隧道高空作业平台工作篮强度分析

张福田

（神华集团运输管理部，北京 100011）

0 引言

神朔铁路是我国继大秦铁路之后的第二条西煤东运大通道，但其自然环境恶劣，地形地貌复杂，经过隧道61座，共37 429.5 mm。由于水害、冻害、不良地质及衬砌材料侵蚀等原因，运营隧道60%以上存在着不同程度的病害。病害的存在降低了衬砌结构的承载能力，缩短了使用寿命，甚至导致衬砌结构失稳、遭到破坏，大大降低了线路的级别，并威胁到安全运营，给国民经济带来巨大损失[1-4]。

目前我国铁路维护单位针对此类隧道病害的处理，还处于人工维护方式，当损坏部分处于低矮部分，则隧道工人利用梯子等攀爬工具进行维护，如图1所示。当损坏部分处于隧道顶部等位置时，则需要搭脚手架等方法，浪费时间，安全无法保证，并且由于施工现场环境恶劣，施工人员工作量大，容易疲劳，对工程质量的有效性无法保证。同时由于人工方式对隧道衬砌病害进行检测时通过人工架设脚手架以及移动脚手架的方式进行检测，施工人员的安全问题以及检测效率将大大降低。为了提高病害整治的效率，提出在轨道车上安装高空作业斗的方式来实现隧道病害的检测和整治一体化。为了提高隧道病害整治的效率，考虑采用车载高空作业平台的方式对隧道病害进行检测和治理。

我国高空作业机械起步较晚，从1960年左右开始研制，1970年刚刚推出产品样机，1980年代以后随着国外高新技术及其产品的逐渐引入，以及自主研发水平的提高，逐渐在电力、市政、园林等行业推广使用，但是受技术水平限制作业高度较低，并且功能简单。在国内高空作业车产品中，目前比较知名的生产厂家由杭州爱知、长沙星邦以及徐州海伦哲等企业，目前国内产品作业高度最高只有35 m，与发达国家的差距较大。目前国内现有产品的最大载重为500 kg，基本可以满足正常需求[5]。综上，国内高空作业车目前仅适用于用于道路照明检修、电力保障、园林维护以及消防等行业。决定这一行业发展的关键技术是大高度混合臂架技术、安全保障技术、可靠性技术、智能控制技术等，国内缺乏这些方面的技术研究，也就缺少向发达国家水平发展的技术支撑[6-7]。

由于高空作业平台在实际工况下要受到凿岩设备的冲击载荷，目前国内外现有产品的载荷都不能满足本系统中高空作业平台的载重要求。因此设计过程中需要对高空作业平台工作篮的疲劳应力以及模态进行分析。有限元分析是目前进行机械结构分析时的常用和有效工具[8-16]，本文将对所设计的针对隧道病害整治应用的高空作业平台工作篮进行有限元分析。

图1 隧道现场检修图

1 高空作业平台工作篮有限元分析

整个作业平台的结构如图2所示（取基本臂起伏角度0°为例）。

1.1 结构离散模型

在对整个复杂的作业平台进行离散之前，需对高空作业平台结构进行适当的简化，为了减少计算量并且在保证计算准确性的前提下，尽量简化高空作业平台的几何模型，从而可以使离散后的模型单元和节点数量减少。这样做可以最大程度地减少工作量，并提高设计效率。

简化模型时主要是简化平台上对整体机构强度刚度特性影响较小的螺纹孔、倒角等。虽然简化之后整体结构没有变化，但是很大程度地降低了网格划分时的工作量，也就是大大减少了有限元分析前处理的计算量，同时也大大降低了计算的复杂程度。

采用体单元（SOLID92）和壳单元（shell63）进行离散。整个作业平台共离散为379 501个单元，202 578个节点，整体离散模型和局部离散模型见图3。

图2 作业平台结构示意图

图3 构架有限元离散模型

1.2 约束条件

根据高空作业平台实际安装情况，通过螺栓与车架连接。因此在基座螺栓孔上均施加垂向约束、纵向和横向3个方向的约束。

2 材料参数

根据所选择的材料，对高空作业平台三维模型进行材料设置，高空作业平台所选材料情况如图4所示。

图4 高空作业平台材料说明

为后续分析方便，此处列出了所设计的作业平台选用材料的许用应力，如表1所示。

3 计算载荷与工况组合表

工作篮在工作状态下主要受凿岩设备带来的冲击载荷和助力机械手以及施工人员自身重力载荷作用。根据计算得到工作篮不同方向上施加的载荷情况如下：工作篮纵向载荷为F=mg=80×9.8=784 kg，工作篮横向载荷为F=mg=80×9.8=784 kg，工作篮垂向载荷为F=mg=500×9.8=4900 kg。

将各单独载荷进行组合，得到工况组合表，如表2所示。

表1 作业平台用材的基本力学性能

表2 工况及工况组合表 N

4 工作篮应力分析

根据基本臂的不同工作位置（与水平面角度分别为-22°、0°、45°、72°），在对应的作业平台模型上施加上述载荷，4种工作位置的最大应力值及其发生部位列于表3中。

表3 不同角度载荷作用下最大应力位置及其Von Mises应力值

由于版面限制，本论文中只选取角度为-22°时（垂向载荷作用下）、角度为0°时（组合工况一）、角度为45°时（组合工况二）、角度为72°时（组合工况二）这4个典型工况作用下工作篮整体Von Mises应力分布云图和局部最大应力部位的Von Mises应力分布云图，如图5～图8所示。

由表3及图5～图8可见：基本臂起伏角度为-22°、0°、45°、72°时，单独工况及组合工况下，可以看出支撑架立板边缘处的最大应力值是101.1 MPa，小于HG70母材疲劳许用应力；钢管附近工作栏立板边缘处的最大应力值是46.9 MPa，小于Q235母材疲劳许用应力；支撑架两立板焊缝弯角处的最大应力值是112.3 MPa，小于HG70焊接接头疲劳许用应力122 MPa。

图5 角度为-22°时，垂向载荷作用下作业平台应力分布

图6 角度为0°时，组合工况一作业平台应力分布

图7 角度为45°时，组合工况二作业平台应力分布

图8 角度为72°时，组合工况二作业平台应力分布

5 结语

本文从实际出发，通过ANSYS有限元分析方法对隧道高空作业平台工作篮基本臂4个不同起伏角度下，单独工况及组合工况的应力分析，得出其支撑架立板边缘处、钢管附近工作栏立板边缘处、支撑架两立板焊缝弯角处等关键位置的最大应力值均小于所选用材料的强度。因此，所设计的隧道高空作业平台工作篮疲劳强度满足要求，可靠性好。

[参 考 文 献]

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