900吨过隧运梁车车体结构设计关键技术

900吨过隧运梁车车体结构设计关键技术

发表时间：2016-05-25T10:15:47.277Z 来源：《工程建设标准化》2016年2月供稿作者：林国军[导读] （中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，上海，200443）本文说明了一种过隧运梁车车体的结构设计计算，基于ANSYS理论，有效运用有限元分析手段模拟现场结构的特点。（中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，上海，200443）

【摘要】本文说明了一种过隧运梁车车体的结构设计计算，基于ANSYS理论，有效运用有限元分析手段模拟现场结构的特点，描述了计算过程中的主要方法，提出优化方案，对进行复杂受力情况运梁车的计算有一定的指导意义【关键词】过隧运梁车；超静定结构

1 概述

YLSS900运梁车是中铁工程机械研究设计院为满足过隧道需要专门研制的一种运梁车，用于时速200～350km铁路客运专线（桥隧相连）24m、32m标准和24m～32m之间的非标双线整孔混凝土预制箱梁（900t）的运输。能够把混凝土箱形梁从预制场地通过便道、铁路路基、桥梁（包括刚构连续梁、钢混结合连续梁等）及上述客运专线最小隧道断面内运至架梁工位，完成相应的架梁作业，运梁车的有关参数和要求满足相应架桥机的要求，协助架桥机完成相应的架梁作业。配合架桥机架梁时前锚需跟已架设梁片的吊孔锚接，若存在联系梁和桥台，需打孔方便运架设备锚接。除上述情况外，对路基及桥面不造成任何损害。过隧运梁车能驮运过隧架桥机实现桥间及通过客运专线双线隧道短途运输，适应西南、西北高原施工环境。

2 主要结构特点

YLSS900过隧运梁车主要由车体、轮组、驮梁车，电气液压系统等组成。 YLSS900过隧运梁车同以往900吨运梁车相比有以下特点：（1）采用了较矮的主梁以及小的特种工程轮胎来实现低位驮梁；

（2）采用了驱动装置驱动循环链条，带动驮梁台车在滑动轨道上滑动；

（3）运梁车车体上布置带有柱铰伸缩腿，用以支撑架梁时的架桥机后端部；其伸缩调整量±480mm，并可沿架桥机纵向方向旋转2°，适应架桥机机臂扰度和架设坡度梁；

（4）运梁车驮运架桥机转场采用无解体方式，无需增加任何辅助设备。

目前，YLSS900型过隧运梁车已在现场使用，使用反馈信息良好，下图为运梁车运梁时状态现场图。

3 车体结构设计计算

为了适应空间要求，必须尽量降低整车高度，除采用尺寸小的特种工程轮胎外，唯一的方式就是降低车体钢结构的高度，而这与保证车体的刚度又是极其矛盾的。而且，这一次车体结构的支撑出了三点均衡的轮胎以外，还有前支腿、中支腿、后支腿和辅助支腿，全部支撑后整个结构成超静定结构，如何确定计算方式，也是分析的关键所在。

3.1模型简化

YLSS900过隧运梁车车体结构主要由车体主梁，前支腿，中支腿，后支腿，辅助支腿组成以及伸缩支腿组成。伸缩支腿与车体主梁法兰对接后用来辅助架桥机架梁。由于整个车体结构基本上由板材拼焊而成，所以采用SHELL63单元来模拟。模型完成后如下图：

3.2 工况分析及边界处理

由于本次运梁车除普通运梁工况外，还要配合架桥机架设梁片，因此计算工况较多，选用最具代表性的几个工况进行校核。 1）工况一，运梁车运梁（900吨/32m）行驶工况

2）工况二，已架32m梁，再架32m梁，架桥机前起重小车刚取梁，运梁车驮梁台车还未走行 3）工况三，已架24m梁，再架32m梁，伸缩支腿支撑在架桥机，梁片未开始起吊工况 4）工况四，已架32m梁，再架32m梁，同时取吊900吨梁片

运梁车结构计算边界计算通常以反向加载的方式进行模拟，即在受力点加载约束，而在轮组支撑的地方加载力以模拟轮组受力均衡。若不使用这种方法，则需用弹簧单元模拟轮组，且要调整每组弹簧不同的刚度来实现，处理起来会麻烦很多。

