500t輪軌式提梁機設計及有限元分析

彭 華

（中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北襄陽 441006）

0 引言

隨著我國高鐵橋梁建設的發展，對于高速鐵路簡支梁的設計理論有了更深刻認識，對于設計控制指標有了更全面掌握。并且，隨著我國機械設備研究水平和工業制造能力的發展，運架設備在梁體跨度和起重能力方面有了顯著提高。最新的2013年《鐵路主要技術政策》（原鐵道部第34號令)第38條指出：“開展大跨度橋梁研究”；中國鐵路總公司（以下簡稱“鐵總”)《鐵路工程設計措施優化指導意見》（鐵總建設〔2013〕103號文)規定：“梁部結構宜采用預應力混凝土結構并以簡支為主”，這是我國高鐵大跨度簡支梁發展的政策依據和技術導向，也是高鐵橋梁的發展方向。研究成果顯示[1-3]，40 m箱梁跨越能力更大，同里程橋梁架設效率更高，在一定條件下經濟性更好，且特別適合于高墩、大跨度、地質條件復雜等情況使用。

目前，大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等新一代信息技術以及人工智能技術將加速與鐵路產業的融合，建設智慧鐵路是當今世界鐵路科技發展的趨勢，我國已成為世界智能鐵路發展的重要引領者。如何將新一代信息技術以及人工智能技術融合應用至搬提運架裝備的研發和制造過程中，融入信息化、智能化元素，全面提升40 m梁搬提運架設備[4-7]的安全性、經濟性和操作性，是急需解決的重要問題。另外，隨著建設規模的增大，地形、地質、環境復雜性增加，各建設單位積極采用先進施工技術，降低建設費用、保證質量、提高工效，對大型機械化搬、提、運、架設備的要求越來越高。

500 t輪軌式提梁機是專為40 m預制箱梁架設施工研究的大型設備，可適用于國內時速350 km/h、250 km/h鐵路40 m及以下標準、非標箱梁的跨線提梁作業，同時能夠配合架橋機完成架梁作業。

1 500t輪軌式提梁機技術方案及關鍵技術

1.1 技術方案

500 t輪軌式提梁機由主梁、剛性支腿、柔性支腿、大車運行機構、起重天車、電氣系統、附屬結構等組成。500 t輪軌式提梁機結構如圖1所示，技術參數如表1所示。

圖1 500 t輪軌式提梁機結構

表1 500t輪軌式提梁機性能參數

主梁采用雙主梁箱型結構，兩箱梁中心距5 m，是提梁機的主要承載結構。單根主梁由3個節段拼裝而成，每個節段均采用Q345C低合金結構鋼焊接而成的箱型結構，各節段之間用10.9S級別高強度摩擦型螺栓及連接板拼接。

剛性支腿安裝在提梁機的左側，與主梁底部通過法蘭連接，剛腿底部支撐在大車走行機構上。柔性支腿安裝在提梁機的右側，與主梁通過鉸支座連接，使主梁與柔性支腿在提梁機平面內形成可轉動的鉸接機構。支腿為箱形梁結構，通過中間拉桿及下橫梁連接，形成整體受力的框架結構。

每臺大車運行機構主要由走行臺車、十字鉸總成、均衡梁、連接座、安全裝置等部件構成。起重小車由卷揚機組、定滑輪組、導向滑輪組、小車架、走行臺車，鋼絲繩、吊具總成等組成。

電氣系統采用分布式IO控制方式，主控中心設在司機室，分別在兩側大車運行機構、起重小車處設置3個從站控制柜。司機室作為總控制中心，通過PLC的DeviceNet總線單元和其他柜子的I/O遠程模塊進行通訊。

另外，根據國家標準GB/T28264-2017《起重機械安全監控管理系統》規定，在設備狀態監測、遠程監控、設備管理等方面開展了攻克研究，包括共享監控技術、實時監控技術以及信息化管理系統設計等。

