自行式模塊化運(yùn)輸車運(yùn)輸分載梁設(shè)計(jì)

呂 超， 楊風(fēng)艷， 單吉華， 張子良， 陳洪昌

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

應(yīng)用于海洋石油結(jié)構(gòu)物、陸地LNG的模塊，在模塊建造場地非滑道區(qū)域完成建造后，須使用自行式模塊化運(yùn)輸車(Self-Propelled Modular Transporter， SPMT)運(yùn)輸，以完成場地運(yùn)輸及裝船作業(yè)。SPMT主要應(yīng)用于重、大、高、異型結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸，使用靈活、裝卸方便。其自身攜帶動(dòng)力，可根據(jù)模塊尺寸和質(zhì)量，采用多列車并行，每一列車機(jī)械組裝所需軸線數(shù)的方式進(jìn)行模塊場地內(nèi)運(yùn)輸和裝卸船作業(yè)，載重量可達(dá)約5萬t。其主要在裝備制造業(yè)、石油、化工、海洋石油、橋梁建造等工程領(lǐng)域被應(yīng)用，是目前國內(nèi)外應(yīng)用范圍非常廣泛的一種模塊運(yùn)輸車。由于模塊形式千變?nèi)f化，當(dāng)模塊下面用于布置模塊運(yùn)輸車的空間受限時(shí)，使用的模塊運(yùn)輸車的縱列數(shù)會(huì)減少，軸載利用率將超過限定值。設(shè)計(jì)適用于SPMT的運(yùn)輸分載梁，將其安裝于模塊運(yùn)輸車上，并與模塊運(yùn)輸車配套使用，不僅增加模塊車使用時(shí)的外懸長度和軸線數(shù)，還解決了被運(yùn)輸模塊布車空間受限的問題，且能夠有效降低模塊支座間的距離，提高模塊車使用范圍。圖1為SPMT運(yùn)輸分載梁實(shí)際應(yīng)用案例。

圖1 SPMT運(yùn)輸分載梁應(yīng)用實(shí)例

1 SPMT模塊車

SPMT是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板拖車，可根據(jù)裝載貨物的不同需求配置成各種結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量，使用靈活、裝卸方便、載重量大且對地面要求相對較低。SPMT的基礎(chǔ)部件是4軸線車板、6軸線車板和動(dòng)力模塊。SPMT的牽引力由液壓馬達(dá)提供，液壓馬達(dá)的動(dòng)力由置于設(shè)備末端的動(dòng)力模塊提供。SPMT優(yōu)點(diǎn)主要包括：(1)主要由3種單元組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)物質(zhì)量和形狀決定所需單元的數(shù)量和配置形式，可適應(yīng)任何形狀和最大5萬t結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸；(2)最長的單元為8.40 m，最寬的單元為2.43 m，可直接裝載至普通貨車或集裝箱中完成陸地運(yùn)輸和海洋運(yùn)輸，轉(zhuǎn)場方便，不受地域限制；(3)自帶動(dòng)力，能夠自行且操控方便；(4)配備多種轉(zhuǎn)向模式，可基本實(shí)現(xiàn)任意方式的行走；(5)高精度就位糾偏功能，就位精度達(dá)到2 mm以內(nèi)；(6)行駛在路面凸起或凹陷處時(shí)，能夠保持車板上表面基本水平，保證被運(yùn)輸結(jié)構(gòu)物的安全。

由于SPMT車板主梁橫截面形狀并不規(guī)則，且生產(chǎn)廠商未提供截面幾何參數(shù)，只提供了相關(guān)力學(xué)參數(shù)，在使用有限元軟件進(jìn)行建模分析時(shí)，無法完全模擬車板截面形狀，對車板和運(yùn)輸分載梁進(jìn)行耦合或者接觸模擬的難度也隨之增加。因此，設(shè)計(jì)SPMT運(yùn)輸分載梁時(shí)，通常根據(jù)車板的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算來校核其強(qiáng)度。

2 運(yùn)輸分載梁構(gòu)造

運(yùn)輸分載梁主要用于分散SPMT主梁所承受的彎矩，能有效減少車板主梁彎矩極值，用于SPMT車板無支撐長度過大的運(yùn)輸情況，使用時(shí)需對車板及分載梁承受的彎矩進(jìn)行核算。當(dāng)被運(yùn)輸結(jié)構(gòu)物質(zhì)量比較集中時(shí)，使用運(yùn)輸分載梁是一種行之有效的辦法。