车体前支腿，中支腿，后支腿，辅助支腿在建模时仅建立板材结构，支腿油缸的建立可以考虑用梁单元模拟，为简便起见，直接在约束或受力加载于支撑油缸支点圆心处。

此外，车体前支腿，中支腿，后支腿以及辅助支腿使用的全是限力油缸，也就是说这四支腿的受力是有限制的，当支腿受力达到其限力值，油缸会自动卸压，保证最大承载力不超过限定值。

车体前支腿，中支腿，后支腿和辅助支腿均采用限力油缸支撑，这意味着单一工况下如果四支腿全部支撑，整个模型为超静定结构，各支腿受力情况无法判定，因此对于后面三种工况必须通过计算核查各支腿支反力是否存在，是否超过限力，确定好各支腿的受力后，才可进行工况计算。运梁车整机结构采用的是三点均衡，为方便计算在有限元模型中按两点均衡作计算。以第二种工况已架32m梁，再架

32m梁，架桥机前起重小车刚取梁，运梁车驮梁台车还未走行为例来说明确定各支腿受力情况。

首先要将轮组（按两点均衡计算），各支腿，约束加载相应得到各支腿力如下：辅助支腿212T，后支腿863T，辅助支腿有两根油缸，单个油缸限力90T，后支腿有四根油缸，已架32m梁，再架32m梁时单个油缸限力125T，显然由计算结果可知，辅助支腿和和支腿均已达到限力值，因此将此处约束改为受力加载，即在辅助支腿处加载90X2=180T力，在后支腿加载125X4=500T力，重新计算来确定中支腿和前支腿力。重新计算后发现运梁车前部轮组和前支腿受力为负值，说明此工况下运梁车车体前端会上翘，因此前端需锚固。重新计算加锚固，前轮组悬空的模型，确定支中腿和后轮组的受力情况，再重新加载，得到最终计算结果。

每种工况，只要是支腿油缸全部支撑的情况都需要根据上述情况确定最后的边界。

3.3有限元计算

将上述工况边界确定后，进行有限元算。由于运梁车本身的自重还包括电气，液压管线等，所以需要调整模型的密度使模型的重量与运梁车实际重量相匹配。计算完成后结果部分截图如下：

计算结果汇总如下表所示：

3.4 计算结果分析

从以上图表可以看出最大应力在391MPa，最大挠度为运梁车运输工况下车体上拱166mm。针对上拱情况，在制造过程中可采取预拱措施，以保证车体在运输过程尽量平直。而最大应力391MPa，以及应力偏大的工况二，最大位置均在后支腿处主梁腹板上，而且大面积超过220MPa，因此建议此区域改用Q690材料，而其他材料选用Q345。工况三下虽然最大应力达到281MPa，但此处为板梁结合区，易造成应力结果失真，因此手动核算局部剪切与挤压应力。将车体结构进行优化调整之后，达到设计要求，经厂家制造投入工地使用。

图7运梁车整机图

3 结语

通过以上分析可以看出，车体结构的优化在整个运梁车设计计算中是至关重要的，为达到现实环境的需求，在外购件选型已经确定的情况下，只有在车体结构上做文章。对于复杂工况来说，计算不可能一次就能够确定，需要采用不同方式确定合适边界才能得到接近实际的计算结果。只是在车体结构计算中为了确定边界而在板单元模型中反复计算，似乎过于复杂了。而在板单元模型中优化结构比较麻烦，鉴于此，建议在今后类似情况的计算中，应该先用梁单元确定好边界，做好第一步的优化，再进行单元建模进行第二步的优化，这样或许更能提高效率。

参考文献：

[1]赵海峰，蒋迪. ANSYS8.0工程结构实例分析.北京：中国铁道出版社，2004.

[2]张质文，虞和谦等. 起重机设计手册.北京：中国铁道出版社，1998.

[3]纪爱敏，彭铎，刘木南. 在种工况下大型吊臂的有限元分析.天津：工程机械，2006年第2期.