鐵路伸縮式門型吊的設計

黃 吉 朱學彪

武漢科技大學 機械自動化學院 武漢 430081

1 設計背景

當前,我國高速鐵路飛速發展,里程已經居世界第一。道岔部件作為高速鐵路鋪設的重要結構部分,有較高的技術要求,同時也是高速鐵路中較為薄弱的一個環節。道岔部件自身使用壽命有限,結構相對復雜,容易發生損壞,經常需要進行更改或變動。我國鐵路施工存在天窗,要求道岔部件結構簡單,更換時間短,速度快,通常采用人工方法或人工加機械輔助的方法。

文獻[1-2]介紹采用人工推拉道岔部件的方法完成道岔部件的更換鋪設,這一方法需要大量人工,使用齒條壓機多次頂起道岔部件,對施工的人身安全影響很大,加之施工過程中道岔部件受力不均,對道岔部件結構有較大影響。

文獻[3-4]介紹人工加挖掘機參與更換道岔部件,施工質量得到保證,可以降低勞動強度,提高作業效率。隨著大規模客運專線的建設和新型客運專線道岔部件的發展,整組道岔部件質量增大,道岔部件的全長大幅增加,對道岔部件的鋪設質量要求較高,這一方法無法滿足需要。

針對現有情況,筆者設計一種新型鐵路伸縮式門型吊,可以橫跨鐵路線路進行鄰線的道岔部件快速吊裝更換,并且可以通過增加設備組數來進行長度較長和質量較大的道岔部件更換。通過對鐵路伸縮式門型吊重要部件進行受力分析和校核,來驗證鐵路伸縮式門型吊設計的合理性。

2 結構設計

2.1 整體結構

鐵路伸縮式門型吊結構如圖1所示,由回轉機構、立柱、伸縮臂機構、葫蘆跑道機構、吊具組件、伸縮支腿等組成。這一設備將懸臂吊和門型吊兩種起重機的結構特點相結合[5-7],形成一種新的適用于鐵路環境的起重設備。鐵路伸縮式門型吊工作狀態如圖2所示。立柱和回轉機構固定在鐵路車輛上,伸縮臂機構在不工作時呈收縮狀態,鐵路伸縮式門型吊整體可以旋轉放置在鐵路平車上。工作時,鐵路伸縮式門型吊整體旋轉至工作角度,伸縮臂機構的外筒保持不動,伸縮臂機構的內筒和伸縮支腿一起向外伸出至指定位置,伸縮支腿落下,支撐在地面上。葫蘆跑道機構的兩頭分別與伸縮臂機構的外筒和內筒相連接,葫蘆跑道機構可以滑動。吊具組件掛在葫蘆跑道機構上,并且可以在葫蘆跑道機構上滑動。通過調節葫蘆跑道機構和吊具組件,使兩者移動,就可以使吊鉤起吊重物,從狀態一位置移動到狀態二和狀態三位置,即在整個鐵路伸縮式門型吊范圍內移動。當整個吊裝過程結束后,葫蘆跑道機構回到原位置,伸縮支腿開始收縮,伸縮臂機構的內筒收回復原。

▲圖1 鐵路伸縮式門型吊結構▲圖2 鐵路伸縮式門型吊工作狀態

2.2 伸縮臂機構

伸縮臂機構采用內筒包含于外筒之內的結構,外筒由箱型結構封閉而制成,內筒為雙工字型鋼梁。外筒連接處有水平滑輪,用于輔助內筒的伸出和收縮。伸縮臂機構如圖3所示。外筒的外側還設置有小車軌道,用于葫蘆跑道機構的移動。

▲圖3 伸縮臂機構

2.3 葫蘆跑道機構

葫蘆跑道機構的主體同樣采用雙工字型鋼結構,兩端有封板封住,兩端的上側有兩個小車滾輪。葫蘆跑道機構如圖4所示,一端連接在伸縮臂機構的外筒上,另一端連接在伸縮臂機構的內筒上。通過移動葫蘆跑道機構在伸縮臂機構上的位置,并移動吊具組件在葫蘆跑道機構上的位置,就可以滿足起吊物體在整個鐵路伸縮式門型吊跨度范圍內移動。

▲圖4 葫蘆跑道機構

在整個鐵路伸縮式門型吊中,伸縮臂機構、立柱和葫蘆跑道機構是重要的受力部件。在進行整體結構設計時,需要結合實際工況進行受力分析和計算校核,并選擇合理的結構材料,這樣才能保證既滿足使用要求,又滿足結構可靠性和安全性要求。

3 設計參數

3.1 伸縮臂機構

伸縮臂機構額定載荷為3 000 kg,起升高度為3 200 mm,質量為2 620 kg,配重質量G3為250 kg,總長L1為10 735 mm,最大回轉半徑L2為9 375 mm,有效半徑L3為6 000 mm,配重中心至立柱中心距離L4為1 000 mm,伸縮臂機構至立柱底面高度H為1 725 mm,伸縮支腿質量G2為1 200 kg。伸縮臂機構內筒的截面如圖5所示,截面積A1為14 832 mm2,截面慣性矩Ix1為2.9×108mm4,Iy1為1.8×108mm4,截面模數Wx1為1.7×106mm3,Wy1為1.3×106mm3。

▲圖5 伸縮臂機構內筒截面

3.2 立柱

立柱外形尺寸為806 mm×627 mm,板厚為12 mm,立柱下回轉支承軸承所受的豎直力N為50 000 N。立柱截面如圖6所示,截面積A2為38 817 mm2,截面慣性矩Ix2為2.4×109mm4,Iy2為1.7×109mm4,截面模數Wx2為5.96×106mm3,Wy2為5.47×106mm3。