圖2和圖3是本文所述SPMT運(yùn)輸分載梁實(shí)物及設(shè)計(jì)圖，其主要由H型鋼和安裝在H型鋼上的數(shù)個(gè)加強(qiáng)筋板焊接而成，長度方向上共有5根H型鋼，中間3根翼緣間相互焊接，外側(cè)2根與中間3根通過垂向H型鋼焊接在一起，并在搭接部位安裝加強(qiáng)筋板。運(yùn)輸分載梁的寬度與SPMT車板寬度相同，長度、高度根據(jù)項(xiàng)目需要及計(jì)算結(jié)果確定。

圖2 SPMT運(yùn)輸分載梁實(shí)物圖

圖3 SPMT運(yùn)輸分載梁設(shè)計(jì)圖

3 運(yùn)輸分載梁設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算模型簡化

在簡化運(yùn)輸分載梁計(jì)算模型時(shí)，被運(yùn)輸模塊本身的強(qiáng)度和剛度按照無限大考慮，同時(shí)忽略模塊本身的變形量對運(yùn)輸分載梁和車板變形的影響，計(jì)算模型按照懸臂梁考慮。圖4為運(yùn)輸分載梁放置位置側(cè)視圖，SPMT車板主梁外懸長度為9 m，SPMT說明書中規(guī)定該長度不能大于7 m，因此需使用運(yùn)輸分載梁用于滿足SPMT使用要求,圖5為簡化后的計(jì)算模型，其中SPMT每個(gè)軸線的載荷按照最大軸線載荷40 t/軸線考慮，為方便計(jì)算，等同于28.6 t/m。

圖4 SPMT運(yùn)輸分載梁放置位置側(cè)視圖

圖5 SPMT運(yùn)輸分載梁簡化后的計(jì)算模型圖

圖6為SPMT車板主梁和運(yùn)輸分載梁所承受的彎矩和剪力圖。主梁的外懸長度為9 m，共有6個(gè)軸線的力作用在梁上。由彎矩圖可以看出：距最外延5 m處的最大彎矩為6 700 kN·m<7 785 kN·m，滿足SPMT使用要求；懸臂梁根部的最大彎矩達(dá)到11 290 kN·m，需使用運(yùn)輸分載梁使SPMT車板強(qiáng)度滿足要求并對分載梁和這部分車板進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

在設(shè)計(jì)運(yùn)輸分載梁時(shí)，除表1中所列舉的主要設(shè)計(jì)參數(shù)外，還需得到車板和運(yùn)輸分載梁的高度。

圖6 彎矩和剪力圖

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 強(qiáng)度校核

3.3.1 按照截面組合校核強(qiáng)度

雖然在彎曲變形過程中運(yùn)輸分載梁和SPMT車板主梁分別有各自的中性軸，但是由于運(yùn)輸分載梁在使用時(shí)與SPMT車板完全貼合放置在一起，因此可將兩種不同的截面合并為同一個(gè)截面，取兩個(gè)截面的幾何中面作為中性軸來核算運(yùn)輸分載梁和車板強(qiáng)度。圖7為 SPMT車板主梁與運(yùn)輸分載梁橫截面組合圖。

圖7 SPMT車板主梁與運(yùn)輸分載梁橫截面組合圖

SPMT車板主梁與運(yùn)輸分載梁組合為一個(gè)截面后的力學(xué)參數(shù)可通過下式計(jì)算：

Itbz=Itb+a2·Atb

(1)

ISPMTz=ISPMT+b2·ASPMT

(2)

Icz=Itbz+ISPMTz

(3)

(4)

式中：Itbz為運(yùn)輸分載梁相對于z軸的截面軸慣性矩；ISPMTz為SPMT車板主梁相對于z軸的截面軸慣性矩；Icz為SPMT車板主梁和運(yùn)輸分載梁組合截面相對于z軸的截面軸慣性矩；Wcz為SPMT車板主梁與運(yùn)輸分載梁組合后截面抗彎系數(shù)；HSPMT為SPMT車板主梁高度；Htb為運(yùn)輸分載梁高度；a為運(yùn)輸分載梁形心到z軸距離；b為SPMT主梁橫截面形心到z軸距離。

運(yùn)輸分載梁強(qiáng)度計(jì)算可由下式得

(5)

(6)

