高明利 任海濤 鄭 沛 陳海峰 豐樹禮

河南省礦山起重機(jī)有限公司 新鄉(xiāng) 45340063

0 引言

近幾年高速列車在中國迅速發(fā)展，無論是數(shù)量還是質(zhì)量均處于世界首位，高速列車的迅猛發(fā)展給出行帶來了很大方便，同時(shí)也帶動(dòng)了中國以及“一帶一路”沿線國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。隨著高速列車數(shù)量的增多，與之配套的維護(hù)修理服務(wù)問題越加凸顯；高速列車的維護(hù)修理通常是在軌道線上進(jìn)行，而列車周邊存在各種障礙物，使其檢修空間非常狹窄，無論無軌還是有軌的起重機(jī)設(shè)備均很難靠近檢修。另外，列車上方均有供電線路，如用普通橋式起重機(jī)在其供電線路正上方作業(yè)，列車供電線路形成的磁場(chǎng)會(huì)影響起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，容易發(fā)生起重機(jī)與供電線路短接的事故，存在一定安全隱患。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，并與有關(guān)用戶多方交流論證，本文研究設(shè)計(jì)出一種懸掛式可伸縮起重機(jī)。該起重機(jī)安裝在列車的側(cè)上方，起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩繞過移動(dòng)伸縮懸臂小車端部的滑輪組連接吊鉤，通過伸縮臂將吊鉤伸到列車需要吊裝的部位進(jìn)行吊取工件。該起重機(jī)設(shè)計(jì)方案既可避開列車周邊障礙物，將吊鉤伸到吊裝部位；又使起重機(jī)主要控制電氣元件遠(yuǎn)離了列車的供電線路，避免了相互干擾。

1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)概述

該起重機(jī)額定起重量1 500 kg，工作級(jí)別M3，起升高度5.5 m，起升速度1.6/16 m/min，懸臂梁伸縮速度10/20 m/min，起重機(jī)運(yùn)行速度20 m/min，總功率9.5 kW，電源采用三項(xiàng)、50 Hz、380 V。

該起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)為懸掛式，如圖1所示，其總體結(jié)構(gòu)主要包括主梁、端梁總成、伸縮梁主動(dòng)小車、伸縮梁三角從動(dòng)小車、伸縮梁、起升機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等。端梁總成包含有2套主動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和2套從動(dòng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，主動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和從動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在端梁的兩端，并且懸掛在運(yùn)行軌道下方；端梁總成通過平衡吊板銷軸與主梁連接，主梁為箱形結(jié)構(gòu)不帶懸臂，伸縮梁主動(dòng)小車和伸縮梁從動(dòng)小車懸掛在主梁下蓋板上，并沿著主梁方向移動(dòng)；伸縮梁與伸縮梁主動(dòng)小車和伸縮梁從動(dòng)小車固定連接，且隨小車移動(dòng)而伸縮；起升機(jī)構(gòu)固定在伸縮梁下端，包括鋼絲繩、吊鉤、卷筒、電機(jī)等，鋼絲繩纏繞在卷筒上，并繞過伸縮梁端部的定滑輪組與吊鉤連接。工作時(shí)，端梁總成帶動(dòng)整個(gè)起重機(jī)沿著軌道運(yùn)行，伸縮梁主動(dòng)小車和伸縮梁從動(dòng)小車帶動(dòng)伸縮臂沿著主梁方向運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)行方式可避開列車周邊障礙物將吊鉤延伸到吊裝部位。

圖1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 主要機(jī)構(gòu)概述及特點(diǎn)分析

2.1 懸臂小車設(shè)計(jì)

懸臂小車是該設(shè)備關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，包括：伸縮梁主動(dòng)小車和伸縮梁三角從動(dòng)小車。伸縮梁主/從動(dòng)小車帶動(dòng)伸縮臂沿著主梁移動(dòng)，從而避開障礙物來吊取列車需檢修部位。

如圖1所示，伸縮梁主動(dòng)小車靠近懸臂端輪壓較大，故設(shè)計(jì)成4輪結(jié)構(gòu)，并安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，作為懸臂小車驅(qū)動(dòng)單元。伸縮梁三角從動(dòng)小車遠(yuǎn)離懸臂端，其輪壓較小，故計(jì)成2輪結(jié)構(gòu)，作為懸臂小車從動(dòng)單元。

懸臂小車在起吊重物時(shí)，將會(huì)以伸縮梁主動(dòng)小車的車輪為支點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使伸縮梁三角從動(dòng)小車車輪脫離軌道，極易造成運(yùn)行走斜、啃軌以及車輪錯(cuò)軌等故障，如果沒有防護(hù)措施將影響小車正常運(yùn)行，故必須采取防走斜機(jī)構(gòu)才能保證小車正常運(yùn)行。該機(jī)構(gòu)安裝在伸縮梁架上，伸縮梁主動(dòng)小車和伸縮梁三角從動(dòng)小車之間設(shè)計(jì)水平導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪卡在主梁下翼沿兩側(cè)，預(yù)防運(yùn)行車輪走斜。

