郭吉祥

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司，湖北襄陽(yáng) 441006）

0 引言

福廈鐵路位于福建省沿海地區(qū)，北起福州市，途經(jīng)莆田市、泉州市，南至廈門市和漳州市。線路北端銜接合福鐵路、溫福鐵路，南端銜接廈深鐵路、龍廈鐵路，與東南沿海鐵路福廈段共通道，既可構(gòu)建京福廈高速鐵路客運(yùn)通道，也是東南沿海鐵路客運(yùn)通道的重要組成部分，新建線路全長(zhǎng)277.42 km。整條線路采用雙線預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆梁等，其中雙線預(yù)制箱梁有40 m、32 m、24 m雙線箱梁及少量非標(biāo)準(zhǔn)雙線箱梁，而40 m大跨度簡(jiǎn)支箱梁的質(zhì)量在1 000 t左右，為滿足簡(jiǎn)支梁的提運(yùn)架要求，需研制千噸級(jí)的大跨度簡(jiǎn)支箱梁提運(yùn)架設(shè)備。

本文研制的1 000 t輪胎式搬梁機(jī)，可適用于國(guó)內(nèi)時(shí)速350 km/h、250 km/h的鐵路客運(yùn)專線預(yù)制場(chǎng)內(nèi)20 m、24 m、32 m、40 m整孔雙線箱梁的起吊、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移等工作的專用設(shè)備，具有載重力強(qiáng)、使用范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)，且有助于完善我國(guó)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高鐵橋梁建設(shè)技術(shù)體系[1-5]，助力“一帶一路”建設(shè)，對(duì)于我國(guó)高速鐵路長(zhǎng)期發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“走出去”戰(zhàn)略目標(biāo)具有積極的推動(dòng)作用。

1 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)總體方案

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)額定起質(zhì)量為1 000 t，采用單主梁結(jié)構(gòu)，支腿采用A型支腿，起升系統(tǒng)采用4點(diǎn)起吊3點(diǎn)均衡的吊梁方式，如圖1所示。主要由主梁、支腿、車架及懸掛轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)、前/后起重小車、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓和電氣系統(tǒng)、走臺(tái)欄桿等組成。

圖1 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)示意圖

1.1 主梁

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)主梁采用單主梁箱型結(jié)構(gòu)，單主梁由5個(gè)節(jié)段拼裝而成，每個(gè)節(jié)段均為焊接箱型結(jié)構(gòu)，節(jié)段之間采用鉸制孔螺栓連接，與支腿采用法蘭連接。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的雙主梁結(jié)構(gòu)相比，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活的優(yōu)點(diǎn)。主梁材料選用Q345C結(jié)構(gòu)鋼，單件箱梁不超過(guò)12 m，其質(zhì)量不超過(guò)36 t，符合公路運(yùn)輸要求。

1.2 支腿

支腿設(shè)計(jì)為A型，主體均采用箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置有加勁板以防止局部失穩(wěn)。節(jié)段之間采用高強(qiáng)度摩擦性螺栓連接，可以保證輪胎式搬梁機(jī)的抗扭性和垂直方向的穩(wěn)定性。支腿材料采用Q345C結(jié)構(gòu)鋼。

1.3 起重小車

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)有2臺(tái)起重小車，每臺(tái)起重小車有2套起升機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)所要起吊的混凝土梁的2個(gè)吊點(diǎn)。

單臺(tái)起重小車由橫移頂推機(jī)構(gòu)、縱移頂推機(jī)構(gòu)、定滑輪組、導(dǎo)向輪組、平衡滑輪組、液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩、小車架等組成。

1.4 車架及走行系統(tǒng)

車架是行走輪組的承力部件，采用單根箱形梁結(jié)構(gòu)，左右腹板外側(cè)分別與8組牛腿通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接。車架頂面安裝支腿，下面安裝支撐機(jī)構(gòu)，材料選用Q345C結(jié)構(gòu)鋼。車架通過(guò)牛腿與輪組相連。本搬梁機(jī)共有2個(gè)車架，每個(gè)車架連接有8軸線16個(gè)行走懸掛和4個(gè)支撐機(jī)構(gòu)。

搬梁機(jī)整機(jī)走行通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)左、右走行輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)的。左、右走行輪組上面各連接有一個(gè)車架。整機(jī)走行系統(tǒng)含主動(dòng)行走懸掛和從動(dòng)行走懸掛共有32個(gè)，其中10個(gè)主動(dòng)行走懸掛，20個(gè)主動(dòng)輪；22個(gè)從動(dòng)行走懸掛，44個(gè)從動(dòng)輪。

1.5 電氣和液壓系統(tǒng)

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)控制系統(tǒng)采用分布CAN總線方式，控制器之間采用CAN總線將16臺(tái)控制器和2個(gè)顯示屏以及32個(gè)轉(zhuǎn)向編碼器連成一體。系統(tǒng)采用多級(jí)總線控制，每臺(tái)控制器均有4條總線，控制總線和信息總線嚴(yán)格分開(kāi)，一方面保障了系統(tǒng)控制的響應(yīng)快，另一方面也保障系統(tǒng)的通訊安全。

