基于ANSYS分析的可旋轉(zhuǎn)運輸馱架研究

胡冰心,莫易敏

(1.武漢理工大學(xué)，機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中鐵工程機械研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430063)

隨著我國“十四五”規(guī)劃對交通強國的進一步指示及高速鐵路中長期規(guī)劃“八縱八橫”逐漸實施[1]，高速鐵路橋梁架設(shè)逐漸增多，與此同時，對橋梁架設(shè)設(shè)備的需求也逐步增加。近年來設(shè)計的客運專線TLJ900型架橋機[2]，高鐵1 000 t/40 m上導(dǎo)梁式昆侖號運架一體機[3]，1 800 t級科威特用中國超大型架橋機組等新型架橋機設(shè)備[4]，表明高速鐵路橋梁架設(shè)正從小噸位、小跨度逐漸向大噸位大跨度轉(zhuǎn)變，工況逐漸復(fù)雜。因此需要架橋機設(shè)備不斷更新來與之相適應(yīng)。同時作為架橋設(shè)備的核心運輸工具之一的馱架設(shè)計就顯得尤為重要。

實際施工過程中，考慮到架橋機整機結(jié)構(gòu)尺寸大、鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各部分拆裝調(diào)試技術(shù)復(fù)雜等特點，當架橋機在工作流程中需要進行轉(zhuǎn)場和過隧道時，若將架橋機各部件全部拆卸后再進行運輸，工期會大大加長。佘宏等[5]對運梁車馱梁過隧道施工方法進行了改進，提高運梁車過隧道的效率；王昕煜等[6]針對千噸級城市立交橋的整體置換,研制出了馱運架一體機進行雙車聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)，具有較小的誤差和較高的效率；Zhu等[7]通過對梁進行校核計算研究，為運梁車的施工提供了理論依據(jù)。筆者針對800噸級單雙線箱梁運架設(shè)備的實際使用需求，設(shè)計了一種可將架橋機支撐于運梁車上，滿足旋轉(zhuǎn)工況的馱運設(shè)備，并對其結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析。

1 馱架結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵路橋梁架設(shè)過程中，馱架結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時滿足正常高位馱運工況和隧道低位馱運工況要求，通過還原不同工況下的工作流程，分析每個過程要解決的問題，對馱架各部分結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

1.1 工況分析

1.1.1 正常馱運工況

正常馱運轉(zhuǎn)場過程，其主要工作流程為前后運梁車帶前后馱架走行至架橋機下方(前馱架低位支撐，后馱架高位支撐)，小車將前運梁車吊起通過中支腿到支撐位。之后前馱架自頂升至高位。架橋機通過前輔助支腿、前支腿和中支腿交替下降后整機落在前、后馱架上并鎖定。最后架橋機前輔助支腿、前支腿和中支腿繼續(xù)收縮騰空，前支腿行駛至支撐位置，進行馱運。如圖1所示。

圖1 運梁車馱運架橋機(正常馱運工況，高位馱運)

正常馱運工況為高位馱運，考慮馱架頂升至高位后馱運架橋機的受力狀況，馱架內(nèi)外柱體應(yīng)設(shè)置合理的重合長度。架橋機作業(yè)過程中，小車需經(jīng)過馱架，但馱架內(nèi)柱體高度受限，因此需將內(nèi)柱體分為兩個節(jié)段，通過摩擦板和螺栓連接。小車過馱架時拆除上節(jié)段滿足空間限制，其余工況下安裝上節(jié)段滿足重合度要求，提升安全性。

1.1.2 隧道馱運工況

隧道馱運過程，前后運梁車帶前后馱架駛?cè)爰軜驒C下方，小車吊運前運梁車至轉(zhuǎn)換支撐位置后，前馱架升高至高位支撐。之后架橋機降低支撐，后支腿翻折，后運梁車帶后馱架開進架橋機。前運梁車帶前馱架走行至前支撐位，架橋機交替下降高度，至整機落在前后馱架上。中支腿和后支腿待機臂和前后馱架接觸受力后，繼續(xù)緩慢收縮支腿至騰空并利用前支腿輔助支撐。中支腿旋轉(zhuǎn)68°，前支腿收縮騰空，進行馱運過隧。隧道馱運工況下運梁車馱運架橋機，如圖2所示。

