隧道高空作業平臺工作籃強度分析

張福田

（神華集團運輸管理部，北京 100011）

0 引言

神朔鐵路是我國繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運大通道，但其自然環境惡劣，地形地貌復雜，經過隧道61座，共37 429.5 mm。由于水害、凍害、不良地質及襯砌材料侵蝕等原因，運營隧道60%以上存在著不同程度的病害。病害的存在降低了襯砌結構的承載能力，縮短了使用壽命，甚至導致襯砌結構失穩、遭到破壞，大大降低了線路的級別，并威脅到安全運營，給國民經濟帶來巨大損失[1-4]。

目前我國鐵路維護單位針對此類隧道病害的處理，還處于人工維護方式，當損壞部分處于低矮部分，則隧道工人利用梯子等攀爬工具進行維護，如圖1所示。當損壞部分處于隧道頂部等位置時，則需要搭腳手架等方法，浪費時間，安全無法保證，并且由于施工現場環境惡劣，施工人員工作量大，容易疲勞，對工程質量的有效性無法保證。同時由于人工方式對隧道襯砌病害進行檢測時通過人工架設腳手架以及移動腳手架的方式進行檢測，施工人員的安全問題以及檢測效率將大大降低。為了提高病害整治的效率，提出在軌道車上安裝高空作業斗的方式來實現隧道病害的檢測和整治一體化。為了提高隧道病害整治的效率，考慮采用車載高空作業平臺的方式對隧道病害進行檢測和治理。

我國高空作業機械起步較晚，從1960年左右開始研制，1970年剛剛推出產品樣機，1980年代以后隨著國外高新技術及其產品的逐漸引入，以及自主研發水平的提高，逐漸在電力、市政、園林等行業推廣使用，但是受技術水平限制作業高度較低，并且功能簡單。在國內高空作業車產品中，目前比較知名的生產廠家由杭州愛知、長沙星邦以及徐州海倫哲等企業，目前國內產品作業高度最高只有35 m，與發達國家的差距較大。目前國內現有產品的最大載重為500 kg，基本可以滿足正常需求[5]。綜上，國內高空作業車目前僅適用于用于道路照明檢修、電力保障、園林維護以及消防等行業。決定這一行業發展的關鍵技術是大高度混合臂架技術、安全保障技術、可靠性技術、智能控制技術等，國內缺乏這些方面的技術研究，也就缺少向發達國家水平發展的技術支撐[6-7]。

由于高空作業平臺在實際工況下要受到鑿巖設備的沖擊載荷，目前國內外現有產品的載荷都不能滿足本系統中高空作業平臺的載重要求。因此設計過程中需要對高空作業平臺工作籃的疲勞應力以及模態進行分析。有限元分析是目前進行機械結構分析時的常用和有效工具[8-16]，本文將對所設計的針對隧道病害整治應用的高空作業平臺工作籃進行有限元分析。

圖1 隧道現場檢修圖

1 高空作業平臺工作籃有限元分析

整個作業平臺的結構如圖2所示（取基本臂起伏角度0°為例）。

1.1 結構離散模型

在對整個復雜的作業平臺進行離散之前，需對高空作業平臺結構進行適當的簡化，為了減少計算量并且在保證計算準確性的前提下，盡量簡化高空作業平臺的幾何模型，從而可以使離散后的模型單元和節點數量減少。這樣做可以最大程度地減少工作量，并提高設計效率。

簡化模型時主要是簡化平臺上對整體機構強度剛度特性影響較小的螺紋孔、倒角等。雖然簡化之后整體結構沒有變化，但是很大程度地降低了網格劃分時的工作量，也就是大大減少了有限元分析前處理的計算量，同時也大大降低了計算的復雜程度。

采用體單元（SOLID92）和殼單元（shell63）進行離散。整個作業平臺共離散為379 501個單元，202 578個節點，整體離散模型和局部離散模型見圖3。

圖2 作業平臺結構示意圖

圖3 構架有限元離散模型

1.2 約束條件

根據高空作業平臺實際安裝情況，通過螺栓與車架連接。因此在基座螺栓孔上均施加垂向約束、縱向和橫向3個方向的約束。

2 材料參數

根據所選擇的材料，對高空作業平臺三維模型進行材料設置，高空作業平臺所選材料情況如圖4所示。

圖4 高空作業平臺材料說明

為后續分析方便，此處列出了所設計的作業平臺選用材料的許用應力，如表1所示。

3 計算載荷與工況組合表

工作籃在工作狀態下主要受鑿巖設備帶來的沖擊載荷和助力機械手以及施工人員自身重力載荷作用。根據計算得到工作籃不同方向上施加的載荷情況如下：工作籃縱向載荷為F=mg=80×9.8=784 kg，工作籃橫向載荷為F=mg=80×9.8=784 kg，工作籃垂向載荷為F=mg=500×9.8=4900 kg。

將各單獨載荷進行組合，得到工況組合表，如表2所示。

表1 作業平臺用材的基本力學性能

表2 工況及工況組合表 N

4 工作籃應力分析

根據基本臂的不同工作位置（與水平面角度分別為-22°、0°、45°、72°），在對應的作業平臺模型上施加上述載荷，4種工作位置的最大應力值及其發生部位列于表3中。

表3 不同角度載荷作用下最大應力位置及其Von Mises應力值

由于版面限制，本論文中只選取角度為-22°時（垂向載荷作用下）、角度為0°時（組合工況一）、角度為45°時（組合工況二）、角度為72°時（組合工況二）這4個典型工況作用下工作籃整體Von Mises應力分布云圖和局部最大應力部位的Von Mises應力分布云圖，如圖5～圖8所示。

由表3及圖5～圖8可見：基本臂起伏角度為-22°、0°、45°、72°時，單獨工況及組合工況下，可以看出支撐架立板邊緣處的最大應力值是101.1 MPa，小于HG70母材疲勞許用應力；鋼管附近工作欄立板邊緣處的最大應力值是46.9 MPa，小于Q235母材疲勞許用應力；支撐架兩立板焊縫彎角處的最大應力值是112.3 MPa，小于HG70焊接接頭疲勞許用應力122 MPa。

圖5 角度為-22°時，垂向載荷作用下作業平臺應力分布

圖6 角度為0°時，組合工況一作業平臺應力分布

圖7 角度為45°時，組合工況二作業平臺應力分布

圖8 角度為72°時，組合工況二作業平臺應力分布

5 結語

本文從實際出發，通過ANSYS有限元分析方法對隧道高空作業平臺工作籃基本臂4個不同起伏角度下，單獨工況及組合工況的應力分析，得出其支撐架立板邊緣處、鋼管附近工作欄立板邊緣處、支撐架兩立板焊縫彎角處等關鍵位置的最大應力值均小于所選用材料的強度。因此，所設計的隧道高空作業平臺工作籃疲勞強度滿足要求，可靠性好。

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