SPJ900架橋機(jī)中車吊耳設(shè)計(jì)與優(yōu)化

樂 鋒

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 前言

隨著我國鐵路建設(shè)里程的不斷增加，架橋機(jī)被不斷應(yīng)用以提高架橋效率。SPJ900架橋機(jī)在轉(zhuǎn)場運(yùn)輸時(shí)，是在不拆卸架橋機(jī)的情況下，利用運(yùn)梁車運(yùn)輸橋梁的方式，將SPJ900架橋機(jī)的前支腿、后門柱以及導(dǎo)梁整體托起，但整體托起后，中車將與導(dǎo)梁分離。為了使中車與架橋機(jī)整體運(yùn)輸，就必須采取吊裝的方式將中車提起，同架橋機(jī)一起整體運(yùn)輸［1］，如圖 1所示。

圖1 傳統(tǒng)的中車吊裝

傳統(tǒng)的中車吊裝運(yùn)輸方法是將吊具的螺栓桿卸下，用螺紋鋼將中車與吊具連接，通過對架橋機(jī)天車的控制，將中車提升到與導(dǎo)梁接觸的位置，最后在運(yùn)梁車的作用下，將中車與架橋機(jī)整體馱運(yùn)。

當(dāng)采用此方式吊裝時(shí)，需要在中車的腔內(nèi)橫向焊接兩根吊裝梁，當(dāng)中車吊裝運(yùn)輸完成后，兩根橫梁將不可拆卸。采用此方法雖然可以吊裝中車，但卻改變了中車原本的結(jié)構(gòu)，增大了中車的寬度。在吊裝時(shí)，需要操作人員爬上較高的吊具頂端擰緊螺紋鋼螺母。由此可見，這種吊裝中車的方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且操作困難，安全系數(shù)低。

2 新型中車吊耳的模型設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

用傳統(tǒng)的方式將中車與SPJ900架橋機(jī)整體吊裝時(shí)，考慮到每次吊裝都必須拆卸吊具螺紋桿，而且采取螺紋鋼連接吊具和中車的方式，工作人員操作困難，安全系數(shù)低［2］，運(yùn)輸效率未能得到大的提高。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一種可拆卸的多用中車起吊吊耳，在不拆卸吊具螺栓桿的情況下，將吊具與中車通過吊耳相連，通過對天車的控制，將中車吊裝后和架橋機(jī)一起整體運(yùn)輸［3］。此方式不僅有效發(fā)揮了架橋機(jī)自身吊具的功能，而且操作簡單，安全系數(shù)大，中車吊裝運(yùn)輸?shù)男室驳玫搅舜蟠蟮奶岣摺?/p>

2.2 方案確定與優(yōu)化

針對設(shè)計(jì)的新型吊耳，提出了兩種設(shè)計(jì)方案，并分別探討了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）方案一：吊耳與中車焊接的方式

優(yōu)點(diǎn)：此方式是將吊耳永久焊接在中車指定位置［4］。和傳統(tǒng)的依靠螺紋鋼起吊的方式相比，可在不拆卸吊具吊桿的情況下起吊，也避免了工人在吊具頂端和中車下端施擰螺紋鋼的工作，操作人員可在中車上端易操作的位置操作；在吊裝時(shí)，操作人員只需待吊具吊桿穿入吊耳內(nèi)部之后，將吊具墊片和螺帽擰入吊桿即可起吊。在每次吊裝結(jié)束后，只需卸下吊桿螺栓和墊片，避免了拆卸吊耳的步驟。采用焊接方式使中車在起吊時(shí)吊耳的各處受力均勻，各板件的變形量小。因此，在增加了起吊安全性的基礎(chǔ)上，大大降低了吊裝的操作難度。

缺點(diǎn)：SPJ900架橋機(jī)吊具的橫向距離為3 660 mm和3 800 mm兩種［5］。當(dāng)?shù)醵c中車焊接時(shí)，由于焊接是不可拆卸的連接方式，所以此方式只適用于橫向間距為3 660 mm或3 800 mm的吊具，而不能兩者兼用。更重要的是SPJ900架橋機(jī)在喂梁時(shí)，梁下端面距離中車上端面的距離最小只有150 mm，而吊耳在高度上已超過150 mm，當(dāng)?shù)醵附釉谥熊嚿隙嗣鏁r(shí)，架橋機(jī)的喂梁工作將不能正常進(jìn)行；同時(shí)，在中車上端直接焊接吊耳，可能影響中車的力學(xué)性能，導(dǎo)致架橋機(jī)不能正常工作，違背了吊耳起吊中車的設(shè)計(jì)理念。

（2）方案二：吊耳與中車以螺栓連接的方式

在方案一的基礎(chǔ)上，將吊具與中車的焊接連接方式改成螺栓連接的方式，即在中車上端面指定位置焊接4塊30 mm厚的鋼板，在鋼板指定的位置加工兩套連接吊耳的螺紋孔，將吊耳與中車通過螺栓連接。

