混凝土澆筑機主車結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析

摘 要：主要分析了在混凝土澆筑機施工過程當中出現(xiàn)的各種工況，以及應(yīng)用ANSYS軟件對危險工況下混凝土澆筑機進行應(yīng)力分析。保證混凝土澆筑機在各種工況下有很好的穩(wěn)定性，為混凝土澆筑機的研制提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混凝土澆筑機；有限元分析；應(yīng)力分析；穩(wěn)定性

概述

雙塊式無砟軌道施工在我國尚處于起步階段，經(jīng)驗不足。經(jīng)過對同類施工尤其是混凝土澆注工藝的分析，認為應(yīng)用傳統(tǒng)的混凝土泵送，以及人力搗筑的辦法將無法滿足雙塊式無砟軌道施工工藝要求。低坍落度的混凝土不適宜混凝土泵送；道床板比較厚且截面為變截面，泵送會引起澆注不均并容易污染軌枕和扣件；人工搗筑會容易帶來振搗不均，對軌道道床的精度影響較大的問題；施工效率很低，不能滿足基本的澆注速度要求。混凝土澆筑機就是應(yīng)用于雙塊式無砟軌道道床板的鋪設(shè)機械。其主車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.駕駛室2.回轉(zhuǎn)支撐3.布料器4.Z型支架5.螺旋輸送器 6.主車架

7.水箱8.前走行9.后走行

1 計算荷載及材料選擇

1.1 計算荷載包括：

計算時模型施加載荷位置和約束情況如圖4所示，施加的荷載的大小為：

1.1.1 主車架自重（6500kg）、配重（2500kg），肢腿自重（600kg/個），螺旋輸送器自重。

1.1.2 水箱自重按集中荷載施加（均布在6個點上，125kg/個）。

1.1.3 螺旋輸送器中混凝土分為兩部分，接料口存有0.2m3混凝土（500kg），螺旋輸送器中混凝土按均布力考慮，總?cè)莘e1.8m3，通過實驗可得到填充系數(shù)不大于0.3，故輸送器中混凝土總荷載為1.8×0.3×2500=1320kg；螺旋輸送器按自重施加1500kg。

1.1.4 前掛點荷載：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺2t，混凝土1.2m3，布料器自重1050kg，駕駛室計入0.7t（懸吊），所有荷載按兩個集中力施加于油缸懸掛點。前掛點荷載總荷載：2+1.2×2500+1050+700=6750kg。

1.2 結(jié)構(gòu)主要材料包括：

1.2.1 主車架： Q345矩形方管260mm×260mm×11mm

1.2.2 Z型支架：Q345 矩形方管200mm×200mm×11mm

1.2.3 Z型支架銷軸：40Cr 70mm

1.2.4 螺旋輸送機為： 1Cr18Ni9

2 工況分析

澆筑機的走行工況有水平面走行和傾斜面走行兩種工況，前者是在直線段和橋梁隧道超高段施工，后者則是在路基超高段施工。在下部超高（正向接料）時由于超高的影響混凝土澆筑機會有比較大的側(cè)偏，側(cè)偏引起的橫向重力分量較大，再加之螺旋接料和送料的影響，傾覆力矩較大；由此可見，混凝土澆筑機在下部超高且在正向接料時處于最危險狀態(tài)。下面將對這種危險工況進行結(jié)構(gòu)計算。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型并施加載荷及約束

混凝土澆筑機工況復(fù)雜，為了達到更安全又經(jīng)濟的目的就需要對車架進行空間的完整的受力分析和更精確的強度、剛度計算，因此需要借助于澆筑機ansys有限元分析的整體模型（如圖3）。在Ansys 軟件中， 按圖紙建立的1∶1 實體模型，共劃分成901個單元，生成1979 個節(jié)點。矩形管通過beam189 單元的實常數(shù)定義；加強筋和支撐的截面通過Ansys 軟件的前處理模塊的梁截面工具定義。

3.2 計算結(jié)果

主車架應(yīng)力及應(yīng)變云圖如圖5和6所示。根據(jù)應(yīng)力云圖和位移云圖可以看出，主車架結(jié)構(gòu)危險處的最大應(yīng)力為232MPa， 最大應(yīng)力出現(xiàn)在Z型支架前部銷軸處；最大位移出現(xiàn)在螺旋輸送機端部，最大位移為60mm，車架本身最大變形為7mm。

4 穩(wěn)定性分析

考慮到最危險狀態(tài)下，以及非正常操作的可能性，四個支腿的支反力分別為：490Kg、665.4Kg、12900Kg以及4384Kg 。

5 結(jié)束語

經(jīng)過以上計算結(jié)果可以得出：（1）混凝土澆筑機在正常施工過程中穩(wěn)定性符合要求。（2）根據(jù)混凝土澆筑機主車模型有限元分析結(jié)果可知主車架最大應(yīng)力值232MPa，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，其最大應(yīng)力在許用范圍之內(nèi)，即主車架的強度滿足要求。（3）在主車架的設(shè)計中，剛度問題主要考慮澆筑機主車架的彈性變形，在有限元的精確分析中為7mm，在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

參考文獻

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作者簡介：萬鵬（1982-），男，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院機械設(shè)計及理論專業(yè)，主要從事工程機械的研究。