超高大跨度轮胎式箱梁搬运机的主梁设计

全国星

摘 要：介绍了超高度大跨度轮胎式搬运机的主要特点，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，其结构安全、可靠。该设备的成功研制对极限尺寸搬运机设备的研制具有重要意义。

关键词：搬运机；主梁设计；有限元分析；液压系统

中图分类号：TH213.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.081

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、南昌和长沙等省会城市，西至昆明。建成后，长沙将升级成铁路枢纽城市，线路全长2 264 km。

高位轮胎式搬运机是为了满足铁路客运专线900 t箱梁的吊装需要而设计的，整体起升高度比一般搬运机高，主要完成梁场内32 m、24 m和20 m双线整孔预制混凝土箱梁的吊运，或在预制场内用于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 双主梁高位搬运机的应用

MDEL900S轮胎式搬运机的额定起重量为900 t，起升高度为20.5 m，比传统搬运机起升高度高，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、液压系统和司机室等组成。主梁的跨度为40.5 m，总长43.74 m，是搬运机结构中的重要受力部件，其设计质量直接关系着整机的安全性。双主梁搬运机起吊架桥机工况如图1所示。

3 主梁的结构形式

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、低位宽式支撑和低位窄式支撑等工况，主梁采用双主梁的结构形式，中部与两端通过横联连接在一起，从而形成一个整体。

由于本设备的起升高度比传统搬运机提高了1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缩小主梁的截面，采用了双主梁的结构形式。

每根主梁由5个节段拼装而成，每个节段均采用焊接箱型结构，如图2所示。为了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。在主梁与支腿两端的连接均采用法兰连接，整个门式采用双刚性连接。

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，从而确定主梁的截面，如图3所示。主梁高度为3 000 mm，截面宽度为1 300 mm，上、下翼缘板厚30 mm，腹板厚12 mm。

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

4.1 主梁整体的稳定性

由主梁的截面可知，受压翼缘板的自由长度l1与其宽度b1之比为：

. （1）

式（1）中：fy为钢材的屈服强度，因此不计算整体的稳定性。

4.2 腹板局部的稳定性

受弯构件腹板的局部稳定性主要通过设置加强筋来保证。可根据腹板高度h0与腹板厚度δ1之比确定。本设备中，对于Q345C而言，需要设置横向加强筋，并在腹板受压区设置2道纵向加强筋。在本搬运机中，为了提高主梁的刚度，在腹板区域设置了3道纵向加强筋。

4.3 翼缘板局部稳定性

对于箱型梁而言，受压翼缘板可控制其宽厚比，从而保证局部的稳定性。当腹板之间的受压翼缘板b0与受压厚度δ

之比 时，需要加设纵向加强筋。

在本截面中， ，需要加设纵向加强筋。当

设置一道纵向加强筋时， 可满足设计要求。

5 有限元分析

5.1 有限元模型的建立及其边界条件

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，所以，选用shell63单元模拟，该单元每个节点具有6个方向的自由度，能很好地表现主梁的受力特性。根据主梁结构建立了主梁的有限元模型，并进行了网格划分，如图 4所示。

图4 有限元模型

对该模型施加了边界条件，在支腿连接处分别施加了X，Y，Z三个方向的位移约束，并根据工况添加了载荷。经综合考虑，作用于主梁上的载荷主要由如下4部分组成：①主梁的自重，均布加载于模型上；②吊梁小车的质量为30 t，施加在主梁上；③起升机构的质量为10 t，施加在前、后横梁上；④梁片载荷，考虑了32 m梁（900 t）、24 m梁（686 t）和20 m梁（545 t）三种梁片，且研究了偏载的不利工况。

5.2 有限元具体分析

根据简支梁模型分别计算了32 m、24 m和20 m三种梁型的有限元分析，通过有限元计算后得到了主梁的强度应力分布图。

根据《机械设计手册》，关于板厚16 mm<δ≤35 mm的Q345C材料的屈服极限为325 MPa，取安全系数为1.33，则许用应力为244 MPa。

由图 5可见，32 m梁工况下的应力最大值为243.8 MPa，但在最大应力发生的部位为局部应力，已经通过结构优化补强，因此，主梁整体强度可满足设计要求。

由图 6可见，双主梁在该工况下的位移下挠量（f）最大为69 mm。因主梁本身的质量等因素会产生下挠变形量，所以，根据以往的设计经验，只需要满足f

6 结束语

通过上述计算，主梁的强度、刚度和稳定性均可满足设计要求。MDEL900S双主梁高位搬运机的设计突破了以往搬运机较低的起升高度的限制，采用双主梁的结构型式，具有安全性和可靠性，可满足梁场内高位和低位等工况的需要。该高位搬运机自应用以来，较好地完成了梁场内预制箱梁的起吊工作，取得了较好的社会效益和经济效益，为今后类似设备的研制积累了经验。

参考文献

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

[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

〔编辑：张思楠〕