液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向、懸掛、行走驅(qū)動(dòng)、支撐、起升、橫移、縱移、鉗盤制動(dòng)、散熱等幾大回路和液壓輔助系統(tǒng)組成。整機(jī)液壓系統(tǒng)通過(guò)電磁比例閥和微電控制系統(tǒng)，行走和起升采用無(wú)級(jí)調(diào)速模式，實(shí)現(xiàn)了輪胎搬梁機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)傳動(dòng)速度保持定加速度的變化，確保整機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)與平穩(wěn)制動(dòng)，沖擊小，平穩(wěn)性好。

2 設(shè)備參數(shù)及工況分析

2.1 設(shè)備主要參數(shù)

設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)主要參數(shù)表

2.2 工況分析

目前，我國(guó)高速鐵路常用有20 m、24 m、32 m跨度簡(jiǎn)支梁，以及非標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁和新提出40 m跨度簡(jiǎn)支梁，其對(duì)應(yīng)額定質(zhì)量分別為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輪胎式搬梁機(jī)起吊40 m、32 m、24 m、20 m混凝土箱梁及非標(biāo)準(zhǔn)箱梁時(shí)，各工況移動(dòng)載荷和設(shè)備自重產(chǎn)生的反作用力如表2所示。

表2 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)起吊箱梁產(chǎn)生反作用力

綜合以上9種工況分析，可以按最不利工況31.5 m簡(jiǎn)支箱梁起吊工況設(shè)計(jì)驗(yàn)算，其受力示意圖如2所示，其中（20+20）t為起重小車和吊具質(zhì)量、（4+4）t為兩卷?yè)P(yáng)機(jī)質(zhì)量。

圖2 31.5 m簡(jiǎn)支箱梁起吊工況載荷示意圖

圖3 有限元模型及約束圖

3 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

3.1 有限元模型

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)主結(jié)構(gòu)采用Q345C鋼板焊接而成，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)圖按照一定的簡(jiǎn)化建立計(jì)算模型。計(jì)算驗(yàn)算軟件采用大型通用有限元軟件，模型長(zhǎng)度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm[6]。

3.2 載荷及參數(shù)處理

根據(jù)最不利的工作載荷分別組合，再考慮的吊梁載荷有：（1）搬梁機(jī)自身重量，取重力加速度g=9.8 m/s2；（2）水平慣性載荷，計(jì)算加速度0.11 m/s2；（3）取彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比 μ=0.3；（4） 風(fēng)載，取風(fēng)載q=250 N/m2；（5）考慮到搬梁機(jī)驅(qū)動(dòng)力突增或突減時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，取加速度放大倍數(shù)1.5。另外，水平慣性載荷作為慣性載荷施加于有限元模型上，重物水平慣性載荷等效為集中載荷施加于主梁上。

3.3 結(jié)果分析

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算所得應(yīng)力分布和變形如圖4、圖5所示。

圖4 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)應(yīng)力圖

圖5 1 000 t輪胎式搬梁機(jī)剛度圖

參考設(shè)計(jì)規(guī)定《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5017-2017)[7]，Q345C鋼板厚度為16 mm＜δ≤35 mm時(shí)，其許用應(yīng)力設(shè)計(jì)值為[σ]=295 MPa。由圖4可知，1 000 t輪胎式搬梁機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為249 MPa，小于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)值[σ]，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考設(shè)計(jì)規(guī)范《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T3811-2008）[8]，起重機(jī)跨中載荷工況下最大靜撓度[f]通常取值為L(zhǎng)/700～L/400，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，輪胎式的起重設(shè)備本身會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)献冃瘟?，因此最大靜撓度[f]≤L/600即可。由圖5可知，1 000 t輪胎式搬梁機(jī)結(jié)構(gòu)下?lián)献冃瘟縡=63.9 mm（跨度L=48.6 m），小于最大允許最大靜撓度[f]=81 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

1 000 t輪胎式搬梁機(jī)是為40 m跨1000 t預(yù)制箱梁的架設(shè)而專門配套設(shè)計(jì)的大型移動(dòng)式提梁設(shè)備，目前已在福廈高速鐵路工程中投入使用。該搬梁機(jī)能夠適應(yīng)目前所有型號(hào)規(guī)格箱梁的提梁要求，可以實(shí)現(xiàn)20～40 m標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)雙線整孔箱梁的起吊與運(yùn)輸，同時(shí)還能滿足預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)鋼筋骨架和整體內(nèi)模的吊裝作業(yè)，其載重力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛。該設(shè)備的研制成功，并在梁場(chǎng)搬運(yùn)梁施工中高效穩(wěn)定的運(yùn)用，有效提高了箱梁預(yù)制及箱梁運(yùn)輸?shù)男?，為我?guó)高速鐵路的建設(shè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。