500t轮轨式提梁机设计及有限元分析

彭 华

（中铁十一局集团汉江重工有限公司，湖北襄阳 441006）

0 引言

随着我国高铁桥梁建设的发展，对于高速铁路简支梁的设计理论有了更深刻认识，对于设计控制指标有了更全面掌握。并且，随着我国机械设备研究水平和工业制造能力的发展，运架设备在梁体跨度和起重能力方面有了显著提高。最新的2013年《铁路主要技术政策》（原铁道部第34号令)第38条指出：“开展大跨度桥梁研究”；中国铁路总公司（以下简称“铁总”)《铁路工程设计措施优化指导意见》（铁总建设〔2013〕103号文)规定：“梁部结构宜采用预应力混凝土结构并以简支为主”，这是我国高铁大跨度简支梁发展的政策依据和技术导向，也是高铁桥梁的发展方向。研究成果显示[1-3]，40 m箱梁跨越能力更大，同里程桥梁架设效率更高，在一定条件下经济性更好，且特别适合于高墩、大跨度、地质条件复杂等情况使用。

目前，大数据、云计算、物联网、移动互联网等新一代信息技术以及人工智能技术将加速与铁路产业的融合，建设智慧铁路是当今世界铁路科技发展的趋势，我国已成为世界智能铁路发展的重要引领者。如何将新一代信息技术以及人工智能技术融合应用至搬提运架装备的研发和制造过程中，融入信息化、智能化元素，全面提升40 m梁搬提运架设备[4-7]的安全性、经济性和操作性，是急需解决的重要问题。另外，随着建设规模的增大，地形、地质、环境复杂性增加，各建设单位积极采用先进施工技术，降低建设费用、保证质量、提高工效，对大型机械化搬、提、运、架设备的要求越来越高。

500 t轮轨式提梁机是专为40 m预制箱梁架设施工研究的大型设备，可适用于国内时速350 km/h、250 km/h铁路40 m及以下标准、非标箱梁的跨线提梁作业，同时能够配合架桥机完成架梁作业。

1 500t轮轨式提梁机技术方案及关键技术

1.1 技术方案

500 t轮轨式提梁机由主梁、刚性支腿、柔性支腿、大车运行机构、起重天车、电气系统、附属结构等组成。500 t轮轨式提梁机结构如图1所示，技术参数如表1所示。

图1 500 t轮轨式提梁机结构

表1 500t轮轨式提梁机性能参数

主梁采用双主梁箱型结构，两箱梁中心距5 m，是提梁机的主要承载结构。单根主梁由3个节段拼装而成，每个节段均采用Q345C低合金结构钢焊接而成的箱型结构，各节段之间用10.9S级别高强度摩擦型螺栓及连接板拼接。

刚性支腿安装在提梁机的左侧，与主梁底部通过法兰连接，刚腿底部支撑在大车走行机构上。柔性支腿安装在提梁机的右侧，与主梁通过铰支座连接，使主梁与柔性支腿在提梁机平面内形成可转动的铰接机构。支腿为箱形梁结构，通过中间拉杆及下横梁连接，形成整体受力的框架结构。

每台大车运行机构主要由走行台车、十字铰总成、均衡梁、连接座、安全装置等部件构成。起重小车由卷扬机组、定滑轮组、导向滑轮组、小车架、走行台车，钢丝绳、吊具总成等组成。

电气系统采用分布式IO控制方式，主控中心设在司机室，分别在两侧大车运行机构、起重小车处设置3个从站控制柜。司机室作为总控制中心，通过PLC的DeviceNet总线单元和其他柜子的I/O远程模块进行通讯。

另外，根据国家标准GB/T28264-2017《起重机械安全监控管理系统》规定，在设备状态监测、远程监控、设备管理等方面开展了攻克研究，包括共享监控技术、实时监控技术以及信息化管理系统设计等。