2.2 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)安裝固定在小車尾部，包括卷筒、鋼絲繩、導(dǎo)向輪組、導(dǎo)向承載輪組、吊鉤組。如圖2所示，起升鋼絲繩繞過導(dǎo)向輪組和導(dǎo)向承載輪組后與吊鉤連接。導(dǎo)向輪組固定在懸臂梁前下方。承載滑輪組固定在懸臂梁前端，目的是為了實(shí)現(xiàn)在短懸臂長度下，能將吊鉤伸到較遠(yuǎn)的位置，且盡可能提高起升高度。

圖2 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)采用葫蘆的改型結(jié)構(gòu)，固定在小車尾部，卷筒垂直于懸臂梁布置，鋼絲繩與水平面成11°夾角向下前方出繩。通過導(dǎo)向輪再向斜上方繞過承載滑輪后垂直向下出繩與吊鉤連接，該繞繩方式可防止空載時(shí)鋼絲繩松動(dòng)發(fā)生跳槽、亂繩。

因懸臂梁長度受限，從卷筒到導(dǎo)向輪的距離較短，鋼絲繩與卷筒繩槽有一定夾角，如果采用普通葫蘆導(dǎo)繩器，鋼絲繩與導(dǎo)繩器之間摩擦比較嚴(yán)重，影響鋼絲繩和導(dǎo)繩器的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)中改用壓輥式導(dǎo)繩器，壓輥內(nèi)安裝有軸承可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩與壓輥之間成滾動(dòng)摩擦，既能防止鋼絲繩跳槽又能避免鋼絲繩與壓輥過度摩擦損壞。

2.3 伸縮梁設(shè)計(jì)

伸縮梁是小車承載的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，將運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)連接在一起。伸縮梁設(shè)計(jì)為箱形結(jié)構(gòu)，前部設(shè)計(jì)有滑輪座用于安裝導(dǎo)向承載輪組；上部設(shè)計(jì)有運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接孔，用于與運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接；后部設(shè)計(jì)有起升機(jī)構(gòu)安裝座、電控箱安裝座；驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間設(shè)計(jì)有運(yùn)行導(dǎo)向輪安裝座，用于導(dǎo)向輪安裝。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 伸縮梁

2.4 小車防傾翻裝置設(shè)計(jì)

由于小車起升吊鉤超出小車輪支撐點(diǎn)以外，對(duì)于小車支撐點(diǎn)產(chǎn)生了傾翻力矩，故應(yīng)設(shè)計(jì)防傾翻裝置。如圖4所示，起升額定載荷為Gn＝1 500 kg，伸縮梁自重Gz1＝197.7 kg，起升機(jī)構(gòu)自重Gz2＝437 kg，電控箱自重Gz3＝30 kg，運(yùn)行導(dǎo)向輪重Gz4＝5.6 kg，防傾翻輪自重Gz5＝ 10 kg，L1＝1 128 mm，L2＝854 mm，L3＝275 mm，L4＝547 mm，L5＝897 mm，L6＝102 mm。以靠近前端運(yùn)行機(jī)構(gòu)為支點(diǎn)，懸臂小車力平衡為

圖4 伸縮梁受力分析

反傾翻力F2可由式（1）和式（2）求出，根據(jù)F2可設(shè)計(jì)防傾翻裝置。防傾翻裝置如圖5所示，主要由防傾翻輪、輪軸、軸承、支架等組成。防傾翻輪裝置安裝在懸臂小車尾部，工作時(shí)沿主梁下蓋板滾動(dòng)，當(dāng)?shù)蹉^吊取工件產(chǎn)生傾翻力矩時(shí)，主梁底面對(duì)防傾翻輪產(chǎn)生力矩，與其他反向力矩之和平衡吊鉤工件力矩防止懸臂小車翹起，保證小車平穩(wěn)起吊。

圖5 防傾翻裝置

2.5 伸縮梁的有限元分析

2.5.1 伸縮梁模型簡(jiǎn)化

根據(jù)前述伸縮臂的受力分析，對(duì)伸縮梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖6所示。因承載輪組主要受力來自吊重，通過傳導(dǎo)將力作用在承載軸上，故將承載輪組簡(jiǎn)化成受1個(gè)軸向力的軸。伸縮梁主/從動(dòng)小車是通過4個(gè)連接軸與伸縮梁連接，當(dāng)對(duì)伸縮臂做靜力學(xué)分析時(shí)，只需使小車不沿主梁移動(dòng)。因此，可將伸縮梁主/從動(dòng)小車舍去，將其簡(jiǎn)化成4個(gè)連接軸，然后分析時(shí)只對(duì)4個(gè)連接軸沿著伸縮臂方向進(jìn)行約束。