▲圖6 立柱截面

3.3 葫蘆跑道機構

葫蘆質量為240 kg,跑道質量為500 kg,跑道總長度L5為4 530 mm,跑道受力長度L6為3 752 mm。葫蘆跑道機構截面如圖7所示,截面積A3為10 800 mm2,截面慣性矩Ix3為8.3×107mm4,Iy3為1.1×108mm4,截面模數Wx3為8.3×105mm3,Wy3為8.8×105mm3。

▲圖7 葫蘆跑道機構截面

4 伸縮臂機構校核

根據鐵路伸縮式門型吊工作狀態,分兩種工況對伸縮臂機構進行校核。工況一為伸縮臂機構旋轉至指定平面,內筒延伸至最遠,伸縮支腿還未撐地,此時屬于懸臂吊結構模型。工況二為伸縮支腿撐地鎖定后,吊具組件處于滿載工作狀態,此時屬于簡支梁結構模型[8-9]。為保證安全性能,伸縮臂機構在強度校核時主要按較為薄弱的內筒進行校核。

4.1 工況一強度校核

伸縮臂機構均布載荷Q為:

Q=G1/L1=2.91 N/mm

式中:G1為伸縮臂機構質量與跑道質量之和。

伸縮支腿在伸縮臂機構最大回轉半徑處的力矩M1為:

M1=G2L2=1.125×108N·mm

伸縮臂機構質量引起的力矩M2為:

=1.25×108N·mm

伸縮臂機構配重力矩M3為:

M3=G3L4=2.5×106N·mm

總力矩M為:

M=M1+M2-M3=2.35×108N·mm

此時伸縮臂機構所受到的彎曲應力σ1為:

σ1=M/Wx1=138.24 MPa

伸縮臂機構材料選用Q235B鋼板,屈服強度σs為235 MPa,彈性模量E為206 GPa。根據起重機設計規范[10],安全因數n取1.48,則許用應力[σ]為:

[σ]=σs/n=158.78 MPa

伸縮臂機構最大彎曲應力138.24 MPa小于材料的許用應力,可見,伸縮臂機構的強度在工況一下滿足要求。

4.2 工況一撓度校核

伸縮支腿質量對伸縮臂機構所產生的撓度f1為:

伸縮臂機構力矩對立柱所產生的撓度f2為:

伸縮臂機構總撓度f為:

f=f1+f2=14.93 mm

根據起重機設計規范,許用撓度[f]為:

[f]=L3/350=17.14 mm

因為伸縮臂總撓度小于許用撓度,所以伸縮臂機構的撓度在工況一下滿足要求。

4.3 工況二強度校核

當吊具組件滿載工作時,在豎直平面上,最大力矩發生在滿載運行至伸縮臂機構中間位置時,因此對伸縮臂機構中間截面進行校核計算。

伸縮臂機構所受起升載荷力矩M′1為:

M′1=PL2φ1/4=8.96×107N·mm

式中:P為葫蘆質量與伸縮臂機構額定載荷之和;φ1為沖擊載荷因數,取1.18。

伸縮臂機構質量引起的力矩M′2為:

總力矩M′為:

M′=M′1+M′2=1.273×108N·mm

由于伸縮臂機構工作時不存在水平方向上的運動,同時起吊高度較低,因此水平方向上的慣性載荷和風載荷可以忽略不計。

此時伸縮臂機構所受到的彎曲應力σ2為:

σ2=M′/Wx1=74.88 MPa

伸縮臂機構最大彎曲應力74.88 MPa小于材料的許用應力,可見,伸縮臂機構的強度在工況二下滿足要求。

4.4 工況二撓度校核

伸縮臂機構載荷和葫蘆質量對伸縮臂機構所產生的撓度f′1為:

伸縮臂機構力矩對立柱所產生的撓度f′2為:

伸縮臂機構總撓度f′為:

f′=f′1+f′2=9.57 mm

根據起重機設計規范,滿載時許用撓度[f′]為:

[f′]=L2/700=13.39 mm

因為伸縮臂機構總撓度小于許用撓度,所以伸縮臂機構的撓度在工況二下滿足要求。

5 立柱強度校核

立柱彎曲應力σ3為:

立柱材料選用Q235B鋼板,屈服強度為235 MPa,根據起重機設計手冊,安全因數取1.48,則許用應力為158.78 MPa。

立柱最大彎曲應力40.72 MPa小于材料的許用應力,可見,立柱的強度滿足要求。

6 葫蘆跑道機構校核

葫蘆跑道機構所受力矩Mp為:

Mp=PL5/4=3.67×107N·mm

6.1 強度校核

葫蘆跑道機構豎直應力σp為:

σp=Mp/Wx3=44.22 MPa

葫蘆跑道機構材料選用Q235B鋼板,屈服強度為235 MPa,許用應力為158.78 MPa。葫蘆跑道機構最大應力44.22 MPa小于材料的許用應力,可見,葫蘆跑道機構的強度滿足要求。

6.2 撓度校核

伸縮臂機構載荷和葫蘆質量對葫蘆跑道機構所產生的撓度fp為:

根據起重機設計規范,許用撓度[fp]為:

[fp]=L6/700=5.36 mm

因為葫蘆跑道機構撓度小于許用撓度,所以葫蘆跑道機構的撓度滿足要求。

7 結束語

筆者針對現有鐵路上更換道岔部件時存在人工更換勞動強度大,安全因數低,機械設備無法滿足工況要求等問題,設計了一種新型鐵路伸縮式門型吊,可以對鄰線鐵路上的道岔部件進行更換。對鐵路伸縮式門型吊整體結構進行設計,對伸縮臂機構、立柱和葫蘆跑道機構進行強度和撓度計算校核,結果顯示強度和撓度都滿足要求。下一階段將通過制作樣機來進行試驗,驗證這一設備的實用性和可行性。