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(jī)(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(jī)。該起重機(jī)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(guó)家窄軌鐵路上的機(jī)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(jī)

1 主要特點(diǎn)

(1) 該起重機(jī)以柴油機(jī)為動(dòng)力，是全液壓傳動(dòng)、全回轉(zhuǎn)、二節(jié)伸縮臂式鐵路起重機(jī)，支腿在開(kāi)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(hù)、貨物裝卸等需求。

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

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

(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(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

3 主要結(jié)構(gòu)

起重機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣制動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)采用2臺(tái)相同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配置，分別布置在轉(zhuǎn)臺(tái)的兩側(cè)。起重機(jī)可以使用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)，為提高工作效率,也可以雙發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)。

3.2 工作系統(tǒng)

起重機(jī)各作業(yè)是由動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)不同的工作機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工作機(jī)構(gòu)有起升機(jī)構(gòu)、吊臂伸縮機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、自力走行機(jī)構(gòu)、支腿機(jī)構(gòu)及液壓均載支承機(jī)構(gòu)等，工作機(jī)構(gòu)均采用液壓傳動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，運(yùn)行平穩(wěn)。

(1) 起升機(jī)構(gòu)。由液壓電動(dòng)機(jī)、行星式減速機(jī)、卷筒等組成。減速機(jī)裝有常閉式多片彈簧制動(dòng)器，卷筒上設(shè)有鋼絲繩三圈保護(hù)裝置。

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

(3) 變幅機(jī)構(gòu)。由2個(gè)同步動(dòng)作的大直徑雙向油缸組成，通過(guò)油缸伸縮調(diào)整吊臂角度。

(4) 吊臂伸縮機(jī)構(gòu)。由1個(gè)雙向油缸組成，通過(guò)油缸伸縮調(diào)整吊臂長(zhǎng)度。

(5) 自動(dòng)走行機(jī)構(gòu)。由1臺(tái)液壓電動(dòng)機(jī)、1個(gè)閉式圓柱齒輪減速器和1對(duì)開(kāi)式齒輪組成，采用汽缸驅(qū)動(dòng)的滑移式掛齒方式。

(6) 支腿機(jī)構(gòu)。采用旋轉(zhuǎn)支腿結(jié)構(gòu)，安裝在底架上。由4個(gè)水平支腿油缸、4個(gè)垂直支腿油缸和4個(gè)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(jī)構(gòu)。安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架內(nèi)，由16個(gè)垂直安裝的雙向油缸組成。

3.3 液壓系統(tǒng)

采用泵控開(kāi)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(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)的動(dòng)作方向和速度。

3.4 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

采用中國(guó)鐵路貨車通用的120型控制閥空氣制動(dòng)系統(tǒng)，由風(fēng)泵、空氣干燥器、風(fēng)缸、制動(dòng)閥、繼動(dòng)閥和制動(dòng)閥等組成，可滿足起重機(jī)自力運(yùn)行和由機(jī)車牽引運(yùn)行的制動(dòng)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(kāi)關(guān)、控制器、傳感器、照明燈、警示信號(hào)和附屬設(shè)備等組成。

3.6 安全控制系統(tǒng)

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

3.7 車鉤與側(cè)緩沖裝置

采用自動(dòng)式車鉤及配套側(cè)緩沖裝置，能夠保證起重機(jī)與裝有自動(dòng)車鉤的PNR鐵路車輛進(jìn)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(jī)構(gòu)組成。支腿機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動(dòng)其打開(kāi)和支撐。

(2) 轉(zhuǎn)臺(tái)。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(qiáng)度高；轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部設(shè)有固定式配重鐵；轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)有插銷式鎖定裝置，當(dāng)起重機(jī)回送時(shí)用銷軸鎖定，使轉(zhuǎn)臺(tái)處于機(jī)械鎖定狀態(tài)，確保運(yùn)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造，具有結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度好等優(yōu)點(diǎn)。

4 有限元計(jì)算

根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求用I-DEAS有限元分析軟件對(duì)起重機(jī)重要零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品強(qiáng)度是否符合各項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)起重機(jī)底架、轉(zhuǎn)臺(tái)、吊臂、支腿和轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度進(jìn)行分析和計(jì)算。

以轉(zhuǎn)臺(tái)為例，以四節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行離散建立轉(zhuǎn)臺(tái)有限元模型如圖2所示。對(duì)被試起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)有限元模型進(jìn)行模擬加載，加載值及工作幅度與實(shí)際運(yùn)用情況相同。轉(zhuǎn)臺(tái)有限元計(jì)算各工況參數(shù)如表2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)有限元模型