圖6 約束與受力

2.5.2 添加約束和受力

如圖6所示，根據(jù)對(duì)伸縮梁的力學(xué)分析，對(duì)4個(gè)連接軸沿著伸縮臂方向進(jìn)行約束；隨防傾翻裝置中的防傾翻輪上下方向的移動(dòng)進(jìn)行約束；在卷筒組連接處添加起升機(jī)構(gòu)所受重力，在伸縮臂端部的受力軸上沿軸向方向添加起升重力，最后對(duì)整個(gè)伸縮臂添加引力。

2.5.3 網(wǎng)格劃分

如圖7所示，先對(duì)模型整體進(jìn)行劃分，然后對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化。

圖7 網(wǎng)格劃分

2.5.4 結(jié)果分析

如圖8～圖10所示，分別對(duì)伸縮梁的應(yīng)力、最大位移量、局部構(gòu)件進(jìn)行分析。由圖8可知，伸縮梁的最大應(yīng)力為102.5 MPa，位于伸縮梁主動(dòng)小車前端連接軸處，和受力分析吻合；承載滑輪組也是受力比較大的區(qū)域；伸縮梁所用材料主要為Q235，102.5 MPa＜235 MPa，故伸縮梁滿足使用要求。由于所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力，故伸縮梁有優(yōu)化空間。由圖9可知，最大位移量為0.5 mm，按照常規(guī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足1/1 000以內(nèi)的變形量，而所用伸縮梁總長為1 678 mm，故伸縮梁的剛度滿足要求。由圖10可知，防傾翻輪最大受力為8 MPa左右，與受力分析結(jié)果相似，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 伸縮梁應(yīng)力分析云圖

圖9 位移云圖

圖10 防傾翻輪應(yīng)力云圖

2.6 大車防傾翻措施

由于高速列車周邊空間限制，使得懸掛起重機(jī)跨度較小，整體自重較輕，懸臂伸出軌道以外起吊時(shí)，將以大車懸掛車輪為支點(diǎn)產(chǎn)生力矩，在該情況下起重機(jī)自重產(chǎn)生的反向力矩不能平衡起吊工件產(chǎn)生的力矩，需在大車上設(shè)計(jì)安裝防傾翻裝置予以平衡。懸臂伸到軌道外工作狀如圖11所示。

圖11 大車受力分析

懸臂小車自重Gx＝675 kg、起重機(jī)（不包括小車自重）自重Gd＝1 486 kg、載荷Gn＝1 500 kg，距同側(cè)大車軌道中心S1＝1 678 mm、小車重心距軌道中心S2＝654 mm、大車跨度S＝2 500 mm、大車防傾翻力為R，力矩平衡條件為

防傾翻力應(yīng)滿足

根據(jù)R值設(shè)計(jì)大車防傾翻裝置如圖12所示。大車防傾翻裝置主要由托輥、托輥軸、支架和軸承等組成，大車防傾翻裝置安裝在遠(yuǎn)離懸臂起吊點(diǎn)的大車端梁上，以其所在軌道下底面為作用力點(diǎn)。當(dāng)?shù)蹉^在軌道外起吊工件時(shí)，工件重力產(chǎn)生傾翻力矩，軌道底面給托輪施加反作用力，反作用力對(duì)懸臂側(cè)車輪支撐點(diǎn)產(chǎn)生反向力矩，平衡系統(tǒng)力矩防止起重機(jī)上翹傾翻。運(yùn)行時(shí)托輪沿大車運(yùn)行軌道地面滾動(dòng)反向力矩始終存在。

圖12 大車防傾翻裝置

3 結(jié)論

起重機(jī)設(shè)計(jì)了懸臂小車，利用伸縮臂的推進(jìn)和回退，將起吊吊鉤伸到不同的位置，以滿足高速列車檢修維護(hù)更換零部件工作需要；利用力和力矩平衡原理，設(shè)計(jì)防傾翻裝置預(yù)防伸縮臂起吊時(shí)起重機(jī)傾翻；設(shè)計(jì)防走斜機(jī)構(gòu)防止起重機(jī)偏載走斜；設(shè)計(jì)軋輥式導(dǎo)繩器防止鋼絲繩跳槽亂繩。經(jīng)多臺(tái)產(chǎn)品長期實(shí)際使用驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)安全、靈活，伸縮臂能伸到指定吊裝工位工作，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到起重機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，解決了高速列車維護(hù)檢修過程存在的吊裝困難。通過有限元分析結(jié)果可知，該起重機(jī)伸縮臂仍有一定的優(yōu)化空間，為提高材料利用率和降低成本，可減小板厚或減小伸縮臂的截面尺寸。