SPJ900架橋機中車吊耳設計與優化

樂 鋒

（中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 前言

隨著我國鐵路建設里程的不斷增加，架橋機被不斷應用以提高架橋效率。SPJ900架橋機在轉場運輸時，是在不拆卸架橋機的情況下，利用運梁車運輸橋梁的方式，將SPJ900架橋機的前支腿、后門柱以及導梁整體托起，但整體托起后，中車將與導梁分離。為了使中車與架橋機整體運輸，就必須采取吊裝的方式將中車提起，同架橋機一起整體運輸［1］，如圖 1所示。

圖1 傳統的中車吊裝

傳統的中車吊裝運輸方法是將吊具的螺栓桿卸下，用螺紋鋼將中車與吊具連接，通過對架橋機天車的控制，將中車提升到與導梁接觸的位置，最后在運梁車的作用下，將中車與架橋機整體馱運。

當采用此方式吊裝時，需要在中車的腔內橫向焊接兩根吊裝梁，當中車吊裝運輸完成后，兩根橫梁將不可拆卸。采用此方法雖然可以吊裝中車，但卻改變了中車原本的結構，增大了中車的寬度。在吊裝時，需要操作人員爬上較高的吊具頂端擰緊螺紋鋼螺母。由此可見，這種吊裝中車的方式不僅費時費力，而且操作困難，安全系數低。

2 新型中車吊耳的模型設計

2.1 設計原理

用傳統的方式將中車與SPJ900架橋機整體吊裝時，考慮到每次吊裝都必須拆卸吊具螺紋桿，而且采取螺紋鋼連接吊具和中車的方式，工作人員操作困難，安全系數低［2］，運輸效率未能得到大的提高。針對這一問題，設計了一種可拆卸的多用中車起吊吊耳，在不拆卸吊具螺栓桿的情況下，將吊具與中車通過吊耳相連，通過對天車的控制，將中車吊裝后和架橋機一起整體運輸［3］。此方式不僅有效發揮了架橋機自身吊具的功能，而且操作簡單，安全系數大，中車吊裝運輸的效率也得到了大大的提高。

2.2 方案確定與優化

針對設計的新型吊耳，提出了兩種設計方案，并分別探討了各自的優缺點。

（1）方案一：吊耳與中車焊接的方式

優點：此方式是將吊耳永久焊接在中車指定位置［4］。和傳統的依靠螺紋鋼起吊的方式相比，可在不拆卸吊具吊桿的情況下起吊，也避免了工人在吊具頂端和中車下端施擰螺紋鋼的工作，操作人員可在中車上端易操作的位置操作；在吊裝時，操作人員只需待吊具吊桿穿入吊耳內部之后，將吊具墊片和螺帽擰入吊桿即可起吊。在每次吊裝結束后，只需卸下吊桿螺栓和墊片，避免了拆卸吊耳的步驟。采用焊接方式使中車在起吊時吊耳的各處受力均勻，各板件的變形量小。因此，在增加了起吊安全性的基礎上，大大降低了吊裝的操作難度。

缺點：SPJ900架橋機吊具的橫向距離為3 660 mm和3 800 mm兩種［5］。當吊耳與中車焊接時，由于焊接是不可拆卸的連接方式，所以此方式只適用于橫向間距為3 660 mm或3 800 mm的吊具，而不能兩者兼用。更重要的是SPJ900架橋機在喂梁時，梁下端面距離中車上端面的距離最小只有150 mm，而吊耳在高度上已超過150 mm，當吊耳焊接在中車上端面時，架橋機的喂梁工作將不能正常進行；同時，在中車上端直接焊接吊耳，可能影響中車的力學性能，導致架橋機不能正常工作，違背了吊耳起吊中車的設計理念。

（2）方案二：吊耳與中車以螺栓連接的方式

在方案一的基礎上，將吊具與中車的焊接連接方式改成螺栓連接的方式，即在中車上端面指定位置焊接4塊30 mm厚的鋼板，在鋼板指定的位置加工兩套連接吊耳的螺紋孔，將吊耳與中車通過螺栓連接。

