出口菲律賓鐵路起重機的研制與試驗

鄭 云 鵬，彭 程，王 占 福

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 技術(shù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

出口菲律賓鐵路起重機(圖1)是中車齊齊哈爾車輛有限公司為菲律賓某公司研制的新型窄軌伸縮臂式鐵路起重機。該起重機最大起重量為80 t，最大起重力矩為800 t·m，主要用于在菲律賓國家窄軌鐵路上的機車車輛脫軌、顛覆等事故的救援，重大貨物裝卸，設(shè)備安裝，鐵路線路的軌道鋪設(shè)和道岔更換等作業(yè)，也適用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)下、橋梁上、隧道內(nèi)的救援作業(yè)。

圖1 出口菲律賓鐵路起重機

1 主要特點

(1) 該起重機以柴油機為動力，是全液壓傳動、全回轉(zhuǎn)、二節(jié)伸縮臂式鐵路起重機，支腿在開閉狀態(tài)下可分別完成不同情況的吊重作業(yè)，可滿足鐵路救援、線路維護、貨物裝卸等需求。

(2) 采用內(nèi)藏式配重鐵，作業(yè)輔助時間短，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

(3) 主要機電設(shè)備(如柴油機、泵、電動機、減速機)、液壓油缸密封件及液壓系統(tǒng)管路附件均采用國際一線品牌產(chǎn)品，國際通用化強，可靠性高，便于使用和維護。

(4) 配有完善的自身安全控制系統(tǒng)及工作狀態(tài)顯示系統(tǒng)，操作安全、方便。

2 主要技術(shù)參數(shù)

表1為出口菲律賓鐵路起重機主要技術(shù)參數(shù)。

3 主要結(jié)構(gòu)

起重機主要由動力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置及鋼結(jié)構(gòu)等部分組成。

3.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)采用2臺相同柴油發(fā)動機配置，分別布置在轉(zhuǎn)臺的兩側(cè)。起重機可以使用單臺發(fā)動機進行作業(yè)，為提高工作效率,也可以雙發(fā)動機作業(yè)。

3.2 工作系統(tǒng)

起重機各作業(yè)是由動力系統(tǒng)驅(qū)動不同的工作機構(gòu)來實現(xiàn)的。工作機構(gòu)有起升機構(gòu)、吊臂伸縮機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、自力走行機構(gòu)、支腿機構(gòu)及液壓均載支承機構(gòu)等，工作機構(gòu)均采用液壓傳動方式，可實現(xiàn)無級變速，運行平穩(wěn)。

(1) 起升機構(gòu)。由液壓電動機、行星式減速機、卷筒等組成。減速機裝有常閉式多片彈簧制動器，卷筒上設(shè)有鋼絲繩三圈保護裝置。

(2) 回轉(zhuǎn)機構(gòu)。由液壓電動機、行星式減速機、回轉(zhuǎn)支承等組成。減速機內(nèi)裝有常閉式多片彈簧制動器，其輸出小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈嚙合。

(3) 變幅機構(gòu)。由2個同步動作的大直徑雙向油缸組成，通過油缸伸縮調(diào)整吊臂角度。

(4) 吊臂伸縮機構(gòu)。由1個雙向油缸組成，通過油缸伸縮調(diào)整吊臂長度。

(5) 自動走行機構(gòu)。由1臺液壓電動機、1個閉式圓柱齒輪減速器和1對開式齒輪組成，采用汽缸驅(qū)動的滑移式掛齒方式。

(6) 支腿機構(gòu)。采用旋轉(zhuǎn)支腿結(jié)構(gòu)，安裝在底架上。由4個水平支腿油缸、4個垂直支腿油缸和4個支腿鋼結(jié)構(gòu)組成，其中支腿鋼結(jié)構(gòu)為焊接式箱形結(jié)構(gòu)，與底架采用銷軸連接。

(7) 液壓均載支承機構(gòu)。安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架內(nèi)，由16個垂直安裝的雙向油缸組成。

3.3 液壓系統(tǒng)

采用泵控開式調(diào)速液壓系統(tǒng)，由變量雙泵、多路閥、電磁閥組、油缸和電動機等組成。采用先導(dǎo)液控的控制方式，可操縱先導(dǎo)手柄輸出油壓控制主泵排量及多路閥流量，從而控制工作機構(gòu)的動作方向和速度。

3.4 空氣制動系統(tǒng)

采用中國鐵路貨車通用的120型控制閥空氣制動系統(tǒng)，由風(fēng)泵、空氣干燥器、風(fēng)缸、制動閥、繼動閥和制動閥等組成，可滿足起重機自力運行和由機車牽引運行的制動要求。