1.2 關鍵技術

提梁機研制過程中，在機構設計、應用技術等方面攻克了多項技術難點。相比原有提梁機，形成了以下新的關鍵技術。

（1）輪壓均衡分配技術：大車和小車均采用雙軌臺車方式，有效降低大車和小車輪壓，同時雙軌臺車設置十字軸鉸，有效均衡雙軌臺車兩個方向的輪壓。

（2）共享監控技術：每臺提梁機運行數據及影像都可通過無線傳輸技術共享至另外一臺，實現雙重監控模式。

（3）自動糾偏技術：在左右大車車輪軸上安裝旋轉編碼器，通過數據反饋進行實時控制，實現實時糾偏。

（4）防風技術：在大車走行機構設置有電動防風鐵楔、機械夾軌器、駐車錨固裝置，支腿下方設計有纜風繩錨固裝置。

（5）實時監控技術：整機裝有傳感器，對設備運行狀態進行實時監控、實時診斷。

2 有限元仿真

2.1 工況分析

根據500 t輪軌式提梁機特點及規范要求，計算工況分為動載強度計算及靜載剛度計算，根據主結構受力最不利狀態，分為4種工況進行分析。

工況1：起重天車重載位于主梁跨中時強度計算，該工況是主梁受力最不利狀態，同時考慮大車制動及門架方向（X方向）風載荷。

工況2：起重天車重載位于剛性支腿側極限位置時強度計算，該工況是剛性支腿受力最不利狀態，同時考慮天車制動及支腿方向（Z方向）風載荷。

工況3：起重天車重載位于柔性支腿側極限位置時強度計算，該工況是柔性支腿受力最不利狀態，同時考慮天車制動及支腿方向（Z方向）風載荷。

工況4：靜剛度計算，起重天車重載靜止位于主梁跨中，該工況是主結構最不利狀態。

根據上述4種工況，最不利載荷組合如表2所示，其中前3個工況計算強度（需考慮起升動載系數），工況4是剛度計算為靜載。

2.2 模擬仿真

2.2.1 建模

500 t輪胎式提梁機主結構采用Q355C低合金高強度結構鋼焊接而成，根據金屬結構圖紙建立計算模型，模型長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa。采用有限元軟件進行計算分析[8]，按實際工況進行約束、加載。有限元模型及約束如圖2所示。

表2 工況載荷組合

圖2 有限元模型及約束

2.2.2 載荷處理

根據各工況載荷組合加載，其中大車及主結構的慣性力等效施加于有限元模型上，天車及箱梁的慣性載荷等效為集中載荷施加在主梁上，大車及主結構的風載荷等效施加于有限元模型上，天車及箱梁的風載荷等效為集中載荷施加在主梁上。主要載荷參數：重力加速度g=9.8 m/s2；起升動載系數Φ2=1.1；大車啟制動加速度a1=0.067 m/s2；天車啟制動加速度a2=0.04 m/s2；風壓q=250 N/m2。

2.2.3 仿真結果分析

4種工況模擬仿真結果分別如圖3～6所示。工況1最大應力值為183.3 MPa，出現在主梁跨中加載處；工況2最大應力值為127.5 MPa，出現在剛腿下橫梁筋板處；工況3最大應力值為211.6 MPa，出現在主梁與柔腿鉸接處；工況4最大下撓值為44.59 mm。

參考《鋼結構設計標準》（GB5017-2017)[9]，Q355C鋼板厚度為16 mm＜δ≤40 mm時，其許用應力設計值為[σ]=223.3 MPa，結構強度安全系數取1.5。由有限元計算結果可知，500 t輪軌式提梁機結構應力最大值為211.6 MPa，小于許用應力設計值[σ]，滿足設計要求。

圖3 工況1應力云圖

圖4 工況2應力云圖

圖5 工況3應力云圖

參考《起重機設計規范》（GB/T3811-2008）[10]，起重機跨中載荷工況下最大靜撓度[f]通常取值為(L/750)～(L/500)，根據以往設計經驗，輪軌式提梁機許用擾度取[f]=L/700。由有限元計算結果可知，500 t輪軌式提梁機結構下撓值為44.59 mm，小于允許最大靜撓度[f]=54.3 mm（跨度L=38 m），滿足設計要求。

圖6 工況4剛度云圖

3 工程應用

新建福州至廈門鐵路位于福建省沿海地區，北起福州市，南至廈門市，新建線路全長277.42 km。全線采用雙線預制箱梁、現澆梁等，雙線預制箱梁有40 m、32 m、24 m標準箱梁和少量非標箱梁。如圖7所示。

圖7 500 t輪軌式提梁機

新制提梁機應用于福廈高速鐵路某梁場，目前已提梁380榀（含32 m梁）。設備成功投入使用驗證了設計的可靠性、安全性等，且各項技術指標滿足設計要求，在運行過程中，性能穩定、操作便捷、施工效率高等，贏得業主及用戶的一致好評。

4 結束語

根據各個工況的有限元分析結果，500 t輪軌式提梁機的主結構強度及剛度均滿足設計要求，應力最大值出現在下橫梁筋板或者上橫梁隔板處，設計者在以后遇到類似情況，在設計中可考慮局部加強。目前500 t輪軌式提梁機在福廈鐵路項目使用情況良好，可滿足施工要求，大大提高了施工效率，為40 m大跨度箱梁建造技術提供了設備保證及施工經驗，對于我國高速鐵路長期發展具有積極的推動作用。