TJ165型架桥机机臂优化设计与检测分析

摘 要：阐述了利用数字仿真技术，优化架桥机的机臂设计，并通过架桥机试验实测数据与计算数据的比较分析，证明架桥机的设计是合理的，安全性能是可靠的。

关键词：架桥机；机臂；优化设计；检测分析

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2011）07-0281-02

1 前言

目前，我国铁路新线建设多为时速200公里客货共线铁路，其铁路桥梁采用2201型砼梁，架设重量为165吨。为满足铁路建设的需要，研制了TJ165型架桥机，其总体构造如图1所示：

①0号柱、②机臂、③吊轨小车、④吊梁小车、

⑤1号柱、⑥2号、⑦三号柱、⑧车体。

为制造出安全性能好，作业效率高的架桥机，我们对架桥机各主要承载结构进行了优化设计，并对样机进行了试验检测，进一步验证架桥机的安全性能。由于架桥机的承载构件很多，本文仅对机臂的结构优化设计和试验检测作出分析。

2 TJ165型架桥机作业工况

TJ165型架桥机主要有以下三种作业工况：

（1）悬臂状态：这是架桥机桥墩对位作业工况，机臂处于全悬臂状态。（图2a）

（2）单点吊梁状态：这是架桥机出梁的作业，机臂处于简支受单点集中载荷状态。（图2b）

（3）双点吊梁及横移梁状态：这是架桥机落梁和移梁作业，机臂处于简支受双点集中偏移载荷状态。（图2c和图3）

3 机臂优化设计

机臂为变厚度盖板钢箱梁（图4），是架桥机的主要承载构件，总长49米，断面尺寸为高×宽=1.38米×1.22米，带上下耳梁和行车轨道。上耳梁作为龙门柱对机臂的支托点兼轨道，下耳梁作为吊梁小车对机臂的扣压点兼轨道。为了计算出各局部的受力情况，机臂采用ANSYS单元库中的SHELL63壳单元建立模型，对结构的连接、约束与载荷进行合理的处理，计算出各工况下危险截面的应力和变形。

3.1 机臂全悬工况

全悬状态的载荷工况包括：零号柱重量6t，电机重3t，吊轨小车重5.2t，吊梁小车重25t，机臂自重由程序单元自动计入。此时边界支撑情况为一号柱支撑机臂，二号柱压住机臂，零号柱悬空。机臂全悬工况下局部等效应力图如图5所示，最大主应力位于1号柱支撑位置，最大等效应力SEQV=187.1MPa。竖直方向变形计算结果如图6所示，零号柱端下挠度572.6mm。

3.2 跨中吊梁工况

跨中吊梁工况，吊梁重165t，载荷F＝165t×1.25＝206.25t（安全系数1.25），前吊点作用在0号柱与1号柱跨中机臂下耳梁上，后吊点不受力。机臂重量由程序自动计入。机臂处在零号柱、一号柱及二号柱支座约束状态下，二号柱压住机臂允许垂直向上位移20mm。跨中吊梁工况下等效应力图如图7所示，最大等效应力194.07MPa，发生在一号柱支撑位置。变形图如图8所示，最大垂向位移为112.797mm。

3.3 吊梁横移工况

此工况梁已经移动到桥跨位置，吊梁小车横移到最大位移处据吊机竖向中心线1.18m，将梁片对准墩台支座位置落下的状态。如图9所示，F3为单个吊梁小车的自重，F3=1/2×N7=1/2×25=12.5t，F4为梁自重作用在前或后吊点上的载荷，F4=165×1.25/2=103.125t。计算得反力R1=-52.8125t（向下为负），R2=168.4375t。

吊梁横移工况下，前/后吊点的载荷为：下耳梁上部载荷R1’＝168.4375t，方向向下，下耳梁下部载荷R2’＝528125t，方向向上，机臂自重由程序自动计入，整个机臂处在零号柱、一号柱及二号柱的约束状态下，二号柱压住机臂允许垂直位移20mm。应力计算结果如图10、11所示，最大等效应力达221.8MPa。变形图如图12所示。最大垂向挠度127.7mm，最大旁弯3.3mm。

以上三种工况下给出机臂的计算结果，均为初始结构经过改进和优化的最终结果，均满足允许应力条件。由于初始结构的计算结果不是很理想，主要表现为承载点局部应力过大，所以在该区域增加纵横隔板，分散集中应力，部分方案如下：

（1）一号柱支撑位置的机臂上耳梁处，将上耳梁隔板厚由原来的8mm改为12mm，并将间距减小，如图13。

（2）在吊梁横移工况的前后吊点处两侧下耳梁加纵向隔板（δ=8mm），如图14所示。

4 试验检测

TJ165型架桥机样机应力检测仪器采用YE2530程控静态应变仪、YE2902应变数据采集箱。试验载荷为124吨砼梁加58吨钢板共182吨重。机臂的测点布置如图13所示，其中1、2、3、4为三向应变片。

测试完毕后，对架桥机各承载结构进行了检查，未发现有裂纹，油漆脱落和残余变形等现象，各连接处未发现异常现象。

5 数据分析

将测试的数据与计算数据比较，有一定差距，测试数据都小于计算数据，经分析其主要原因如下：

（1）计算分析是在模拟理想状态下进行的，其约束条件和加载区域与实际工况有一定差别。

（2）计算分析时各工况均按125%加载，而试验工况是机臂全悬只有设备自重，未另加载荷；中点吊梁和吊梁横移加110%载荷。

（3）计算分析简化了结构，如上下耳梁轨道和心盘轨道未计入，而这些构件也是参入承载的。

（4）计算分析最大应力发生在耳梁隔板处，属于局部应力，但由于结构封闭，该处无法贴应变片。

从总体上来看，计算数据与检测数据的差值与载荷近似成正比关系，且检测数据普遍小于计算数据是正常的，也是偏于安全的。

6 结论

通过有限元仿真分析，对结构进行优化设计，使结构能够满足安全使用的要求，有限元方法的使用提高了架桥机的设计效率，显著缩短了设计周期，降低了制造成本，为同类架桥机的设计与制造提供了有用的参考。

现TJ165型架桥机已制造近50台，共架设桥梁数万孔，未发现架桥机结构有损坏情况，证明架桥机的设计是合理的。

参考文献

［1］铁路架桥机架梁暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社,2005.

［2］GB3811-83.起重机设计规范［S］.北京:中国标准出版社,1984.

［3］唐经世.防止铁路架桥机横向倾覆的技术措施［J］.建筑机械化,2004,（10）.

［4］黄耀怡.新型单梁式架桥机总体结构空间振动计算［J］.铁道建筑技术,1994,（2）.

［5］张建超等.架桥机金属结构的动态特性研究［J］.建筑机械,2006,（5）.

［6］邢建军等.架桥机金属结构有限元分析［J］.建筑机械,2006,（4）.

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