式中：σtb為運(yùn)輸分載梁彎曲應(yīng)力；M為作用于梁上的總彎矩；τtb為剪切應(yīng)力；F為總剪切力。

SPMT車板有兩個(gè)位置的強(qiáng)度需進(jìn)行計(jì)算：第一處是懸臂梁的根部，即彎矩最大的位置；第二處是運(yùn)輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的彎矩，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。SPMT車板主梁強(qiáng)度計(jì)算可由下式得

(7)

(8)

式中：σSPMT1和σSPMT2為SPMT車板主梁彎曲應(yīng)力；M4為運(yùn)輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的彎矩，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。

(9)

(10)

式中：τSPMT1和τSPMT2為SPMT車板主梁剪切應(yīng)力；F4為SPMT運(yùn)輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的剪力，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。

3.3.2 按照曲率半徑相等校核強(qiáng)度

運(yùn)輸分載梁的長度相對較長，變形后會(huì)與車板主梁緊貼在一起，即運(yùn)輸分載梁與SPMT車板主梁有近似相同的曲率半徑[1]。因此，可根據(jù)兩個(gè)梁的曲率半徑近似相等的設(shè)計(jì)方法校核運(yùn)輸分載梁和SPMT車板主梁的強(qiáng)度。

根據(jù)曲率半徑近似相等的關(guān)系，建立計(jì)算方程如下所示：

(11)

式中：Mtb為作用在運(yùn)輸分載梁上的彎矩；E為彈性模量。

SPMT車板主梁和運(yùn)輸分載梁各自承受的彎矩值為

(12)

式中：MSPMT為作用在SPMT車板主梁上的彎矩。

SPMT車板主梁和運(yùn)輸分載梁強(qiáng)度計(jì)算可由下式獲得，與第3.3.1節(jié)中相同公式此處不再列舉。

運(yùn)輸分載梁強(qiáng)度計(jì)算:

(13)

SPMT 車板主梁強(qiáng)度計(jì)算:

(14)

3.4 強(qiáng)度校核結(jié)果對比

強(qiáng)度校核結(jié)果對比如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì) MPa

由表2可知：使用兩種計(jì)算方法獲得的分載梁強(qiáng)度校核結(jié)果接近，兩種方法差別不大。SPMT車板主梁強(qiáng)度在距最外端4 m處，兩種計(jì)算方法都是由經(jīng)典力學(xué)中的基本原理經(jīng)過近似變換而得，本質(zhì)相同,因此計(jì)算結(jié)果也相同。SPMT車板主梁強(qiáng)度在距最外端9 m處，即懸臂梁固定端位置處，彎曲應(yīng)力的差別較大。

通過多次計(jì)算總結(jié)后可知，如果運(yùn)輸分載梁與SPMT車板主梁的截面軸慣性矩比較接近，使用2種方法計(jì)算的結(jié)果也比較接近。產(chǎn)生上述計(jì)算結(jié)果的原因主要包括：(1)運(yùn)輸分載梁的截面軸慣性矩約為SPMT車板主梁的截面軸慣性矩的2倍，即由于運(yùn)輸分載梁的剛度大于SPMT車板主梁的剛度，在模塊運(yùn)輸過程中，SPMT車板主梁與運(yùn)輸分載梁在同一位置處的變形量并不完全相同，也就是說兩者并不能完全貼合或具有完全相同的曲率半徑。(2)截面組合強(qiáng)度校核方法在計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)，將中性軸的位置設(shè)定在運(yùn)輸分載梁和SPMT車板主梁幾何中面位置，與真實(shí)的中性軸之間存在微小偏差。因此，在設(shè)計(jì)SPMT模塊運(yùn)輸分載梁時(shí)，運(yùn)輸分載梁的剛度不宜過大。

4 結(jié) 論

截面組合強(qiáng)度校核方法和曲率半徑相等強(qiáng)度校核方法都是由經(jīng)典力學(xué)原理推理得到的，實(shí)質(zhì)上是相同的。在設(shè)計(jì)運(yùn)輸分載梁時(shí)，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡可能保證運(yùn)輸分載梁與SPMT車板主梁剛度接近。截面組合強(qiáng)度校核方法和曲率半徑相等強(qiáng)度校核方法在計(jì)算時(shí)都進(jìn)行了一定程度的簡化，在工程實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的安全系數(shù)，保證作業(yè)安全。