900 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)有限元建模與性能分析

盛寶安

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430062）

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，自主研制的高鐵運(yùn)架設(shè)備已在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，其中900 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)MDEL900A是在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)吊裝和運(yùn)輸32、24及20 m雙線(xiàn)預(yù)制混凝土箱梁和公路橋梁工程混凝土箱梁的重要運(yùn)輸設(shè)備，該設(shè)備還可用于預(yù)制場(chǎng)箱梁鋼筋骨架和整體內(nèi)模的吊裝、移位、場(chǎng)內(nèi)縱向和橫向運(yùn)輸。由于該設(shè)備采用輪胎走行，輪胎之間采用液壓均衡系統(tǒng)，因此各組輪胎受力均勻，接地比壓不高，使地基處理費(fèi)用較低，同時(shí)該設(shè)備可縱橫及斜向移動(dòng)，無(wú)須專(zhuān)用軌道，使梁片在梁場(chǎng)布置更加靈活，見(jiàn)圖1所示。

圖1 MDEL900A搬運(yùn)機(jī)

輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)是實(shí)施高鐵運(yùn)架搬運(yùn)的關(guān)鍵部件，嚴(yán)格遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]，其強(qiáng)度和剛度是衡量高鐵運(yùn)架搬運(yùn)性能的重要指標(biāo)。文章根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求[2]，對(duì)MDEL900A輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元分析與校核，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比較，得出了其性能分析結(jié)論，為搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對(duì)進(jìn)一步改善和優(yōu)化目前使用的900 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)及其他規(guī)格的輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型

采用大型有限元軟件ALGOR建立輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模和仿真[3]，主要分三個(gè)步驟： （1） 建立導(dǎo)入幾何模型； （2） 定義材料屬性； （3） 劃分網(wǎng)格建立有限元模型。該搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)主要是由不同厚度板焊接而成，建模時(shí)采用板單元模擬各箱梁結(jié)構(gòu)，可以利用直接法，直接利用節(jié)點(diǎn)—單元—有限元模型的自底而上的建模，然后導(dǎo)入ALGOR軟件對(duì)模型進(jìn)行顯示操作和布爾操作，即可得到該搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)的模型[3]。采用ALGOR進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，輪胎式搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)采用Q345，彈性模量2.1E5 MPa，泊松比0.3，許用應(yīng)力240 MPa。

該搬運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)的板單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有大變形和大應(yīng)變的特征，可以獲得簡(jiǎn)化的綜合的微控選項(xiàng)。單元選定后，需要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用多種規(guī)格單元模擬各部件板厚，這為優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)整板厚提供方便。對(duì)于板單元自重可由程序本身自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中還要考慮樓梯、導(dǎo)軌、附件、油缸的重量[4]，見(jiàn)圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分模型

2 工況加載與有限元仿真分析

該搬運(yùn)機(jī)整機(jī)工作級(jí)別A3，額定起重量900 t，風(fēng)載q=250 N/m2；考慮到各組輪胎受力均勻，采用彈簧元模擬輪胎，并根據(jù)各輪胎受力大小相同來(lái)調(diào)整彈簧剛度。其中，小車(chē) （含吊具） 總重25 t，起升沖擊系數(shù)=1.05，動(dòng)載系數(shù)=1.1。對(duì)于承受較重載荷的大跨度機(jī)臂結(jié)構(gòu)，為了減輕重量，又要保證一定的抗彎性能，通常板厚選得較薄而且截面尺寸較大，因此薄板承載性能顯得很突出。用有限元方法求解其剛度強(qiáng)度性能是一個(gè)有效方法，在靜力分析的基礎(chǔ)上對(duì)整機(jī)進(jìn)行了屈曲分析，求在各工況下屈曲載荷因子并指出薄弱部位。

（1） 工況1：搬運(yùn)20.6 m梁，吊重545 t，仿真結(jié)果如圖3。

圖3 工況1時(shí)主梁靜力學(xué)分析仿真

圖4 工況2時(shí)主梁靜力學(xué)分析仿真

（3） 工況3：搬運(yùn)20.6 m梁，吊重545 t，仿真結(jié)果如圖5。

圖5 工況3時(shí)主梁靜力學(xué)分析仿真

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上結(jié)果得到如表1所示。

表1 不同工況下機(jī)械性能對(duì)照表

根據(jù)上表可得出以下結(jié)論：

（1） 在搬運(yùn)32.6 m梁，吊重900 t時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為237 MPa，而許用應(yīng)力為[σ]=240 MPa。因此強(qiáng)度符合要求。

（2） 在搬運(yùn)24.6 m梁，吊重686 t時(shí)在跨中產(chǎn)生最大位移為61.62 mm，而且搬運(yùn)24.6 m梁和搬運(yùn)20.6 m梁時(shí)跨中撓度值要比搬運(yùn)32.6 m梁時(shí)大，這一點(diǎn)應(yīng)引起注意。小車(chē)在主梁跨中的許用凈撓度值[ f ]≤L/700 =62.143 mm，因此剛度符合要求。

（3） 最小屈曲臨界載荷乘子λ為4.2＞4，表面板厚選擇和隔筋板布局合理。

（4） 對(duì)重型起重機(jī)尤其文章的這種特種設(shè)備有限元計(jì)算，邊界模擬要符合實(shí)際，否則很難給出正確結(jié)果。