铁路起重机吊臂有限元分析研究

摘 要：铁路起重机作为铁路实施安全救援工作的重要组成部分，运行的可靠性对整个救援工作有着极大的影响。铁路起重机吊臂作为铁路起重机的重要组成部分，也是影响铁路起重机运行安全性的关键结构，因此，应重视铁路起重机吊臂的运行情况，尤其是滑块接触位置的选择更为重要，在不同的工作状况下，铁路起重机吊臂的位移情况也各有不同，主要受到起重量、吊臂自身重量、水平载荷等方面的影响，要更好的确保铁路起重机吊臂结构运行的稳定性，需要对其结构进行不断的优化。

关键词：铁路；起重机；吊臂；有限元

前言

对铁路起重机吊臂结构的优化需要做好有限元分析，这样才能根据实际的情况对其结构进行合理的优化，对此，文章主要从这个角度出发对吊臂有限元模型进行划分、吊臂载荷工况以及约束分析、吊臂与滑块的连接、吊臂有限元分析结果等几方面展开分析。

1 起重机吊臂结构分析

随着社会经济的不断发展，铁路事业的发展也极为迅速，安全救援工作也逐渐被重视。铁路起重机作为铁路实施安全救援工作的重要设备之一，其吊臂的有限元极为重要[1]。根据现阶段铁路起重机的使用来看，铁路起重机的吊臂主要由基本臂、二节臂、三节臂、变幅油缸、伸缩油缸等结构组成，每一项结构在起重机整体工作中都占有一定的分量，各有分工。另外，起重机吊臂还包括由钢板焊接组成的八边形箱形结构以及可以相对滑动的侧向力和传递垂向力等组成，通过各项结构的相互搭配来实现起重机安全救援的工作。

2 铁路起重机吊臂有限元分析研究

2.1 吊臂有限元模型的划分

在对起重机吊臂有限元模型进行划分的过程中，主要采用I-DEAS Master Series软件对起重机吊臂的受力情况展开模拟分析[2]。对吊臂有限元模型的划分主要对solid单元、beam单元以及shell单元的优缺点进行模拟比较，其中solid单元对计算性能的要求很高，而beam单元却不能对起重机吊臂间模块的载荷和连接的传递作用进行模拟。在吊臂有限元模型划分的过程中，主要考虑吊臂钢结构的特点，可以将起重机吊臂离散成四个节点四边形薄壳shell单元。由于shell单元不仅有中面膜力，还具有弯曲变形的特性，因此，通过shell单元的模拟能够有效的对起重机吊臂实际应力情况进行模拟。

2.2 吊臂载荷工况以及约束分析

对于起重机载荷工况以及约束的分析来说，为了尽量与实际情况相符，主要从起重机吊臂正常工作的情况下承载的载荷进行分析，其中包括起重量K、吊臂自重M、水平载荷O等三部分[3]。由于起重机吊臂在正常工作中，受到吊臂长度、起吊幅度、起吊载荷等三方面的影响，这都是在对吊臂载荷分析过程中必须要考虑的因素。一般情况下，吊臂的各个节臂之间主要是通过上下滑块来传递侧向和垂向载荷的，如果起重机的吊臂处在伸出状态下，那么，轴向力应该由各个节臂之间的伸缩油缸来承担。如果是起重机吊臂起升的状态下，那么起重量K以及水平载荷O将会作用在三节臂端部销轴孔的位置，这时起重机吊臂自身的重力将会通过施加重力加速度的方式来模拟起重机的实际受力情况。一般情况下，起重机吊臂的约束位置都会在基本臂后铰点的位置，对2个转动自动度以及3个平动自由度进行约束，对绕销轴转动的自由度不对其进行约束，这样可以实现对起重机吊臂绕销轴自由旋转进行模拟。

2.3 吊臂与滑块的连接

铁路起重机吊臂有限元的分析，对确保起重机吊臂运行的可靠性有着一定的帮助，吊臂的各个节臂在运行的过程中，都是通过滑块来实现侧向载荷与垂向载荷的传递，因此，在铁路起重机吊臂有限元的分析中，要注重吊臂与滑块的连接[4]。针对吊臂与滑块的连接可以采用两种模拟方式进行连接，一种是面一面的方式，相对来说这种模拟方式计算起来不容易，而且，结果也不稳定；而另一种则是节点耦合的方式，该种模拟方式不仅能够节省大量的计算时间以及计算资源，同时还能提高结果的稳定性，相比于面一面接触方式来说更加稳定。因此，在吊臂与滑块连接的模拟中主要采用的是节点耦合的方式，根据铁路起重机吊臂的实际情况，将基本臂和二节臂之间的前滑块固定在基本臂之上，然后再通过节点耦合来与二节臂进行连接，这样可以通过改变节点的坐标方式，并将做接触面法线方向的耦合，而后滑块则将其固定在二节臂上，同样是通过耦合的方式来实现与基本臂的连接，以此类推同样将二节臂和三节臂的连接方式进行同样的连接。通过以上对吊臂与滑块连接的模拟之后，可以有效的对铁路起重机吊臂运行过程中各个节臂的实际载荷情况进行分析。

2.4 吊臂有限元分析结果

假设在起重机吊臂运行过程中分为三种情况，分别为（1）起重量K为53t，起吊幅度为18000mm；（2）起重量K为79t，其中幅度为15600mm；（3）起重量K为12t，其中幅度为25400mm。分别对这三种工况下吊臂的有限元进行分析，主要从应力值以及发生位移的角度上对基本臂、二节臂、三节臂和最大点应力等进行分析和比较，来了解吊臂的位移变形情况。具体如下表所示（如表1所示）[5-6]。

通过表1对三种不同工况下载荷的情况分析得知，在（1）工况下的吊臂最大位移值为328mm，在（2）工况下的吊臂最大位移值为78mm，在（3）工况下的吊臂最大位移值为198mm。

3 结束语

综上所述，铁路起重机对铁路事业实施安全救援工作极为重要，通过文章对铁路起重机吊臂有限元的分析得知，由于起重机吊臂在工作的过程中出现位移的情况，这都会对起重机运行的安全性、稳定性造成一定的影响，对此必须对其结构进行优化，通过对吊臂结构进行合理的设计，从而确保起重机吊臂的应力能够达到相应的要求，对提升铁路起重机吊臂运行的可靠性有着一定的作用，希望通过文章的分析，对提升铁路起重机吊臂运行的安全性以及可靠性给予一定的启发。

参考文献

[1]李志敏，张仲鹏，曾宪渊.伸缩臂滑块局部应力计算及支撑位置优化[J].起重运输机械，2012（2）.

[2]许志沛，张仲鹏，张质文，等.铁路起重机高度限界下的作业能力研究[J].铁道货运，2012（1）.

[3]王占福.救援铁路起重机自行走离合机构故障原因分析及改进措施[J].科技创新导报，2013（3）.

[4]林承桢.观念创新指引正确技术路线记锦重QY8型液压汽车起重机自主研发历程（上）[J].工程机械与维修，2014（10）.

[5]潘志毅，刘启锋，李选朋，等.全路面起重机多桥转向轨迹控制仿真实验[J].实验室研究与探索，2014（9）.

[6]李俊伟，姜书霞，王强，等.汽车起重机单缸插销伸缩机构液压系统的改进[J].工程机械与维修，2014（10）.