1 000 t轮胎式搬梁机设计及有限元分析*

郭吉祥

（中铁十一局集团汉江重工有限公司，湖北襄阳 441006）

0 引言

福厦铁路位于福建省沿海地区，北起福州市，途经莆田市、泉州市，南至厦门市和漳州市。线路北端衔接合福铁路、温福铁路，南端衔接厦深铁路、龙厦铁路，与东南沿海铁路福厦段共通道，既可构建京福厦高速铁路客运通道，也是东南沿海铁路客运通道的重要组成部分，新建线路全长277.42 km。整条线路采用双线预制箱梁、现浇梁等，其中双线预制箱梁有40 m、32 m、24 m双线箱梁及少量非标准双线箱梁，而40 m大跨度简支箱梁的质量在1 000 t左右，为满足简支梁的提运架要求，需研制千吨级的大跨度简支箱梁提运架设备。

本文研制的1 000 t轮胎式搬梁机，可适用于国内时速350 km/h、250 km/h的铁路客运专线预制场内20 m、24 m、32 m、40 m整孔双线箱梁的起吊、运输、转移等工作的专用设备，具有载重力强、使用范围更广等优点，且有助于完善我国具有独立自主知识产权的高铁桥梁建设技术体系[1-5]，助力“一带一路”建设，对于我国高速铁路长期发展和实现“走出去”战略目标具有积极的推动作用。

1 1 000 t轮胎式搬梁机总体方案

1 000 t轮胎式搬梁机额定起质量为1 000 t，采用单主梁结构，支腿采用A型支腿，起升系统采用4点起吊3点均衡的吊梁方式，如图1所示。主要由主梁、支腿、车架及悬挂转向走行系统、前/后起重小车、动力系统、液压和电气系统、走台栏杆等组成。

图1 1 000 t轮胎式搬梁机示意图

1.1 主梁

1 000 t轮胎式搬梁机主梁采用单主梁箱型结构，单主梁由5个节段拼装而成，每个节段均为焊接箱型结构，节段之间采用铰制孔螺栓连接，与支腿采用法兰连接。该结构与传统的双主梁结构相比，具有重量轻、结构紧凑、灵活的优点。主梁材料选用Q345C结构钢，单件箱梁不超过12 m，其质量不超过36 t，符合公路运输要求。

1.2 支腿

支腿设计为A型，主体均采用箱型结构，内部布置有加劲板以防止局部失稳。节段之间采用高强度摩擦性螺栓连接，可以保证轮胎式搬梁机的抗扭性和垂直方向的稳定性。支腿材料采用Q345C结构钢。

1.3 起重小车

1 000 t轮胎式搬梁机有2台起重小车，每台起重小车有2套起升机构，每个机构对应所要起吊的混凝土梁的2个吊点。

单台起重小车由横移顶推机构、纵移顶推机构、定滑轮组、导向轮组、平衡滑轮组、液压卷扬机、钢丝绳、小车架等组成。

1.4 车架及走行系统

车架是行走轮组的承力部件，采用单根箱形梁结构，左右腹板外侧分别与8组牛腿通过高强度螺栓连接。车架顶面安装支腿，下面安装支撑机构，材料选用Q345C结构钢。车架通过牛腿与轮组相连。本搬梁机共有2个车架，每个车架连接有8轴线16个行走悬挂和4个支撑机构。

搬梁机整机走行通过发动机驱动左、右走行轮组来实现的。左、右走行轮组上面各连接有一个车架。整机走行系统含主动行走悬挂和从动行走悬挂共有32个，其中10个主动行走悬挂，20个主动轮；22个从动行走悬挂，44个从动轮。

1.5 电气和液压系统

1 000 t轮胎式搬梁机控制系统采用分布CAN总线方式，控制器之间采用CAN总线将16台控制器和2个显示屏以及32个转向编码器连成一体。系统采用多级总线控制，每台控制器均有4条总线，控制总线和信息总线严格分开，一方面保障了系统控制的响应快，另一方面也保障系统的通讯安全。