3.5 電氣控制系統(tǒng)

采用多網(wǎng)絡(luò)CAN總線控制系統(tǒng)，由電源、顯示屏、總線開關(guān)、控制器、傳感器、照明燈、警示信號和附屬設(shè)備等組成。

3.6 安全控制系統(tǒng)

起重機的安全控制系統(tǒng)符合GB/T 12602—2009《起重機械超載保護裝置》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.7 車鉤與側(cè)緩沖裝置

采用自動式車鉤及配套側(cè)緩沖裝置，能夠保證起重機與裝有自動車鉤的PNR鐵路車輛進行連接。

3.8 鋼結(jié)構(gòu)

(1) 底架。底架由焊接式箱形梁和支腿機構(gòu)組成。支腿機構(gòu)為擺動式結(jié)構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動其打開和支撐。

(2) 轉(zhuǎn)臺。采用倒π形布置的三角形支承的焊接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，剛度好，強度高；轉(zhuǎn)臺內(nèi)部設(shè)有固定式配重鐵；轉(zhuǎn)臺設(shè)有插銷式鎖定裝置，當(dāng)起重機回送時用銷軸鎖定，使轉(zhuǎn)臺處于機械鎖定狀態(tài)，確保運行安全。

(3) 吊臂。采用2節(jié)伸縮式吊臂，斷面下半部分為圓弧形。吊臂鋼結(jié)構(gòu)選用高強度結(jié)構(gòu)鋼制造，具有結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕、強度高、剛度好等優(yōu)點。

4 有限元計算

根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》要求用I-DEAS有限元分析軟件對起重機重要零部件結(jié)構(gòu)進行強度分析，并通過樣機試驗驗證產(chǎn)品強度是否符合各項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對起重機底架、轉(zhuǎn)臺、吊臂、支腿和轉(zhuǎn)向架強度進行分析和計算。

以轉(zhuǎn)臺為例，以四節(jié)點殼單元進行離散建立轉(zhuǎn)臺有限元模型如圖2所示。對被試起重機轉(zhuǎn)臺有限元模型進行模擬加載，加載值及工作幅度與實際運用情況相同。轉(zhuǎn)臺有限元計算各工況參數(shù)如表2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺有限元模型

表2 轉(zhuǎn)臺有限元計算各工況參數(shù)

計算結(jié)果顯示：工況1作用下最大合成應(yīng)力為 263 MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)臺立墻板長圓孔圓弧位置(圖3)；工況2作用下最大合成應(yīng)力為 319 MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)臺立墻板長圓孔圓弧位置；工況3作用下最大合成應(yīng)力為 278 MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)臺立墻板長圓孔圓弧位置。這3個部位材料均為 HG758E，且最大合成應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力 (417 MPa)，其他部件的應(yīng)力亦小于其材料許用應(yīng)力。表明該起重機各部分結(jié)構(gòu)強度滿足TB/T 1335—1996要求。

圖3 工況1作用下轉(zhuǎn)臺有限元分析應(yīng)力云圖

5 試驗

5.1 測點選取

根據(jù)TB/T 1335—1996要求及有限元分析計算 結(jié)果進行起重機強度試驗，測點位置為有限元分析計算中各部件應(yīng)力較大的位置，如圖4所示。

圖4 強度試驗轉(zhuǎn)臺測點布置圖

5.2 試驗條件

(1) 被試起重機組裝調(diào)試完成。

(2) 吊重試驗時風(fēng)速不大于8.3 m/s，結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試時風(fēng)速不大于4 m/s。

(3) 試驗時環(huán)境溫度應(yīng)在-15～+35 ℃,無雨雪。

(4) 試驗場地水平，傾斜度不大于0.5%(約0.3°)，回轉(zhuǎn)支承平面的傾斜度同樣不大于0.5%(約0.3°)。

(5) 試驗載荷標(biāo)定準(zhǔn)確，垂直載荷偏差不大于±1%，水平載荷偏差不大于±3%。

5.3 試驗工況及載荷

表3為試驗工況及載荷。

5.4 試驗方法

試驗前對被試起重機試驗部件進行打磨、貼片及接線。打磨光潔度、貼片位置及粘貼質(zhì)量需符合相關(guān)質(zhì)量要求。絕緣需在100 MΩ以上。測試儀器應(yīng)提前做好檢定或在檢定使用期內(nèi)。檢測地點應(yīng)備有風(fēng)源及電源接頭，檢測場地和軌道需符合試驗要求。對于準(zhǔn)備完畢的樣機，禁止實施妨礙試驗進行的作業(yè)，如損傷應(yīng)變片等。試驗用重鐵的誤差應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。試驗應(yīng)嚴(yán)格按照程序操作，并采取必要的安全監(jiān)督和保護措施，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停止試驗，待查明原因并排除故障后再繼續(xù)試驗。

