900t高位搬运机的主梁设计

王学东

摘要：介绍了高位搬运机的主要特点，重点阐述了主梁的结构形式。主要计算了主梁的刚度、强度和稳定性，结构安全、可靠。该设备的成功研制，对解决高位搬运机设备的研制具有重要意义。

关键词：高位搬运机 主梁设计 有限元

中图分类号：S611文献标识码： A

1.概述

沪昆高速铁路是我国“四纵四横”的快速客运通道之一，也是我国东西向线路里程最长、影响范围最大、经过省份最多的高速铁路，线路由东面的上海，途经杭州、南昌、长沙等省会城市，西至昆明。建成后，长沙将升级为一个铁路枢纽城市，整体线路全长2264公里。

高位轮胎式搬运机是为满足铁路客运专线900t箱梁的吊装需要而设计的。整体起升高度较一般搬运机要高，主要完成梁场内32m、24m及20m双线整孔预制混凝土箱梁的吊运，或在预制场内为YL900运梁车装梁，还可以用于预制场箱梁预扎钢筋和内模的整体吊装。

2.双主梁高位搬运机应用

MDEL900S轮胎式搬运机额定起重量为900t，起升高度达到20.5m，比传统搬运机起升高度提高一倍，适应线路坡度为15‰。主要由主梁、支腿、车架、吊梁小车、主动轮组、从动轮组、转向机构、动力系统、电气系统、液压系统、司机室等组成。主梁的跨度为40.5m，总长43.74m，是搬运机结构中的重要受力部件，其设计的好坏直接关系到整机的安全性。图 1为双主梁搬运机起吊架桥机工况现场施工图。

图 1 搬运机起吊架桥机工况

3.主梁结构形式

主梁采用箱型截面，具有良好的结构性能。随着起升高度的增加，为了满足高位宽式支撑、低位宽式支撑、低位窄式支撑等几种工况，主梁采用双主梁的结构形式，在中部和两端通过横联连接在一起，形成一个整体。

由于本设备的起升高度相比于传统搬运机提高了一倍，在采用传统单主梁的结构形式时，主梁下挠量很大，主梁的刚度很难达到设计要求，为了提高主梁的刚度和减小主梁的截面，故采用双主梁的结构形式。

每根主梁由五个节段拼装而成，每个节段均采用焊接箱型结构，见图 2。为保证箱型结构的稳定性，箱梁设有加强筋和隔板，并在箱梁内部设有加强结构。在主梁与支腿两端连接均是采用法兰连接，整个门式采用双刚性连接。

图 2 主梁结构

4.主梁截面设计

根据主梁受力的各种工况，分析其最不利的受力情况，确定主梁的截面（图 3）。主梁高度为3000mm，截面宽度为1300mm，上下翼缘板厚30mm，腹板厚度12mm。

图 3 主梁截面

根据《起重机设计手册》，计算主梁整体的稳定性、主梁腹板的局部稳定性和主梁翼缘板的局部稳定性。

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4.1.主梁整体稳定性

由主梁截面可知，其高宽比为：

受压翼缘板的自由长度与其宽度之比为：=68.7

其中为钢材的屈服强度，因此不计算整体稳定性。

4.2.腹板局部稳定性

受弯构件腹板的局部稳定性主要通过设置加强筋来保证。可以根据腹板高度h0与腹板厚度之比确定。本设备中，，对于Q345C，

故需设置横向加强筋，并在腹板受压区设置两道纵向加强筋。本搬运机中，为了提高主梁的刚度，在腹板区域设置了三道纵向加强筋。

4.3.翼缘板局部稳定性

对于箱型梁，受压翼缘板可控制其宽厚比来保证局部稳定性，当腹板之间的受压翼缘板b0与受压厚度之比时需要加纵向加强筋，本截面中，需要加纵向加强筋。

当设置一道纵向加强筋时：，满足设计要求。

5.有限元分析

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5.1.有限元模型的建立及边界条件

对该搬运机的双主梁进行有限元分析计算，由于主梁主要由板焊接而成，故选用shell63单元进行模拟，该单元每个节点具有6个方向的自由度，能够很好的表现主梁的受力特性。根据主梁结构，建立主梁的有限元模型，并进行网格划分（图 4）。

图 4 有限元模型

给模型施加边界条件，在支腿连接处分别施加X、Y、Z三个方向的位移约束，并根据工况添加载荷。综合考虑，作用于主梁上的载荷主要由如下几部分组成：：○1 主梁的自重，均布加载于模型上；○2 吊梁小车重量30t，施加在主梁上；○3 起升机构10t，施加在前后横梁上；○4 梁片载荷，考虑32m 梁（900t）、24m 梁（686t）和20m（545t）梁三种梁片，以及偏载的不利工况。

5.2. 有限元分析

根据简支梁模型分别计算32m、24m、20m 三种梁型的有限元分析，通过有限元计算后得到主梁的强度应力分布图。根据《机械设计手册》， 关于板厚16mm35mm 的Q345C 材料的屈服极限为325MPa，取安全系数为1.33，则许用应力为。

由图5 可以知道32m 梁工况下应力最大值为243.8MPa，但是在最大应力发生的地方是局部应力，已经通过结构优化补强，故主梁整体强度满足设计要求。

图5 32m 梁工况下应力云图

由图6 可以看出双主梁在该工况下的位移下挠量最大有f=69mm，由于主梁本身的自重等产生一定的下挠变形量，故根据以往设计经验，只需要满足f

图6 32m 梁工况下位移云图

6. 结束语

通过上述计算，主梁的强度、刚度和稳定性均满足设计要求。MDEL900S 双主梁高位搬运机的设计，突破了以往搬运机较低起升高度的限制，采用双主梁的结构型式，安全可靠，满足梁场内高位和低位几种工况的需要。该高位搬运机自应用以来，较好的完成了梁场内预制箱梁的起吊工作，取得了较好的社会和经济效益。该设备的成功研制，为今后类似设备的研制积累了经验。

参考文献

[1] GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2] 张质文，虞和谦等. 起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社. 1988.

[3] 成大先等. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社. 2007.