动周期定期对扣件进行检修、对松动螺母进行紧固、对轨道直线性或竖直度进行校正，同时，采用方案1的局部改进方式，以满足卸料小车轨道运行要求；另一方面，也可考虑采用柔性钢轨固定系统或高铁轨道固定系统中弹条扣件代替传统轨道固定系统。

4 柔性轨道固定系统

传统卸料小车钢轨固定系统采用钢对钢的方式解决轨道附加内力问题，而柔性轨道固定系统通过释放部分附加内力的方式来解决，主要体现在钢垫板与钢轨之间弹性橡胶垫板的设置与压板使用2个方面：

1)钢垫板与钢轨之间铺设弹性橡胶垫板。橡胶垫板和具有橡胶压头的压板配合使用，形成一个弹性基础，可消除钢轨与钢垫板之间的点接触现象，使钢垫板更趋于均匀受压，减小应力集中和疲劳应力(图9)。在使用寿命方面，胶垫板材料是由经硫化合成橡胶板制成，内镶有增强钢片，抗磨损、抗挤压、抗剪切等性能较好。

图9 柔性轨道固定系统

2)轨道固定系统采用专利压板。该压板的特点在于“钢对钢”侧向固定钢轨，“柔克钢”垂直方向以弹性力固定钢轨。压板总成由压板夹和底座组成，压板夹通过橡胶鼻子作用向下的力固定钢轨，橡胶鼻子是合成橡胶经硫化处理压合在压板夹上。压板总成具有双面楔连接，可产生自锁功能，保证轨道直线度和轨距不发生变化，可极大地提高设备运行的平稳度和安全性。此外，专利压板还具有侧向调节特性，与普通轨道压板相比，该压板可提供更宽泛的侧向调整范围，同时确保压板侧向“钢对钢”地固定住钢轨。轨道压板有一个高强度橡皮鼻子以弹性力压紧钢轨，可吸收“曲弓波”力。

卸料小车荷载作用下，结构产生横向变形(图5)，轨道两端的压板会受到不同的作用力，受压一侧的压板胶鼻会被压缩，松弛一侧的压板胶鼻会伸长。这种柔性作用使轨道始终处于被压紧状态，压板可一直有效地固定住钢轨。发生沿轨道纵向方向的变形时也同理(图6)。通过压板胶鼻的自适应变形作用，压板在卸料小车荷载反复作用下受到反复挤压和松弛的作用大大降低，极大地缓解了扣件松动和脱落问题。

柔性轨道固定系统对轨道扣件传力方式进行了很大改进，减震效果较好，但是研究发现，该固定系统大量应用于混凝土刚性基础上[5](图10)。一般认为柔性基础上的减震效果不如坐落在刚性基础上，但是，在诸如筒仓顶钢廊道内，柔性轨道固定系统的减震效果必然优于传统轨道固定系统，具体的减震效果和减震程度取决于筒仓顶部钢桁架的整体刚度、卸料小车的使用频繁程度及使用规律性。

图10 混凝土刚性基础上柔性轨道固定系统

从曹妃甸某大型工业厂房柔性轨道固定系统应用看，其在工业厂房中应用效果较好，可大大延长吊车梁轨道免维护时间。柔性轨道固定系统在使用1年多时间内尚未出现影响生产的大修现象，但个别地方扣件局部维护依然存在。

5 高铁轨道固定系统

考虑到高铁轨道标准扣件与卸料小车QU100轨道无法匹配，因而根据卸料小车运营环境，可设计出传力方式类似于高铁标准扣件的弹条扣件固定系统，见图11。扣件由固定板、弹条、轨下垫板组成，轨下垫板采用TPEE(热塑性聚酯弹性体)材料，TPEE具有结构强度高、耐蠕变性好、回弹性优异、抗冲和耐弯曲疲劳、耐磨、尺寸稳定等特点。此外，它还能抵制许多工业化学品、油和溶剂导致的腐蚀，适用于筒仓顶部作业环境。与橡胶材料相比，TPEE材料的使用寿命更长，而且耐压缩变形能力更强。TPEE垫板位于钢轨与轨道梁之间，承受过往每一个车轮移动时产生的冲击和挤压载荷，有效降低和缓冲了车轮通过钢轨时所产生的冲击和振动。总的说来，弹条扣件具有一定的自动减震作用，可有效防止扣件松弛，减小钢轨的纵向移动和横向移动，大大减小养护维修工作量。但弹条扣件的缺点是，与传统扣件相比，依然是钢对钢地从横向和纵向2个方向约束钢轨，一旦出现施工、安装误差或设备操作不当造成扣件和钢轨较劲的现象发生，弹条扣件不能像柔性钢轨固定扣件那样，在横向通过橡胶鼻子产生一定的内力释放，势必会通过扣件弹条抵抗横向荷载，较劲严重的地方将出现弹条断裂。根据高速铁路轨道线路维修规则，高铁轨道扣件需要进行定期检查、维修[6]，预测设计的专用弹条扣件定期巡视、维护时间为1～3个月。

图11 高铁弹条扣件方案

高铁弹条扣件用于卸料小车轨道固定，须对卸料小车运营环境关键部位(轨道伸缩缝处、仓顶钢廊道伸缩处和跨中等)进行实际变形测量；其次对弹条扣件进行设计，并在工厂进行扣件试生产，然后，对扣件性能进行试验研究；最后，选取一列筒仓进行试验，对受力关键部位，调查、研究扣件使用效果，若扣件受力和使用效果显著，则进行推广使用。

6 柔性轨道固定系统与高铁轨道固定系统比较

柔性轨道固定系统和高铁弹条扣件抗水平力最大值见表4。由表4可以看出，单个柔性轨道固定系统的抗横向水平力最大值120 kN大于弹条扣件70 kN，一条轨道荷载作用区域内共12对扣件对抵抗横向力起主要作用，总抗力最小为840 kN，而单个轮子横向水平力11 kN，一条轨道共8个轮子，共88 kN，因此，2种轨道扣件均能够满足抗横向水平力的要求。对于单个弹条扣件，抗纵向水平力10 kN，一条轨道荷载作用区域内共12对扣件对抵抗纵向力起主要作用，总抗力为240 kN，而单个驱动轮纵向水平力20 kN，12个驱动轮，一条轨道总纵向水平力120 kN，扣件纵向水平力仍满足要求。柔性轨道固定扣件受力特性是在纵向有自锁功能，因此，抗纵向水平力最小应为压板底板沿纵向焊缝的受剪承载力(F=101 kN)和橡胶鼻子与轨道接触面的纵向摩擦力较小值即6.1 kN，扣件纵向总抗力为146.4 kN，大于一条轨道总纵向水平力120 kN，扣件纵向水平力满足要求。