此螺栓連接方式，使得吊耳不僅具備方案一中安全、易操作的性能，而且螺栓連接還具有可拆卸性。當吊裝運輸結束后，便可卸下吊耳與鋼板之間的連接螺栓，從而使得中車上端面增加的高度即為焊接鋼板的厚度，避免了吊耳對架橋機正常喂梁工作的影響；在焊接鋼板的指定位置加工了兩套螺紋孔，目的在于調節吊耳之間的距離，以適應橫向間距為3 660 mm和3 800 mm兩種吊具的起吊。

2.3 模型設計及相關計算

2.3.1 設計方法及相關尺寸計算

模型總體上采用箱體結構，板件與板件之間焊接成型。側面和上端面設有加強肋板；底板共設有5個螺紋孔，可將吊耳與中車通過螺栓孔連接；上端底板開設有大圓孔，在吊裝中車時可將吊具吊桿穿入大圓孔內。考慮在吊裝中車時，焊接底板的受力較大，所以采用厚度為30 mm的鋼板，其余板件的厚度均為20 mm（見圖2～圖3）。

圖2 吊耳整體模型

圖3 吊耳吊裝中車

（1）吊耳受力計算

由于中車的重量為40 t，要利用4個吊耳起吊中車，每個吊耳的承重力為：

式中，β為安全系數，取值1.2；G為SPJ900架橋機中車質量，為40 t。

（2）焊接底板尺寸設計

由于SPJ900架橋機吊具的橫向距離有3 660mm和3 800 mm兩種，為此，焊接的鋼板上設計兩套螺紋孔，兩套螺紋孔中心之間的距離為：

當吊具橫向間距為3 800 mm時，吊耳便通過鋼板左排螺栓孔與中車相連；當吊具橫向間距為3 660 mm時，吊耳便通過鋼板右排螺栓孔與中車相連（見圖4）。

圖4 焊接鋼板的總體尺寸（單位：mm）

式中，K為吊裝中車時的安全系數；G為中車重量。

考慮到工程上連接大型設備所用的螺栓等級大部分為8.8級和10.9級兩種（抗拉強度為800 MPa、1 000 MPa），且螺栓直徑多為20 mm、24 mm和27mm，為了保證吊裝中車的絕對安全性及螺栓在長期工作中其螺紋副不會遭到破壞，選取直徑為27 mm、等級10.9級的螺栓。

（3）螺栓孔位置及大小設計

在起吊時，吊耳與中車之間的連接螺栓承受中車的所有重量，而螺紋孔大小的設置決定著螺栓的選取，位置的設置決定著吊耳的受力情況。因此，螺紋孔位置和大小的設置是關鍵。考慮作業人員在施擰螺栓時的簡易及可操作性，在吊裝安全的情況下，螺栓的數量越少越好。

起吊時，為了讓吊耳受力均勻且變形量小，將螺栓孔設置在鋼板四周，使得中車對吊耳底板的作用力均勻分布在底板上［6］，因此，設計如圖5所示位置的螺栓孔，可以有效避免應力集中。

連接螺栓的數量：

i＝5×4＝20個

起吊時，螺栓只受軸向拉力，不受橫向力和旋轉力矩。因此，每個螺栓承受的軸向拉力為：

圖5 底板尺寸設計（單位：mm）

由計算結果可以看出，螺栓的最大抗拉力遠遠大于螺栓實際工作中所承受的軸向力F，不會出現螺栓被拉斷的情況，而且M27螺栓其螺紋內外經尺寸相差較大，工作時出現螺紋副遭受破壞的可能性很小。

2.3.2 加強筋板設計

由于吊耳除焊接鋼板的厚度為30 mm外，其余板件均為20 mm，可見其厚度較大，且各板件的材質為Q345鋼，Q345鋼的一個特性是隨著材質厚度的增加其屈服值減小［7］。因此，吊耳在起吊作業時，可能會由于起吊重量大導致側板或者上底板變形較大而出現吊耳破壞的情況。因此設置了豎向加強筋板，可有效保證吊耳的側板不被拉伸變形。