圖2 運梁車馱運架橋機(過隧道馱運工況，低位馱運)

綜合以上兩種工況，在滿足箱梁運架設(shè)備的馱運要求的前提下，還需要通過R6410雙線隧道，實現(xiàn)出隧道口4.5 m架梁，因此要求架橋機機臂旋轉(zhuǎn)角度在0～±8°范圍，馱架上部分與主梁連接處需設(shè)置搖枕機構(gòu)以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

1.2 馱架結(jié)構(gòu)

馱架主要由搖枕、上梁、內(nèi)柱總成、下梁、自頂升油缸和斜撐總成組成[8]，通過對兩種工況的分析確定馱架各部分的設(shè)計要求如下：

搖枕用4個鎖定插銷與架橋機機臂鎖定，通過中心軸套和滑動軸承與下方上梁旋轉(zhuǎn)套筒配合以滿足機臂旋轉(zhuǎn)角度0°～±8°。上梁則采用門型框架結(jié)構(gòu)，4個角放置限位支座限定搖枕旋轉(zhuǎn)角度，下部分結(jié)構(gòu)主要為伸縮結(jié)構(gòu)外柱體，其外部兩側(cè)焊接油缸連接支座，在設(shè)計過程中僅考慮馱架的自頂升，無需頂升架橋機，選用油缸型號為HSGK01-125-90-1470。馱架各部分設(shè)計指標如表1所示，設(shè)計按照CJJ11—93《城市橋梁設(shè)計準則》標準執(zhí)行。馱架整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 馱架結(jié)構(gòu)示意圖

表1 設(shè)計指標

2 有限元仿真分析

為減少實際施工過程中的成本、降低安全風(fēng)險，在工程實際中常采用計算機輔助軟件對結(jié)構(gòu)進行分析[9]。馱架的靜力學(xué)分析主要是為了計算在載荷條件下機架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變與總變形量，驗證是否符合設(shè)計要求。本設(shè)計采用有限元分析軟件ANSYS19.2對馱架進行強度和剛度分析，以馱架低位支撐、高位支撐和高位支撐同時搖枕轉(zhuǎn)8° 3種工況，確定載荷情況為垂直載荷和水平載荷。其中垂直載荷是架橋機自重壓在馱架上產(chǎn)生的支反力，水平載荷是摩擦阻力、坡道阻力和慣性力的總和。馱架所受的約束為內(nèi)柱底部的4個自由度約束。

2.1 馱架高位支撐工況分析

馱架在正常工況下為高位支撐，其中單個馱架所受的垂直載荷為280 t，水平載荷通過式(1)計算[10]。

F=1.5×(Ff+F坡+Fa)

(1)

式中：Ff為馱架與運梁車的摩擦阻力，F(xiàn)f=Mf=340×0.025=8.5 t；F坡為馱架運行的坡道阻力，F(xiàn)坡=Msinα=13.6 t；Fa為馱架起動的慣性力，F(xiàn)a=Ma=3.85 t。

可得到馱架所受水平載荷力為38.925 t，取39 t計算。

馱架垂直載荷為280 t，水平載荷(沿Y軸正向加載，即沿圖4中前方)為39 t，整機重量為7.5 t，鋼對NGE(工程塑料合金)摩擦系數(shù)為0.02，運梁車軌道中心距為2 430 mm，馱架立柱中心距為2 380 mm，材料為Q355C。單元類型選擇三維實體單元SOLID95，其由20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有3個自由度。高位支撐時馱架有限元模型及網(wǎng)格劃分效果如圖4所示，采用第三強度理論對馱架進行校核。

圖4 高位支撐馱架有限元模型

下橫梁設(shè)置固定約束，添加水平載荷39 t、垂直載荷280 t后進行靜力學(xué)分析。應(yīng)力及變形云圖如圖5所示，最大應(yīng)力為214 MPa；最大變形量f=190 mm。

圖5 高位應(yīng)力和變形云圖

Q355C鋼材的許用應(yīng)力為：

(2)

變形量與跨度S的關(guān)系應(yīng)滿足：

f≤(1/500)S=357 mm

(3)