表2 轉(zhuǎn)臺(tái)有限元計(jì)算各工況參數(shù)

計(jì)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(tái)立墻板長(zhǎng)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(tái)立墻板長(zhǎng)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(tái)立墻板長(zhǎng)圓孔圓弧位置。這3個(gè)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(jī)各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足TB/T 1335—1996要求。

圖3 工況1作用下轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析應(yīng)力云圖

5 試驗(yàn)

5.1 測(cè)點(diǎn)選取

根據(jù)TB/T 1335—1996要求及有限元分析計(jì)算 結(jié)果進(jìn)行起重機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)位置為有限元分析計(jì)算中各部件應(yīng)力較大的位置，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置圖

5.2 試驗(yàn)條件

(1) 被試起重機(jī)組裝調(diào)試完成。

(2) 吊重試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速不大于8.3 m/s，結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試時(shí)風(fēng)速不大于4 m/s。

(3) 試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度應(yīng)在-15～+35 ℃,無(wú)雨雪。

(4) 試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)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(yàn)工況及載荷

表3為試驗(yàn)工況及載荷。

5.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前對(duì)被試起重機(jī)試驗(yàn)部件進(jìn)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(cè)試儀器應(yīng)提前做好檢定或在檢定使用期內(nèi)。檢測(cè)地點(diǎn)應(yīng)備有風(fēng)源及電源接頭，檢測(cè)場(chǎng)地和軌道需符合試驗(yàn)要求。對(duì)于準(zhǔn)備完畢的樣機(jī)，禁止實(shí)施妨礙試驗(yàn)進(jìn)行的作業(yè)，如損傷應(yīng)變片等。試驗(yàn)用重鐵的誤差應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。試驗(yàn)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(hù)措施，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)，待查明原因并排除故障后再繼續(xù)試驗(yàn)。

(1) 零應(yīng)力狀態(tài)測(cè)量消除因自重產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)?。測(cè)量結(jié)構(gòu)件自重應(yīng)力，建立結(jié)構(gòu)的零應(yīng)力即無(wú)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(jī)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(tái)處于零應(yīng)力狀態(tài)；此時(shí)起重機(jī)不打支腿，未使用均載油缸狀態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)的ε0值。

(2) 空載應(yīng)力狀態(tài)測(cè)量結(jié)構(gòu)件在自重作用下的應(yīng)變?chǔ)??？蛰d應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，將起重機(jī)調(diào)整到表3所規(guī)定的測(cè)試工況及其相應(yīng)幅度，吊鉤放置于地面，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)。如果零應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變讀數(shù)ε0無(wú)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(yàn)工況及載荷

(3) 負(fù)載應(yīng)力狀態(tài)測(cè)量在負(fù)載作用下的應(yīng)變?chǔ)?。負(fù)載應(yīng)力狀態(tài)按表3所規(guī)定的測(cè)試工況對(duì)起重機(jī)進(jìn)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(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片讀數(shù)與原數(shù)據(jù)ε1偏差超過(guò)±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(cè)點(diǎn)的測(cè)量無(wú)效。應(yīng)查明原因，按原測(cè)試程序重新測(cè)量，直至合格。由風(fēng)載荷作用造成的應(yīng)變偏差屬于正常現(xiàn)象，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡可能選擇良好天氣以減少風(fēng)載荷影響。每項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)重復(fù)做3次，比較測(cè)試數(shù)據(jù)并確認(rèn)無(wú)重大差別。對(duì)于誤差超過(guò)10倍的微應(yīng)變，則應(yīng)查明原因，并重新測(cè)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(yàn)，并進(jìn)行全面檢查和分析。

5.5 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)結(jié)果

表4為構(gòu)件許用應(yīng)力表，各工況測(cè)點(diǎn)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(qiáng)度試驗(yàn)分別在出口菲律賓起重機(jī)的底架、轉(zhuǎn)臺(tái)、吊臂、支腿及轉(zhuǎn)向架5個(gè)部件布置70個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各部件仿真分析與試驗(yàn)測(cè)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(yàn)選取所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，表明被試起重機(jī)的強(qiáng)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析顯示，本次試驗(yàn)80%以上測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果偏差小于20%，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

出口菲律賓80 t窄軌伸縮臂式鐵路起重機(jī)技術(shù)先進(jìn)，自動(dòng)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(dòng)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(yùn)用情況良好，受到了用戶好評(píng)。