900 t轮胎式搬运机有限元建模与性能分析

盛宝安

（中铁工程机械研究设计院有限公司，湖北 武汉 430062）

随着我国高速铁路建设的快速发展，自主研制的高铁运架设备已在国内广泛应用，其中900 t轮胎式搬运机MDEL900A是在预制场内吊装和运输32、24及20 m双线预制混凝土箱梁和公路桥梁工程混凝土箱梁的重要运输设备，该设备还可用于预制场箱梁钢筋骨架和整体内模的吊装、移位、场内纵向和横向运输。由于该设备采用轮胎走行，轮胎之间采用液压均衡系统，因此各组轮胎受力均匀，接地比压不高，使地基处理费用较低，同时该设备可纵横及斜向移动，无须专用轨道，使梁片在梁场布置更加灵活，见图1所示。

图1 MDEL900A搬运机

轮胎式搬运机结构是实施高铁运架搬运的关键部件，严格遵循国家标准[1]，其强度和刚度是衡量高铁运架搬运性能的重要指标。文章根据设计规范要求[2]，对MDEL900A轮胎式搬运机结构进行了三维有限元分析与校核，根据计算结果进行分析和比较，得出了其性能分析结论，为搬运机结构参数设计提供理论依据。对进一步改善和优化目前使用的900 t轮胎式搬运机结构及其他规格的轮胎式搬运机结构的设计具有一定的指导意义。

1 轮胎式搬运机结构的有限元模型

采用大型有限元软件ALGOR建立轮胎式搬运机结构进行有限元建模和仿真[3]，主要分三个步骤： （1） 建立导入几何模型； （2） 定义材料属性； （3） 划分网格建立有限元模型。该搬运机结构主要是由不同厚度板焊接而成，建模时采用板单元模拟各箱梁结构，可以利用直接法，直接利用节点—单元—有限元模型的自底而上的建模，然后导入ALGOR软件对模型进行显示操作和布尔操作，即可得到该搬运机结构的模型[3]。采用ALGOR进行结构分析，轮胎式搬运机结构采用Q345，弹性模量2.1E5 MPa，泊松比0.3，许用应力240 MPa。

该搬运机结构的板单元结构特点具有大变形和大应变的特征，可以获得简化的综合的微控选项。单元选定后，需要对实体模型进行网格划分。该根据结构特点选用多种规格单元模拟各部件板厚，这为优化结构调整板厚提供方便。对于板单元自重可由程序本身自动进行计算，在计算过程中还要考虑楼梯、导轨、附件、油缸的重量[4]，见图2所示。

图2 有限元网格划分模型

2 工况加载与有限元仿真分析

该搬运机整机工作级别A3，额定起重量900 t，风载q=250 N/m2；考虑到各组轮胎受力均匀，采用弹簧元模拟轮胎，并根据各轮胎受力大小相同来调整弹簧刚度。其中，小车 （含吊具） 总重25 t，起升冲击系数=1.05，动载系数=1.1。对于承受较重载荷的大跨度机臂结构，为了减轻重量，又要保证一定的抗弯性能，通常板厚选得较薄而且截面尺寸较大，因此薄板承载性能显得很突出。用有限元方法求解其刚度强度性能是一个有效方法，在静力分析的基础上对整机进行了屈曲分析，求在各工况下屈曲载荷因子并指出薄弱部位。

（1） 工况1：搬运20.6 m梁，吊重545 t，仿真结果如图3。

图3 工况1时主梁静力学分析仿真

图4 工况2时主梁静力学分析仿真

（3） 工况3：搬运20.6 m梁，吊重545 t，仿真结果如图5。

图5 工况3时主梁静力学分析仿真

3 有限元计算结果分析

根据以上结果得到如表1所示。

表1 不同工况下机械性能对照表

根据上表可得出以下结论：

（1） 在搬运32.6 m梁，吊重900 t时产生最大应力，最大应力为237 MPa，而许用应力为[σ]=240 MPa。因此强度符合要求。

（2） 在搬运24.6 m梁，吊重686 t时在跨中产生最大位移为61.62 mm，而且搬运24.6 m梁和搬运20.6 m梁时跨中挠度值要比搬运32.6 m梁时大，这一点应引起注意。小车在主梁跨中的许用净挠度值[ f ]≤L/700 =62.143 mm，因此刚度符合要求。

（3） 最小屈曲临界载荷乘子λ为4.2＞4，表面板厚选择和隔筋板布局合理。

（4） 对重型起重机尤其文章的这种特种设备有限元计算，边界模拟要符合实际，否则很难给出正确结果。