由應(yīng)力云圖和變形云圖可知高位支撐工況應(yīng)力、變形滿足要求。

2.2 馱架高位且搖枕旋轉(zhuǎn)8°工況分析

搖枕旋轉(zhuǎn)8°時仍為高位支撐，選擇SOLID95單元，網(wǎng)格劃分效果如圖6所示，采用第三強度理論對馱架進行校核。

圖6 高位支撐搖枕旋轉(zhuǎn)8°馱架限元模型

載荷與約束添加方式與工況1馱架高位支撐時相同。進行靜力學(xué)分析后其應(yīng)力和變形云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為227 MPa，最大變形214 mm,應(yīng)力、變形滿足要求。

圖7 高位搖枕旋轉(zhuǎn)8°應(yīng)力和變形云圖

2.3 馱架低位支撐工況分析

馱架隧道馱運工況情況下為低位支撐，其中單個馱架所受的垂直載荷為450 t，水平載荷通過式(1)計算，最后可以得到馱架所受水平載荷力為58.4 t。

馱架添加垂直載荷450 t，水平載荷(沿Y軸正向加載，即沿圖8中前方)58.4 t，整機重量7.4 t，鋼對NGE摩擦系數(shù)0.02，運梁車軌道中心距2 430 mm，馱架立柱中心距2 380 mm，材料為Q355C。單元類型選擇SOLID95單元，低位支撐時網(wǎng)格劃分效果如圖8所示，采用第三強度理論對馱架進行校核。

圖8 低位支撐馱架限元模型

下橫梁添加固定約束，施加垂直載荷7.4 t，水平載荷58.4 t后進行靜力學(xué)分析。其應(yīng)力和變形云圖如圖9所示，最大應(yīng)力為218 MPa,最大變形量為254 mm，應(yīng)力、變形滿足要求。

圖9 低位應(yīng)力和變形云圖

綜合分析3種工況下的有限元計算結(jié)果，可知對馱架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足當前的工程需求。并且可以通過設(shè)置上梁外柱體內(nèi)側(cè)的三角加強筋板，搖枕及上梁箱體結(jié)構(gòu)的板厚調(diào)整等來進一步提升設(shè)備的安全性，最大程度降低制造成本，提升工藝性和焊接性能，完善總體設(shè)計。

3 馱架安全性驗證

為確保馱架正常使用中的安全性，需要對銷軸和重要焊縫進行探傷檢測。

3.1 銷軸探傷檢測

銷軸探傷檢測所用的儀器型號為KW-4B、探頭類型為直探頭，根據(jù)GB/T4162-2008《鍛軋鋼棒超聲檢測方法》[11]分別對整機各處銷軸進行檢測和驗收，位置及現(xiàn)場探傷操作如圖10所示。銷軸探傷檢測中被檢零部件未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，判定為合格。

圖10 銷軸位置和現(xiàn)場銷軸探傷示意圖

3.2 焊縫探傷檢測

焊縫探傷檢測主要針對的是上梁及內(nèi)柱總成部分，分析其內(nèi)部是否存在裂紋、氣孔、夾渣等不良的焊接情況。焊縫探傷所用的儀器型號為KW-48，探頭的類型為直探頭、斜探頭，根據(jù)JB/T 10559-2018《起重機械無損檢測鋼焊縫超聲檢測》[12]分別對如圖11所示焊縫進行檢測并驗收?，F(xiàn)場探傷操作如圖12所示，驗收合格。

圖11 上梁和內(nèi)柱總成焊縫探傷位置

圖12 現(xiàn)場焊縫探傷

4 結(jié)論

筆者設(shè)計了800噸級單雙線箱梁運架設(shè)備運輸馱架，該馱架有低位馱運、高位馱運兩種工作狀態(tài)，除此之外，還能滿足降低高度避讓小車、局部高度微調(diào)以及小幅度旋轉(zhuǎn)等功能，解決了架橋機由于轉(zhuǎn)場和過隧道時工期長的難題。應(yīng)用有限元軟件對馱架進行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：該馱架滿足強度和剛度要求。最后對該馱架進行銷軸探傷和焊縫探傷檢測的驗收試驗，驗收結(jié)果合格，可以投入使用。相對傳統(tǒng)的馱架設(shè)備，該馱架結(jié)構(gòu)緊湊、施工流程簡單，在實際使用中效果良好。