此螺栓連接方式，使得吊耳不僅具備方案一中安全、易操作的性能，而且螺栓連接還具有可拆卸性。當(dāng)?shù)跹b運(yùn)輸結(jié)束后，便可卸下吊耳與鋼板之間的連接螺栓，從而使得中車上端面增加的高度即為焊接鋼板的厚度，避免了吊耳對架橋機(jī)正常喂梁工作的影響；在焊接鋼板的指定位置加工了兩套螺紋孔，目的在于調(diào)節(jié)吊耳之間的距離，以適應(yīng)橫向間距為3 660 mm和3 800 mm兩種吊具的起吊。

2.3 模型設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

2.3.1 設(shè)計(jì)方法及相關(guān)尺寸計(jì)算

模型總體上采用箱體結(jié)構(gòu)，板件與板件之間焊接成型。側(cè)面和上端面設(shè)有加強(qiáng)肋板；底板共設(shè)有5個(gè)螺紋孔，可將吊耳與中車通過螺栓孔連接；上端底板開設(shè)有大圓孔，在吊裝中車時(shí)可將吊具吊桿穿入大圓孔內(nèi)。考慮在吊裝中車時(shí)，焊接底板的受力較大，所以采用厚度為30 mm的鋼板，其余板件的厚度均為20 mm（見圖2～圖3）。

圖2 吊耳整體模型

圖3 吊耳吊裝中車

（1）吊耳受力計(jì)算

由于中車的重量為40 t，要利用4個(gè)吊耳起吊中車，每個(gè)吊耳的承重力為：

式中，β為安全系數(shù)，取值1.2；G為SPJ900架橋機(jī)中車質(zhì)量，為40 t。

（2）焊接底板尺寸設(shè)計(jì)

由于SPJ900架橋機(jī)吊具的橫向距離有3 660mm和3 800 mm兩種，為此，焊接的鋼板上設(shè)計(jì)兩套螺紋孔，兩套螺紋孔中心之間的距離為：

當(dāng)?shù)蹙邫M向間距為3 800 mm時(shí)，吊耳便通過鋼板左排螺栓孔與中車相連；當(dāng)?shù)蹙邫M向間距為3 660 mm時(shí)，吊耳便通過鋼板右排螺栓孔與中車相連（見圖4）。

圖4 焊接鋼板的總體尺寸（單位：mm）

式中，K為吊裝中車時(shí)的安全系數(shù)；G為中車重量。

考慮到工程上連接大型設(shè)備所用的螺栓等級大部分為8.8級和10.9級兩種（抗拉強(qiáng)度為800 MPa、1 000 MPa），且螺栓直徑多為20 mm、24 mm和27mm，為了保證吊裝中車的絕對安全性及螺栓在長期工作中其螺紋副不會遭到破壞，選取直徑為27 mm、等級10.9級的螺栓。

（3）螺栓孔位置及大小設(shè)計(jì)

在起吊時(shí)，吊耳與中車之間的連接螺栓承受中車的所有重量，而螺紋孔大小的設(shè)置決定著螺栓的選取，位置的設(shè)置決定著吊耳的受力情況。因此，螺紋孔位置和大小的設(shè)置是關(guān)鍵?？紤]作業(yè)人員在施擰螺栓時(shí)的簡易及可操作性，在吊裝安全的情況下，螺栓的數(shù)量越少越好。

起吊時(shí)，為了讓吊耳受力均勻且變形量小，將螺栓孔設(shè)置在鋼板四周，使得中車對吊耳底板的作用力均勻分布在底板上［6］，因此，設(shè)計(jì)如圖5所示位置的螺栓孔，可以有效避免應(yīng)力集中。

連接螺栓的數(shù)量：

i＝5×4＝20個(gè)

起吊時(shí)，螺栓只受軸向拉力，不受橫向力和旋轉(zhuǎn)力矩。因此，每個(gè)螺栓承受的軸向拉力為：

圖5 底板尺寸設(shè)計(jì)（單位：mm）

由計(jì)算結(jié)果可以看出，螺栓的最大抗拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于螺栓實(shí)際工作中所承受的軸向力F，不會出現(xiàn)螺栓被拉斷的情況，而且M27螺栓其螺紋內(nèi)外經(jīng)尺寸相差較大，工作時(shí)出現(xiàn)螺紋副遭受破壞的可能性很小。

2.3.2 加強(qiáng)筋板設(shè)計(jì)

由于吊耳除焊接鋼板的厚度為30 mm外，其余板件均為20 mm，可見其厚度較大，且各板件的材質(zhì)為Q345鋼，Q345鋼的一個(gè)特性是隨著材質(zhì)厚度的增加其屈服值減小［7］。因此，吊耳在起吊作業(yè)時(shí)，可能會由于起吊重量大導(dǎo)致側(cè)板或者上底板變形較大而出現(xiàn)吊耳破壞的情況。因此設(shè)置了豎向加強(qiáng)筋板，可有效保證吊耳的側(cè)板不被拉伸變形。