(1) 零應(yīng)力狀態(tài)測量消除因自重產(chǎn)生的應(yīng)變ε0。測量結(jié)構(gòu)件自重應(yīng)力，建立結(jié)構(gòu)的零應(yīng)力即無應(yīng)力狀態(tài)。各結(jié)構(gòu)的零應(yīng)力狀態(tài)按如下方式近似獲得：起重機貼片后吊臂處于水平全伸出狀態(tài)，近似認(rèn)為吊臂、轉(zhuǎn)臺處于零應(yīng)力狀態(tài)；此時起重機不打支腿，未使用均載油缸狀態(tài)時近似認(rèn)為底架、支腿處于零應(yīng)力狀態(tài)；使用支腿將車體支撐，轉(zhuǎn)向架脫離軌面，此時認(rèn)為轉(zhuǎn)向架為零應(yīng)力狀態(tài)。分別記錄各結(jié)構(gòu)處于零應(yīng)力狀態(tài)時的ε0值。

(2) 空載應(yīng)力狀態(tài)測量結(jié)構(gòu)件在自重作用下的應(yīng)變ε1?？蛰d應(yīng)力狀態(tài)時，將起重機調(diào)整到表3所規(guī)定的測試工況及其相應(yīng)幅度，吊鉤放置于地面，回轉(zhuǎn)機構(gòu)處于制動狀態(tài)。如果零應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變讀數(shù)ε0無法讀出，可以取空載狀態(tài)作為初始狀態(tài)，應(yīng)變儀調(diào)零。

表3 試驗工況及載荷

(3) 負(fù)載應(yīng)力狀態(tài)測量在負(fù)載作用下的應(yīng)變ε2。負(fù)載應(yīng)力狀態(tài)按表3所規(guī)定的測試工況對起重機進行加載，其工作幅度允差不大于±1%。

(4) 卸載至空載應(yīng)力狀態(tài)，檢查各應(yīng)變片的回零情況，如果某測點的應(yīng)變片讀數(shù)與原數(shù)據(jù)ε1偏差超過±0.03σs/E(其中σs為材料的屈服極限,E為材料的彈性模量)，則認(rèn)為該測點的測量無效。應(yīng)查明原因，按原測試程序重新測量，直至合格。由風(fēng)載荷作用造成的應(yīng)變偏差屬于正?，F(xiàn)象，測試時應(yīng)盡可能選擇良好天氣以減少風(fēng)載荷影響。每項試驗應(yīng)重復(fù)做3次，比較測試數(shù)據(jù)并確認(rèn)無重大差別。對于誤差超過10倍的微應(yīng)變，則應(yīng)查明原因，并重新測試直至穩(wěn)定。觀察結(jié)構(gòu)件是否有永久變形或局部損壞，若有上述現(xiàn)象，應(yīng)立即終止試驗，并進行全面檢查和分析。

5.5 評定標(biāo)準(zhǔn)及試驗結(jié)果

表4為構(gòu)件許用應(yīng)力表，各工況測點合成應(yīng)力不得高于規(guī)定的部件許用應(yīng)力，部件受力狀態(tài)分別為拉、壓、彎。

表4 構(gòu)件許用應(yīng)力表 MPa

本次強度試驗分別在出口菲律賓起重機的底架、轉(zhuǎn)臺、吊臂、支腿及轉(zhuǎn)向架5個部件布置70個測點。試驗結(jié)果顯示，各部件仿真分析與試驗測得的最大應(yīng)力位置相同，最大應(yīng)力如表5所示。從表5可以看出，試驗選取所有測點應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，表明被試起重機的強度符合TB/T 1335—1996要求。

表5 各部件最大應(yīng)力 MPa

將仿真分析計算結(jié)果與試驗所測數(shù)據(jù)進行對比分析顯示，本次試驗80%以上測點的試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果偏差小于20%，驗證了有限元分析計算結(jié)果及試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

6 結(jié)束語

出口菲律賓80 t窄軌伸縮臂式鐵路起重機技術(shù)先進，自動化程度高，操作安全可靠，其綜合技術(shù)性能指標(biāo)特別是液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)屬行業(yè)領(lǐng)先水平。目前該車已交付客戶使用，運用情況良好，受到了用戶好評。