1 000 t輪胎式搬梁機設計及有限元分析*

郭吉祥

（中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北襄陽 441006）

0 引言

福廈鐵路位于福建省沿海地區(qū)，北起福州市，途經莆田市、泉州市，南至廈門市和漳州市。線路北端銜接合福鐵路、溫福鐵路，南端銜接廈深鐵路、龍廈鐵路，與東南沿海鐵路福廈段共通道，既可構建京福廈高速鐵路客運通道，也是東南沿海鐵路客運通道的重要組成部分，新建線路全長277.42 km。整條線路采用雙線預制箱梁、現澆梁等，其中雙線預制箱梁有40 m、32 m、24 m雙線箱梁及少量非標準雙線箱梁，而40 m大跨度簡支箱梁的質量在1 000 t左右，為滿足簡支梁的提運架要求，需研制千噸級的大跨度簡支箱梁提運架設備。

本文研制的1 000 t輪胎式搬梁機，可適用于國內時速350 km/h、250 km/h的鐵路客運專線預制場內20 m、24 m、32 m、40 m整孔雙線箱梁的起吊、運輸、轉移等工作的專用設備，具有載重力強、使用范圍更廣等優(yōu)點，且有助于完善我國具有獨立自主知識產權的高鐵橋梁建設技術體系[1-5]，助力“一帶一路”建設，對于我國高速鐵路長期發(fā)展和實現“走出去”戰(zhàn)略目標具有積極的推動作用。

1 1 000 t輪胎式搬梁機總體方案

1 000 t輪胎式搬梁機額定起質量為1 000 t，采用單主梁結構，支腿采用A型支腿，起升系統(tǒng)采用4點起吊3點均衡的吊梁方式，如圖1所示。主要由主梁、支腿、車架及懸掛轉向走行系統(tǒng)、前/后起重小車、動力系統(tǒng)、液壓和電氣系統(tǒng)、走臺欄桿等組成。

圖1 1 000 t輪胎式搬梁機示意圖

1.1 主梁

1 000 t輪胎式搬梁機主梁采用單主梁箱型結構，單主梁由5個節(jié)段拼裝而成，每個節(jié)段均為焊接箱型結構，節(jié)段之間采用鉸制孔螺栓連接，與支腿采用法蘭連接。該結構與傳統(tǒng)的雙主梁結構相比，具有重量輕、結構緊湊、靈活的優(yōu)點。主梁材料選用Q345C結構鋼，單件箱梁不超過12 m，其質量不超過36 t，符合公路運輸要求。

1.2 支腿

支腿設計為A型，主體均采用箱型結構，內部布置有加勁板以防止局部失穩(wěn)。節(jié)段之間采用高強度摩擦性螺栓連接，可以保證輪胎式搬梁機的抗扭性和垂直方向的穩(wěn)定性。支腿材料采用Q345C結構鋼。

1.3 起重小車

1 000 t輪胎式搬梁機有2臺起重小車，每臺起重小車有2套起升機構，每個機構對應所要起吊的混凝土梁的2個吊點。

單臺起重小車由橫移頂推機構、縱移頂推機構、定滑輪組、導向輪組、平衡滑輪組、液壓卷揚機、鋼絲繩、小車架等組成。

1.4 車架及走行系統(tǒng)

車架是行走輪組的承力部件，采用單根箱形梁結構，左右腹板外側分別與8組牛腿通過高強度螺栓連接。車架頂面安裝支腿，下面安裝支撐機構，材料選用Q345C結構鋼。車架通過牛腿與輪組相連。本搬梁機共有2個車架，每個車架連接有8軸線16個行走懸掛和4個支撐機構。

搬梁機整機走行通過發(fā)動機驅動左、右走行輪組來實現的。左、右走行輪組上面各連接有一個車架。整機走行系統(tǒng)含主動行走懸掛和從動行走懸掛共有32個，其中10個主動行走懸掛，20個主動輪；22個從動行走懸掛，44個從動輪。

1.5 電氣和液壓系統(tǒng)

1 000 t輪胎式搬梁機控制系統(tǒng)采用分布CAN總線方式，控制器之間采用CAN總線將16臺控制器和2個顯示屏以及32個轉向編碼器連成一體。系統(tǒng)采用多級總線控制，每臺控制器均有4條總線，控制總線和信息總線嚴格分開，一方面保障了系統(tǒng)控制的響應快，另一方面也保障系統(tǒng)的通訊安全。