吊耳的上端底板由于開設(shè)有吊具吊桿孔，使吊耳在起吊時(shí)受力面積減少，因此在孔的左右兩端設(shè)置兩塊縱向筋板，可有效防止上端底板出現(xiàn)應(yīng)力集中而變形量較大的情況。

（4）螺栓安全性檢算

直徑為27 mm、等級10.9級的螺栓的最大抗拉力為：

3 基于solidworks simulation的力學(xué)仿真模型建立及論證

3.1 仿真模型的建立與網(wǎng)格劃分

本研究采用基于FEA數(shù)值技術(shù)的SolidWorks Simulation軟件，是由SRAC開發(fā)的工程分析軟件產(chǎn)品之一，作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成，方便用戶對SolidWorks中建立的三維模型進(jìn)行有限元分析［8-9］。

根據(jù)本文吊耳各板件的設(shè)計(jì)，在SolidWorks中建立吊耳各零部件三維模型并進(jìn)行裝配，各板件連接處通過焊接連接，焊縫寬度6 mm。吊耳工作時(shí)，將吊具吊桿穿入吊耳內(nèi)部，并施擰吊桿螺母，見圖6。

圖6 吊裝工作示意

為了方便利用SolidWorks Simulation對吊耳進(jìn)行模擬分析，將模型中的吊桿和螺母去掉加以與之配對的墊圈代替［10］。進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖7），網(wǎng)格的具體參數(shù)信息見表1。

表1 劃分網(wǎng)格具體參數(shù)

從表1可知，對吊耳劃分的網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，其雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)。雅可比點(diǎn)可以反映對吊耳劃分單元的畸形程度，點(diǎn)數(shù)越多，說明其檢查越嚴(yán)格［11］，單元格品質(zhì)越高。由圖7可看出，單元格劃分品質(zhì)很高，可充分模擬吊耳在工作時(shí)的受力情況，更能真實(shí)反映吊耳的實(shí)際工作狀態(tài)。

圖7 吊耳網(wǎng)格劃分

3.2 模型加載與模擬結(jié)果分析

有限元模型加載可分為添加約束和載荷兩類。約束一般指系統(tǒng)與外界環(huán)境的關(guān)系，載荷則可分為自重和外載荷兩類。自重可直接通過給予重力加速度來完成，而外載荷則需根據(jù)吊耳的具體受力情況添加到相應(yīng)位置［12］。吊耳下鋼板焊接在中車上，焊接底板與吊耳通過M27螺栓連接，所以在SolidWorks Simulation對吊耳設(shè)置約束時(shí)，將焊接的底板設(shè)為固定，各螺栓孔設(shè)為螺栓連接。由于是對單個(gè)吊耳進(jìn)行模擬分析，其自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中車的質(zhì)量，所以將吊耳的外部荷載加于墊圈下端，方向垂直于墊圈端面向上，以此模擬實(shí)際工作時(shí)吊耳的受力情況；為了使吊耳在工作時(shí)有較高的安全系數(shù)，取所加荷載大小為120 kN。加載后的運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 吊耳應(yīng)力及變形云圖

由圖8可知，在實(shí)際工作狀況下，吊耳的最大應(yīng)力為89.125 MPa，主要集中于吊耳上端底板的大圓孔周圍。此應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345鋼的屈服極限，故不會出現(xiàn)吊耳被破壞的情況；另外，其最大變形量也發(fā)生在上端底板大圓孔周圍，最大變形量為0.17 mm，而這個(gè)變形量在實(shí)際工作下可以忽略。綜上可知，吊耳滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文對架橋機(jī)中車吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，利用SolidWorks Simulation軟件平臺建立吊耳的仿真模型。通過分析研究，驗(yàn)證了中車吊耳的安全性與可靠性。

（1）通過對現(xiàn)有中車吊裝方法的實(shí)際觀察與分析，將傳統(tǒng)吊裝方式與自行設(shè)計(jì)的中車吊耳吊裝方法相對比，闡述了吊耳吊裝的簡易性和可操作性。

（2）對吊耳模型及各部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從實(shí)用性與安全性角度出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過計(jì)算與推導(dǎo)，對模型的尺寸及選材作出了詳細(xì)說明，對各焊接筋板的設(shè)置也作出了合理解釋。

（3）基于FEA數(shù)值技術(shù)的SolidWorks Simulation軟件，建立了吊耳的三維模型并劃分出高品質(zhì)網(wǎng)格，對吊耳進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果論證了吊耳在吊裝中車時(shí)的安全性與可靠性。

通過對吊耳進(jìn)行有限元分析可知，吊耳工作時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吊耳材料的屈服極限，說明吊耳還存在很大的可開發(fā)性；而且吊耳與中車之間通過螺栓連接，具有可拆卸性。因此，在實(shí)際架橋施工中，可以將其推廣應(yīng)用，比如架橋機(jī)扁擔(dān)梁的起吊。