900 t輪胎式搬運機有限元建模與性能分析

盛寶安

（中鐵工程機械研究設計院有限公司，湖北 武漢 430062）

隨著我國高速鐵路建設的快速發展，自主研制的高鐵運架設備已在國內廣泛應用，其中900 t輪胎式搬運機MDEL900A是在預制場內吊裝和運輸32、24及20 m雙線預制混凝土箱梁和公路橋梁工程混凝土箱梁的重要運輸設備，該設備還可用于預制場箱梁鋼筋骨架和整體內模的吊裝、移位、場內縱向和橫向運輸。由于該設備采用輪胎走行，輪胎之間采用液壓均衡系統，因此各組輪胎受力均勻，接地比壓不高，使地基處理費用較低，同時該設備可縱橫及斜向移動，無須專用軌道，使梁片在梁場布置更加靈活，見圖1所示。

圖1 MDEL900A搬運機

輪胎式搬運機結構是實施高鐵運架搬運的關鍵部件，嚴格遵循國家標準[1]，其強度和剛度是衡量高鐵運架搬運性能的重要指標。文章根據設計規范要求[2]，對MDEL900A輪胎式搬運機結構進行了三維有限元分析與校核，根據計算結果進行分析和比較，得出了其性能分析結論，為搬運機結構參數設計提供理論依據。對進一步改善和優化目前使用的900 t輪胎式搬運機結構及其他規格的輪胎式搬運機結構的設計具有一定的指導意義。

1 輪胎式搬運機結構的有限元模型

采用大型有限元軟件ALGOR建立輪胎式搬運機結構進行有限元建模和仿真[3]，主要分三個步驟： （1） 建立導入幾何模型； （2） 定義材料屬性； （3） 劃分網格建立有限元模型。該搬運機結構主要是由不同厚度板焊接而成，建模時采用板單元模擬各箱梁結構，可以利用直接法，直接利用節點—單元—有限元模型的自底而上的建模，然后導入ALGOR軟件對模型進行顯示操作和布爾操作，即可得到該搬運機結構的模型[3]。采用ALGOR進行結構分析，輪胎式搬運機結構采用Q345，彈性模量2.1E5 MPa，泊松比0.3，許用應力240 MPa。

該搬運機結構的板單元結構特點具有大變形和大應變的特征，可以獲得簡化的綜合的微控選項。單元選定后，需要對實體模型進行網格劃分。該根據結構特點選用多種規格單元模擬各部件板厚，這為優化結構調整板厚提供方便。對于板單元自重可由程序本身自動進行計算，在計算過程中還要考慮樓梯、導軌、附件、油缸的重量[4]，見圖2所示。

圖2 有限元網格劃分模型

2 工況加載與有限元仿真分析

該搬運機整機工作級別A3，額定起重量900 t，風載q=250 N/m2；考慮到各組輪胎受力均勻，采用彈簧元模擬輪胎，并根據各輪胎受力大小相同來調整彈簧剛度。其中，小車 （含吊具） 總重25 t，起升沖擊系數=1.05，動載系數=1.1。對于承受較重載荷的大跨度機臂結構，為了減輕重量，又要保證一定的抗彎性能，通常板厚選得較薄而且截面尺寸較大，因此薄板承載性能顯得很突出。用有限元方法求解其剛度強度性能是一個有效方法，在靜力分析的基礎上對整機進行了屈曲分析，求在各工況下屈曲載荷因子并指出薄弱部位。

（1） 工況1：搬運20.6 m梁，吊重545 t，仿真結果如圖3。

圖3 工況1時主梁靜力學分析仿真

圖4 工況2時主梁靜力學分析仿真

（3） 工況3：搬運20.6 m梁，吊重545 t，仿真結果如圖5。

圖5 工況3時主梁靜力學分析仿真

3 有限元計算結果分析

根據以上結果得到如表1所示。

表1 不同工況下機械性能對照表

根據上表可得出以下結論：

（1） 在搬運32.6 m梁，吊重900 t時產生最大應力，最大應力為237 MPa，而許用應力為[σ]=240 MPa。因此強度符合要求。

（2） 在搬運24.6 m梁，吊重686 t時在跨中產生最大位移為61.62 mm，而且搬運24.6 m梁和搬運20.6 m梁時跨中撓度值要比搬運32.6 m梁時大，這一點應引起注意。小車在主梁跨中的許用凈撓度值[ f ]≤L/700 =62.143 mm，因此剛度符合要求。

（3） 最小屈曲臨界載荷乘子λ為4.2＞4，表面板厚選擇和隔筋板布局合理。

（4） 對重型起重機尤其文章的這種特種設備有限元計算，邊界模擬要符合實際，否則很難給出正確結果。