液壓系統(tǒng)由轉向、懸掛、行走驅動、支撐、起升、橫移、縱移、鉗盤制動、散熱等幾大回路和液壓輔助系統(tǒng)組成。整機液壓系統(tǒng)通過電磁比例閥和微電控制系統(tǒng)，行走和起升采用無級調速模式，實現了輪胎搬梁機在啟動和停機時傳動速度保持定加速度的變化，確保整機平穩(wěn)起動與平穩(wěn)制動，沖擊小，平穩(wěn)性好。

2 設備參數及工況分析

2.1 設備主要參數

設備主要參數如表1所示。

表1 1 000 t輪胎式搬梁機主要參數表

2.2 工況分析

目前，我國高速鐵路常用有20 m、24 m、32 m跨度簡支梁，以及非標準跨度簡支梁和新提出40 m跨度簡支梁，其對應額定質量分別為580 t（20.6 m）、700 t（22 m）、750 t（24.6 m）、780 t（26 m）、810 t（28.6 m）、850 t（30.1 m）、890 t（31.5 m）、900 t（32.6 m）、1 000 t（40.6 m）。

1 000 t輪胎式搬梁機起吊40 m、32 m、24 m、20 m混凝土箱梁及非標準箱梁時，各工況移動載荷和設備自重產生的反作用力如表2所示。

表2 1 000 t輪胎式搬梁機起吊箱梁產生反作用力

綜合以上9種工況分析，可以按最不利工況31.5 m簡支箱梁起吊工況設計驗算，其受力示意圖如2所示，其中（20+20）t為起重小車和吊具質量、（4+4）t為兩卷揚機質量。

圖2 31.5 m簡支箱梁起吊工況載荷示意圖

圖3 有限元模型及約束圖

3 結構有限元計算

3.1 有限元模型

1 000 t輪胎式搬梁機主結構采用Q345C鋼板焊接而成，根據金屬結構圖按照一定的簡化建立計算模型。計算驗算軟件采用大型通用有限元軟件，模型長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa，位移單位為mm[6]。

3.2 載荷及參數處理

根據最不利的工作載荷分別組合，再考慮的吊梁載荷有：（1）搬梁機自身重量，取重力加速度g=9.8 m/s2；（2）水平慣性載荷，計算加速度0.11 m/s2；（3）取彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比 μ=0.3；（4） 風載，取風載q=250 N/m2；（5）考慮到搬梁機驅動力突增或突減時對結構的影響，取加速度放大倍數1.5。另外，水平慣性載荷作為慣性載荷施加于有限元模型上，重物水平慣性載荷等效為集中載荷施加于主梁上。

3.3 結果分析

1 000 t輪胎式搬梁機結構計算所得應力分布和變形如圖4、圖5所示。

圖4 1 000 t輪胎式搬梁機應力圖

圖5 1 000 t輪胎式搬梁機剛度圖

參考設計規(guī)定《鋼結構設計規(guī)范》(GB5017-2017)[7]，Q345C鋼板厚度為16 mm＜δ≤35 mm時，其許用應力設計值為[σ]=295 MPa。由圖4可知，1 000 t輪胎式搬梁機結構應力最大值為249 MPa，小于許用應力設計值[σ]，滿足設計要求。

參考設計規(guī)范《起重機設計規(guī)范》（GB/T3811-2008）[8]，起重機跨中載荷工況下最大靜撓度[f]通常取值為L/700～L/400，根據以往設計經驗，輪胎式的起重設備本身會產生一定的下撓變形量，因此最大靜撓度[f]≤L/600即可。由圖5可知，1 000 t輪胎式搬梁機結構下撓變形量f=63.9 mm（跨度L=48.6 m），小于最大允許最大靜撓度[f]=81 mm，滿足設計要求。

4 結束語

1 000 t輪胎式搬梁機是為40 m跨1000 t預制箱梁的架設而專門配套設計的大型移動式提梁設備，目前已在福廈高速鐵路工程中投入使用。該搬梁機能夠適應目前所有型號規(guī)格箱梁的提梁要求，可以實現20～40 m標準、非標準雙線整孔箱梁的起吊與運輸，同時還能滿足預制梁場內鋼筋骨架和整體內模的吊裝作業(yè)，其載重力強，應用范圍廣泛。該設備的研制成功，并在梁場搬運梁施工中高效穩(wěn)定的運用，有效提高了箱梁預制及箱梁運輸的效率，為我國高速鐵路的建設發(fā)展做出了貢獻。