液压系统由转向、悬挂、行走驱动、支撑、起升、横移、纵移、钳盘制动、散热等几大回路和液压辅助系统组成。整机液压系统通过电磁比例阀和微电控制系统，行走和起升采用无级调速模式，实现了轮胎搬梁机在启动和停机时传动速度保持定加速度的变化，确保整机平稳起动与平稳制动，冲击小，平稳性好。

2 设备参数及工况分析

2.1 设备主要参数

设备主要参数如表1所示。

表1 1 000 t轮胎式搬梁机主要参数表

2.2 工况分析

目前，我国高速铁路常用有20 m、24 m、32 m跨度简支梁，以及非标准跨度简支梁和新提出40 m跨度简支梁，其对应额定质量分别为580 t（20.6 m）、700 t（22 m）、750 t（24.6 m）、780 t（26 m）、810 t（28.6 m）、850 t（30.1 m）、890 t（31.5 m）、900 t（32.6 m）、1 000 t（40.6 m）。

1 000 t轮胎式搬梁机起吊40 m、32 m、24 m、20 m混凝土箱梁及非标准箱梁时，各工况移动载荷和设备自重产生的反作用力如表2所示。

表2 1 000 t轮胎式搬梁机起吊箱梁产生反作用力

综合以上9种工况分析，可以按最不利工况31.5 m简支箱梁起吊工况设计验算，其受力示意图如2所示，其中（20+20）t为起重小车和吊具质量、（4+4）t为两卷扬机质量。

图2 31.5 m简支箱梁起吊工况载荷示意图

图3 有限元模型及约束图

3 结构有限元计算

3.1 有限元模型

1 000 t轮胎式搬梁机主结构采用Q345C钢板焊接而成，根据金属结构图按照一定的简化建立计算模型。计算验算软件采用大型通用有限元软件，模型长度单位为mm，力单位为N，应力单位为MPa，位移单位为mm[6]。

3.2 载荷及参数处理

根据最不利的工作载荷分别组合，再考虑的吊梁载荷有：（1）搬梁机自身重量，取重力加速度g=9.8 m/s2；（2）水平惯性载荷，计算加速度0.11 m/s2；（3）取弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比 μ=0.3；（4） 风载，取风载q=250 N/m2；（5）考虑到搬梁机驱动力突增或突减时对结构的影响，取加速度放大倍数1.5。另外，水平惯性载荷作为惯性载荷施加于有限元模型上，重物水平惯性载荷等效为集中载荷施加于主梁上。

3.3 结果分析

1 000 t轮胎式搬梁机结构计算所得应力分布和变形如图4、图5所示。

图4 1 000 t轮胎式搬梁机应力图

图5 1 000 t轮胎式搬梁机刚度图

参考设计规定《钢结构设计规范》(GB5017-2017)[7]，Q345C钢板厚度为16 mm＜δ≤35 mm时，其许用应力设计值为[σ]=295 MPa。由图4可知，1 000 t轮胎式搬梁机结构应力最大值为249 MPa，小于许用应力设计值[σ]，满足设计要求。

参考设计规范《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）[8]，起重机跨中载荷工况下最大静挠度[f]通常取值为L/700～L/400，根据以往设计经验，轮胎式的起重设备本身会产生一定的下挠变形量，因此最大静挠度[f]≤L/600即可。由图5可知，1 000 t轮胎式搬梁机结构下挠变形量f=63.9 mm（跨度L=48.6 m），小于最大允许最大静挠度[f]=81 mm，满足设计要求。

4 结束语

1 000 t轮胎式搬梁机是为40 m跨1000 t预制箱梁的架设而专门配套设计的大型移动式提梁设备，目前已在福厦高速铁路工程中投入使用。该搬梁机能够适应目前所有型号规格箱梁的提梁要求，可以实现20～40 m标准、非标准双线整孔箱梁的起吊与运输，同时还能满足预制梁场内钢筋骨架和整体内模的吊装作业，其载重力强，应用范围广泛。该设备的研制成功，并在梁场搬运梁施工中高效稳定的运用，有效提高了箱梁预制及箱梁运输的效率，为我国高速铁路的建设发展做出了贡献。