鐵路起重機吊臂有限元分析研究

摘 要：鐵路起重機作為鐵路實施安全救援工作的重要組成部分，運行的可靠性對整個救援工作有著極大的影響。鐵路起重機吊臂作為鐵路起重機的重要組成部分，也是影響鐵路起重機運行安全性的關鍵結構，因此，應重視鐵路起重機吊臂的運行情況，尤其是滑塊接觸位置的選擇更為重要，在不同的工作狀況下，鐵路起重機吊臂的位移情況也各有不同，主要受到起重量、吊臂自身重量、水平載荷等方面的影響，要更好的確保鐵路起重機吊臂結構運行的穩定性，需要對其結構進行不斷的優化。

關鍵詞：鐵路；起重機；吊臂；有限元

前言

對鐵路起重機吊臂結構的優化需要做好有限元分析，這樣才能根據實際的情況對其結構進行合理的優化，對此，文章主要從這個角度出發對吊臂有限元模型進行劃分、吊臂載荷工況以及約束分析、吊臂與滑塊的連接、吊臂有限元分析結果等幾方面展開分析。

1 起重機吊臂結構分析

隨著社會經濟的不斷發展，鐵路事業的發展也極為迅速，安全救援工作也逐漸被重視。鐵路起重機作為鐵路實施安全救援工作的重要設備之一，其吊臂的有限元極為重要[1]。根據現階段鐵路起重機的使用來看，鐵路起重機的吊臂主要由基本臂、二節臂、三節臂、變幅油缸、伸縮油缸等結構組成，每一項結構在起重機整體工作中都占有一定的分量，各有分工。另外，起重機吊臂還包括由鋼板焊接組成的八邊形箱形結構以及可以相對滑動的側向力和傳遞垂向力等組成，通過各項結構的相互搭配來實現起重機安全救援的工作。

2 鐵路起重機吊臂有限元分析研究

2.1 吊臂有限元模型的劃分

在對起重機吊臂有限元模型進行劃分的過程中，主要采用I-DEAS Master Series軟件對起重機吊臂的受力情況展開模擬分析[2]。對吊臂有限元模型的劃分主要對solid單元、beam單元以及shell單元的優缺點進行模擬比較，其中solid單元對計算性能的要求很高，而beam單元卻不能對起重機吊臂間模塊的載荷和連接的傳遞作用進行模擬。在吊臂有限元模型劃分的過程中，主要考慮吊臂鋼結構的特點，可以將起重機吊臂離散成四個節點四邊形薄殼shell單元。由于shell單元不僅有中面膜力，還具有彎曲變形的特性，因此，通過shell單元的模擬能夠有效的對起重機吊臂實際應力情況進行模擬。

2.2 吊臂載荷工況以及約束分析

對于起重機載荷工況以及約束的分析來說，為了盡量與實際情況相符，主要從起重機吊臂正常工作的情況下承載的載荷進行分析，其中包括起重量K、吊臂自重M、水平載荷O等三部分[3]。由于起重機吊臂在正常工作中，受到吊臂長度、起吊幅度、起吊載荷等三方面的影響，這都是在對吊臂載荷分析過程中必須要考慮的因素。一般情況下，吊臂的各個節臂之間主要是通過上下滑塊來傳遞側向和垂向載荷的，如果起重機的吊臂處在伸出狀態下，那么，軸向力應該由各個節臂之間的伸縮油缸來承擔。如果是起重機吊臂起升的狀態下，那么起重量K以及水平載荷O將會作用在三節臂端部銷軸孔的位置，這時起重機吊臂自身的重力將會通過施加重力加速度的方式來模擬起重機的實際受力情況。一般情況下，起重機吊臂的約束位置都會在基本臂后鉸點的位置，對2個轉動自動度以及3個平動自由度進行約束，對繞銷軸轉動的自由度不對其進行約束，這樣可以實現對起重機吊臂繞銷軸自由旋轉進行模擬。

2.3 吊臂與滑塊的連接

鐵路起重機吊臂有限元的分析，對確保起重機吊臂運行的可靠性有著一定的幫助，吊臂的各個節臂在運行的過程中，都是通過滑塊來實現側向載荷與垂向載荷的傳遞，因此，在鐵路起重機吊臂有限元的分析中，要注重吊臂與滑塊的連接[4]。針對吊臂與滑塊的連接可以采用兩種模擬方式進行連接，一種是面一面的方式，相對來說這種模擬方式計算起來不容易，而且，結果也不穩定；而另一種則是節點耦合的方式，該種模擬方式不僅能夠節省大量的計算時間以及計算資源，同時還能提高結果的穩定性，相比于面一面接觸方式來說更加穩定。因此，在吊臂與滑塊連接的模擬中主要采用的是節點耦合的方式，根據鐵路起重機吊臂的實際情況，將基本臂和二節臂之間的前滑塊固定在基本臂之上，然后再通過節點耦合來與二節臂進行連接，這樣可以通過改變節點的坐標方式，并將做接觸面法線方向的耦合，而后滑塊則將其固定在二節臂上，同樣是通過耦合的方式來實現與基本臂的連接，以此類推同樣將二節臂和三節臂的連接方式進行同樣的連接。通過以上對吊臂與滑塊連接的模擬之后，可以有效的對鐵路起重機吊臂運行過程中各個節臂的實際載荷情況進行分析。

2.4 吊臂有限元分析結果

假設在起重機吊臂運行過程中分為三種情況，分別為（1）起重量K為53t，起吊幅度為18000mm；（2）起重量K為79t，其中幅度為15600mm；（3）起重量K為12t，其中幅度為25400mm。分別對這三種工況下吊臂的有限元進行分析，主要從應力值以及發生位移的角度上對基本臂、二節臂、三節臂和最大點應力等進行分析和比較，來了解吊臂的位移變形情況。具體如下表所示（如表1所示）[5-6]。

通過表1對三種不同工況下載荷的情況分析得知，在（1）工況下的吊臂最大位移值為328mm，在（2）工況下的吊臂最大位移值為78mm，在（3）工況下的吊臂最大位移值為198mm。

3 結束語

綜上所述，鐵路起重機對鐵路事業實施安全救援工作極為重要，通過文章對鐵路起重機吊臂有限元的分析得知，由于起重機吊臂在工作的過程中出現位移的情況，這都會對起重機運行的安全性、穩定性造成一定的影響，對此必須對其結構進行優化，通過對吊臂結構進行合理的設計，從而確保起重機吊臂的應力能夠達到相應的要求，對提升鐵路起重機吊臂運行的可靠性有著一定的作用，希望通過文章的分析，對提升鐵路起重機吊臂運行的安全性以及可靠性給予一定的啟發。

參考文獻

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