500t輪軌式提梁機(jī)設(shè)計(jì)及有限元分析

彭 華

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司，湖北襄陽(yáng) 441006）

0 引言

隨著我國(guó)高鐵橋梁建設(shè)的發(fā)展，對(duì)于高速鐵路簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)理論有了更深刻認(rèn)識(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)控制指標(biāo)有了更全面掌握。并且，隨著我國(guó)機(jī)械設(shè)備研究水平和工業(yè)制造能力的發(fā)展，運(yùn)架設(shè)備在梁體跨度和起重能力方面有了顯著提高。最新的2013年《鐵路主要技術(shù)政策》（原鐵道部第34號(hào)令)第38條指出：“開展大跨度橋梁研究”；中國(guó)鐵路總公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵總”)《鐵路工程設(shè)計(jì)措施優(yōu)化指導(dǎo)意見》（鐵總建設(shè)〔2013〕103號(hào)文)規(guī)定：“梁部結(jié)構(gòu)宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)并以簡(jiǎn)支為主”，這是我國(guó)高鐵大跨度簡(jiǎn)支梁發(fā)展的政策依據(jù)和技術(shù)導(dǎo)向，也是高鐵橋梁的發(fā)展方向。研究成果顯示[1-3]，40 m箱梁跨越能力更大，同里程橋梁架設(shè)效率更高，在一定條件下經(jīng)濟(jì)性更好，且特別適合于高墩、大跨度、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況使用。

目前，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)將加速與鐵路產(chǎn)業(yè)的融合，建設(shè)智慧鐵路是當(dāng)今世界鐵路科技發(fā)展的趨勢(shì)，我國(guó)已成為世界智能鐵路發(fā)展的重要引領(lǐng)者。如何將新一代信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)融合應(yīng)用至搬提運(yùn)架裝備的研發(fā)和制造過(guò)程中，融入信息化、智能化元素，全面提升40 m梁搬提運(yùn)架設(shè)備[4-7]的安全性、經(jīng)濟(jì)性和操作性，是急需解決的重要問(wèn)題。另外，隨著建設(shè)規(guī)模的增大，地形、地質(zhì)、環(huán)境復(fù)雜性增加，各建設(shè)單位積極采用先進(jìn)施工技術(shù)，降低建設(shè)費(fèi)用、保證質(zhì)量、提高工效，對(duì)大型機(jī)械化搬、提、運(yùn)、架設(shè)備的要求越來(lái)越高。

500 t輪軌式提梁機(jī)是專為40 m預(yù)制箱梁架設(shè)施工研究的大型設(shè)備，可適用于國(guó)內(nèi)時(shí)速350 km/h、250 km/h鐵路40 m及以下標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)箱梁的跨線提梁作業(yè)，同時(shí)能夠配合架橋機(jī)完成架梁作業(yè)。

1 500t輪軌式提梁機(jī)技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)方案

500 t輪軌式提梁機(jī)由主梁、剛性支腿、柔性支腿、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起重天車、電氣系統(tǒng)、附屬結(jié)構(gòu)等組成。500 t輪軌式提梁機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 500 t輪軌式提梁機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 500t輪軌式提梁機(jī)性能參數(shù)

主梁采用雙主梁箱型結(jié)構(gòu)，兩箱梁中心距5 m，是提梁機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)。單根主梁由3個(gè)節(jié)段拼裝而成，每個(gè)節(jié)段均采用Q345C低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，各節(jié)段之間用10.9S級(jí)別高強(qiáng)度摩擦型螺栓及連接板拼接。

剛性支腿安裝在提梁機(jī)的左側(cè)，與主梁底部通過(guò)法蘭連接，剛腿底部支撐在大車走行機(jī)構(gòu)上。柔性支腿安裝在提梁機(jī)的右側(cè)，與主梁通過(guò)鉸支座連接，使主梁與柔性支腿在提梁機(jī)平面內(nèi)形成可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接機(jī)構(gòu)。支腿為箱形梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)中間拉桿及下橫梁連接，形成整體受力的框架結(jié)構(gòu)。

每臺(tái)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由走行臺(tái)車、十字鉸總成、均衡梁、連接座、安全裝置等部件構(gòu)成。起重小車由卷?yè)P(yáng)機(jī)組、定滑輪組、導(dǎo)向滑輪組、小車架、走行臺(tái)車，鋼絲繩、吊具總成等組成。

電氣系統(tǒng)采用分布式IO控制方式，主控中心設(shè)在司機(jī)室，分別在兩側(cè)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起重小車處設(shè)置3個(gè)從站控制柜。司機(jī)室作為總控制中心，通過(guò)PLC的DeviceNet總線單元和其他柜子的I/O遠(yuǎn)程模塊進(jìn)行通訊。

另外，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28264-2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》規(guī)定，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備管理等方面開展了攻克研究，包括共享監(jiān)控技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)以及信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

提梁機(jī)研制過(guò)程中，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用技術(shù)等方面攻克了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。相比原有提梁機(jī)，形成了以下新的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）輪壓均衡分配技術(shù)：大車和小車均采用雙軌臺(tái)車方式，有效降低大車和小車輪壓，同時(shí)雙軌臺(tái)車設(shè)置十字軸鉸，有效均衡雙軌臺(tái)車兩個(gè)方向的輪壓。

（2）共享監(jiān)控技術(shù)：每臺(tái)提梁機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及影像都可通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)共享至另外一臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雙重監(jiān)控模式。

（3）自動(dòng)糾偏技術(shù)：在左右大車車輪軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾偏。