1.2 关键技术

提梁机研制过程中，在机构设计、应用技术等方面攻克了多项技术难点。相比原有提梁机，形成了以下新的关键技术。

（1）轮压均衡分配技术：大车和小车均采用双轨台车方式，有效降低大车和小车轮压，同时双轨台车设置十字轴铰，有效均衡双轨台车两个方向的轮压。

（2）共享监控技术：每台提梁机运行数据及影像都可通过无线传输技术共享至另外一台，实现双重监控模式。

（3）自动纠偏技术：在左右大车车轮轴上安装旋转编码器，通过数据反馈进行实时控制，实现实时纠偏。

（4）防风技术：在大车走行机构设置有电动防风铁楔、机械夹轨器、驻车锚固装置，支腿下方设计有缆风绳锚固装置。

（5）实时监控技术：整机装有传感器，对设备运行状态进行实时监控、实时诊断。

2 有限元仿真

2.1 工况分析

根据500 t轮轨式提梁机特点及规范要求，计算工况分为动载强度计算及静载刚度计算，根据主结构受力最不利状态，分为4种工况进行分析。

工况1：起重天车重载位于主梁跨中时强度计算，该工况是主梁受力最不利状态，同时考虑大车制动及门架方向（X方向）风载荷。

工况2：起重天车重载位于刚性支腿侧极限位置时强度计算，该工况是刚性支腿受力最不利状态，同时考虑天车制动及支腿方向（Z方向）风载荷。

工况3：起重天车重载位于柔性支腿侧极限位置时强度计算，该工况是柔性支腿受力最不利状态，同时考虑天车制动及支腿方向（Z方向）风载荷。

工况4：静刚度计算，起重天车重载静止位于主梁跨中，该工况是主结构最不利状态。

根据上述4种工况，最不利载荷组合如表2所示，其中前3个工况计算强度（需考虑起升动载系数），工况4是刚度计算为静载。

2.2 模拟仿真

2.2.1 建模

500 t轮胎式提梁机主结构采用Q355C低合金高强度结构钢焊接而成，根据金属结构图纸建立计算模型，模型长度单位为mm，力单位为N，应力单位为MPa。采用有限元软件进行计算分析[8]，按实际工况进行约束、加载。有限元模型及约束如图2所示。

表2 工况载荷组合

图2 有限元模型及约束

2.2.2 载荷处理

根据各工况载荷组合加载，其中大车及主结构的惯性力等效施加于有限元模型上，天车及箱梁的惯性载荷等效为集中载荷施加在主梁上，大车及主结构的风载荷等效施加于有限元模型上，天车及箱梁的风载荷等效为集中载荷施加在主梁上。主要载荷参数：重力加速度g=9.8 m/s2；起升动载系数Φ2=1.1；大车启制动加速度a1=0.067 m/s2；天车启制动加速度a2=0.04 m/s2；风压q=250 N/m2。

2.2.3 仿真结果分析

4种工况模拟仿真结果分别如图3～6所示。工况1最大应力值为183.3 MPa，出现在主梁跨中加载处；工况2最大应力值为127.5 MPa，出现在刚腿下横梁筋板处；工况3最大应力值为211.6 MPa，出现在主梁与柔腿铰接处；工况4最大下挠值为44.59 mm。

参考《钢结构设计标准》（GB5017-2017)[9]，Q355C钢板厚度为16 mm＜δ≤40 mm时，其许用应力设计值为[σ]=223.3 MPa，结构强度安全系数取1.5。由有限元计算结果可知，500 t轮轨式提梁机结构应力最大值为211.6 MPa，小于许用应力设计值[σ]，满足设计要求。

图3 工况1应力云图

图4 工况2应力云图

图5 工况3应力云图

参考《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）[10]，起重机跨中载荷工况下最大静挠度[f]通常取值为(L/750)～(L/500)，根据以往设计经验，轮轨式提梁机许用扰度取[f]=L/700。由有限元计算结果可知，500 t轮轨式提梁机结构下挠值为44.59 mm，小于允许最大静挠度[f]=54.3 mm（跨度L=38 m），满足设计要求。

图6 工况4刚度云图

3 工程应用

新建福州至厦门铁路位于福建省沿海地区，北起福州市，南至厦门市，新建线路全长277.42 km。全线采用双线预制箱梁、现浇梁等，双线预制箱梁有40 m、32 m、24 m标准箱梁和少量非标箱梁。如图7所示。

图7 500 t轮轨式提梁机

新制提梁机应用于福厦高速铁路某梁场，目前已提梁380榀（含32 m梁）。设备成功投入使用验证了设计的可靠性、安全性等，且各项技术指标满足设计要求，在运行过程中，性能稳定、操作便捷、施工效率高等，赢得业主及用户的一致好评。

4 结束语

根据各个工况的有限元分析结果，500 t轮轨式提梁机的主结构强度及刚度均满足设计要求，应力最大值出现在下横梁筋板或者上横梁隔板处，设计者在以后遇到类似情况，在设计中可考虑局部加强。目前500 t轮轨式提梁机在福厦铁路项目使用情况良好，可满足施工要求，大大提高了施工效率，为40 m大跨度箱梁建造技术提供了设备保证及施工经验，对于我国高速铁路长期发展具有积极的推动作用。