吊耳的上端底板由于開設有吊具吊桿孔，使吊耳在起吊時受力面積減少，因此在孔的左右兩端設置兩塊縱向筋板，可有效防止上端底板出現應力集中而變形量較大的情況。

（4）螺栓安全性檢算

直徑為27 mm、等級10.9級的螺栓的最大抗拉力為：

3 基于solidworks simulation的力學仿真模型建立及論證

3.1 仿真模型的建立與網格劃分

本研究采用基于FEA數值技術的SolidWorks Simulation軟件，是由SRAC開發的工程分析軟件產品之一，作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成，方便用戶對SolidWorks中建立的三維模型進行有限元分析［8-9］。

根據本文吊耳各板件的設計，在SolidWorks中建立吊耳各零部件三維模型并進行裝配，各板件連接處通過焊接連接，焊縫寬度6 mm。吊耳工作時，將吊具吊桿穿入吊耳內部，并施擰吊桿螺母，見圖6。

圖6 吊裝工作示意

為了方便利用SolidWorks Simulation對吊耳進行模擬分析，將模型中的吊桿和螺母去掉加以與之配對的墊圈代替［10］。進行網格劃分（見圖7），網格的具體參數信息見表1。

表1 劃分網格具體參數

從表1可知，對吊耳劃分的網格類型為實體網格，其雅可比點為4點。雅可比點可以反映對吊耳劃分單元的畸形程度，點數越多，說明其檢查越嚴格［11］，單元格品質越高。由圖7可看出，單元格劃分品質很高，可充分模擬吊耳在工作時的受力情況，更能真實反映吊耳的實際工作狀態。

圖7 吊耳網格劃分

3.2 模型加載與模擬結果分析

有限元模型加載可分為添加約束和載荷兩類。約束一般指系統與外界環境的關系，載荷則可分為自重和外載荷兩類。自重可直接通過給予重力加速度來完成，而外載荷則需根據吊耳的具體受力情況添加到相應位置［12］。吊耳下鋼板焊接在中車上，焊接底板與吊耳通過M27螺栓連接，所以在SolidWorks Simulation對吊耳設置約束時，將焊接的底板設為固定，各螺栓孔設為螺栓連接。由于是對單個吊耳進行模擬分析，其自重遠遠小于中車的質量，所以將吊耳的外部荷載加于墊圈下端，方向垂直于墊圈端面向上，以此模擬實際工作時吊耳的受力情況；為了使吊耳在工作時有較高的安全系數，取所加荷載大小為120 kN。加載后的運行結果如圖8所示。

圖8 吊耳應力及變形云圖

由圖8可知，在實際工作狀況下，吊耳的最大應力為89.125 MPa，主要集中于吊耳上端底板的大圓孔周圍。此應力值遠遠小于Q345鋼的屈服極限，故不會出現吊耳被破壞的情況；另外，其最大變形量也發生在上端底板大圓孔周圍，最大變形量為0.17 mm，而這個變形量在實際工作下可以忽略。綜上可知，吊耳滿足設計要求。

4 結束語

本文對架橋機中車吊耳進行設計及優化，利用SolidWorks Simulation軟件平臺建立吊耳的仿真模型。通過分析研究，驗證了中車吊耳的安全性與可靠性。

（1）通過對現有中車吊裝方法的實際觀察與分析，將傳統吊裝方式與自行設計的中車吊耳吊裝方法相對比，闡述了吊耳吊裝的簡易性和可操作性。

（2）對吊耳模型及各部件的設計進行分析，從實用性與安全性角度出發，進行設計優化。通過計算與推導，對模型的尺寸及選材作出了詳細說明，對各焊接筋板的設置也作出了合理解釋。

（3）基于FEA數值技術的SolidWorks Simulation軟件，建立了吊耳的三維模型并劃分出高品質網格，對吊耳進行有限元分析，計算結果論證了吊耳在吊裝中車時的安全性與可靠性。

通過對吊耳進行有限元分析可知，吊耳工作時的應力遠遠小于吊耳材料的屈服極限，說明吊耳還存在很大的可開發性；而且吊耳與中車之間通過螺栓連接，具有可拆卸性。因此，在實際架橋施工中，可以將其推廣應用，比如架橋機扁擔梁的起吊。