（4）防風(fēng)技術(shù)：在大車走行機(jī)構(gòu)設(shè)置有電動(dòng)防風(fēng)鐵楔、機(jī)械夾軌器、駐車錨固裝置，支腿下方設(shè)計(jì)有纜風(fēng)繩錨固裝置。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)：整機(jī)裝有傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)診斷。

2 有限元仿真

2.1 工況分析

根據(jù)500 t輪軌式提梁機(jī)特點(diǎn)及規(guī)范要求，計(jì)算工況分為動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算及靜載剛度計(jì)算，根據(jù)主結(jié)構(gòu)受力最不利狀態(tài)，分為4種工況進(jìn)行分析。

工況1：起重天車重載位于主梁跨中時(shí)強(qiáng)度計(jì)算，該工況是主梁受力最不利狀態(tài)，同時(shí)考慮大車制動(dòng)及門架方向（X方向）風(fēng)載荷。

工況2：起重天車重載位于剛性支腿側(cè)極限位置時(shí)強(qiáng)度計(jì)算，該工況是剛性支腿受力最不利狀態(tài)，同時(shí)考慮天車制動(dòng)及支腿方向（Z方向）風(fēng)載荷。

工況3：起重天車重載位于柔性支腿側(cè)極限位置時(shí)強(qiáng)度計(jì)算，該工況是柔性支腿受力最不利狀態(tài)，同時(shí)考慮天車制動(dòng)及支腿方向（Z方向）風(fēng)載荷。

工況4：靜剛度計(jì)算，起重天車重載靜止位于主梁跨中，該工況是主結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)。

根據(jù)上述4種工況，最不利載荷組合如表2所示，其中前3個(gè)工況計(jì)算強(qiáng)度（需考慮起升動(dòng)載系數(shù)），工況4是剛度計(jì)算為靜載。

2.2 模擬仿真

2.2.1 建模

500 t輪胎式提梁機(jī)主結(jié)構(gòu)采用Q355C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)圖紙建立計(jì)算模型，模型長(zhǎng)度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa。采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析[8]，按實(shí)際工況進(jìn)行約束、加載。有限元模型及約束如圖2所示。

表2 工況載荷組合

圖2 有限元模型及約束

2.2.2 載荷處理

根據(jù)各工況載荷組合加載，其中大車及主結(jié)構(gòu)的慣性力等效施加于有限元模型上，天車及箱梁的慣性載荷等效為集中載荷施加在主梁上，大車及主結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷等效施加于有限元模型上，天車及箱梁的風(fēng)載荷等效為集中載荷施加在主梁上。主要載荷參數(shù)：重力加速度g=9.8 m/s2；起升動(dòng)載系數(shù)Φ2=1.1；大車啟制動(dòng)加速度a1=0.067 m/s2；天車啟制動(dòng)加速度a2=0.04 m/s2；風(fēng)壓q=250 N/m2。

2.2.3 仿真結(jié)果分析

4種工況模擬仿真結(jié)果分別如圖3～6所示。工況1最大應(yīng)力值為183.3 MPa，出現(xiàn)在主梁跨中加載處；工況2最大應(yīng)力值為127.5 MPa，出現(xiàn)在剛腿下橫梁筋板處；工況3最大應(yīng)力值為211.6 MPa，出現(xiàn)在主梁與柔腿鉸接處；工況4最大下?lián)现禐?4.59 mm。

參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5017-2017)[9]，Q355C鋼板厚度為16 mm＜δ≤40 mm時(shí)，其許用應(yīng)力設(shè)計(jì)值為[σ]=223.3 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)取1.5。由有限元計(jì)算結(jié)果可知，500 t輪軌式提梁機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為211.6 MPa，小于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)值[σ]，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 工況1應(yīng)力云圖

圖4 工況2應(yīng)力云圖

圖5 工況3應(yīng)力云圖

參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T3811-2008）[10]，起重機(jī)跨中載荷工況下最大靜撓度[f]通常取值為(L/750)～(L/500)，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，輪軌式提梁機(jī)許用擾度取[f]=L/700。由有限元計(jì)算結(jié)果可知，500 t輪軌式提梁機(jī)結(jié)構(gòu)下?lián)现禐?4.59 mm，小于允許最大靜撓度[f]=54.3 mm（跨度L=38 m），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 工況4剛度云圖

3 工程應(yīng)用

新建福州至廈門鐵路位于福建省沿海地區(qū)，北起福州市，南至廈門市，新建線路全長(zhǎng)277.42 km。全線采用雙線預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆梁等，雙線預(yù)制箱梁有40 m、32 m、24 m標(biāo)準(zhǔn)箱梁和少量非標(biāo)箱梁。如圖7所示。

圖7 500 t輪軌式提梁機(jī)

新制提梁機(jī)應(yīng)用于福廈高速鐵路某梁場(chǎng)，目前已提梁380榀（含32 m梁）。設(shè)備成功投入使用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性、安全性等，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，在運(yùn)行過(guò)程中，性能穩(wěn)定、操作便捷、施工效率高等，贏得業(yè)主及用戶的一致好評(píng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)各個(gè)工況的有限元分析結(jié)果，500 t輪軌式提梁機(jī)的主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在下橫梁筋板或者上橫梁隔板處，設(shè)計(jì)者在以后遇到類似情況，在設(shè)計(jì)中可考慮局部加強(qiáng)。目前500 t輪軌式提梁機(jī)在福廈鐵路項(xiàng)目使用情況良好，可滿足施工要求，大大提高了施工效率，為40 m大跨度箱梁建造技術(shù)提供了設(shè)備保證及施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于我國(guó)高速鐵路長(zhǎng)期發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。