徐格宁 焦国敏 顾红泽 王嵽显0 引言架桥机是一种将预制梁片放置到预制桥墩上的大型机械设备。新规划的铁路路线将经过大量桥隧路段，架桥机需要经过隧道进出口架梁。隧道的断面设计要求为250 km/h 和350 km/h 两种。现根据要求设计新型铁路架桥机金属结构。新梁片主要参数为长40 为m，宽为12.6 m，高为3.2 m，质量为950 t。通过对现有铁路、公路架桥机金属结构主要机型分析研究，提出一种新型铁路架桥机金属结构设计方案。采用有限元大型结构分析软件Ansys 对主梁进行模态分析，得出主梁的固有频率和振型，有助于改善主梁钢结构的设计。1 新型铁路架桥机金属结构新型铁路架桥机主要技术参数有：额定起重能力为950 t，架设梁跨为40 m、32 m 等跨及变跨整孔箱梁，梁体起落速度为0 ～ 0.5 m/min，架设方式为单跨简支架设，允许最大作业纵坡为2%，适应工作环境温度为－20℃～ 50℃，适应风力为6 级（工作状态）11 级（非工作状态），整机工作级别为A3。如图1 所示，新型铁路架桥机主要结构包括主梁、前车、后车、主支腿、辅支腿、起重小车等，通过隧道进出口断面如图2 所示。该机型主梁采用上下导梁拴结而成，前半段的下导梁加劲肋在导梁外侧，主支腿可在下导梁前段通过定扭矩马达驱动车轮组沿轨道行走。主支腿通过马达驱动液压缸垂直升降，相比SLJ900 型流动式架桥机在架梁作业程序上操作更佳简洁和经济。1. 主支腿 2. 前车 3. 辅支腿 4. 起重小车 5. 主梁 6. 后车图1 运架一体式架桥机金属结构1.250 km/h 隧道断面 2.350 km/h 遂道断面 图2 运架一体式架桥机进出隧道口断面如图3 所示，运架一体式架桥机架梁流程：1）运梁至梁片末端，主支腿就位桥墩上方；2）主支腿支撑，前车悬空；3）主梁前移，辅支腿到达梁片末端；4）辅支腿支撑，前车悬空；5）主支腿前移，主支腿行走到桥墩上方；6）主支腿支撑，辅支腿悬空；7）主梁继前移，梁片就位，落梁。图3 运架一体式架桥机架梁流程图2 主梁有限元模态分析主梁是架桥机金属结构中的重要组成部分，其质量占整机的60% 左右。通过对架桥机主梁模态分析得到主梁的固有特性，从而达到改善架桥机主梁的动态设计。采用有限元大型结构分析软件Ansys 对架桥机主梁进行模态分析，计算出架桥机主梁各阶固有频率及相应振型，得出架桥机主梁最大振幅出现的位置，在架桥机主梁设计时应注意调整这些部位的刚度。2.1 模态分析理论基础模态分析的目的是提取系统的模态参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报、结构的动态优化设计提供依据。一个具有N 自由度的线性振动系统，其自由振动的运动微分方程式可表示为式中：m、c、k、分别为结构总质量矩阵、总阻尼矩阵、总刚度矩阵；x 为结构的加速度矢量、速度矢量、位移矢量。设方程的解具有简谐运动形式，即式中：X 元素表示各点的振幅，将式（2）代入式（1）得式（3）具有非零解的唯一条件是其位移阻抗矩阵Z 的行列式等于0，即当m、c 和k 皆为正定矩阵时，将式（4）展开后，可求的N 个特征值ωr2（r ＝ 1，2，…，N），其平方根ωr 即为系统的固有频率，按大小顺序排列为式中：ωi 为固有频率（i ＝ 1，2，…，N）。将每个特征值ωr2 代入式（3），可求得一个对应的特征矢量φr ， 它满足这个矢量即为系统的特征矢量。特征矢量就是系统的模态，也称作振型，即它是系统模态振动的变形形状。2.2 有限元模型建立架桥机主梁由上、下导梁栓接而成，其下导梁前段的下盖板中间开口是为了前支腿能在导梁的轨道上行走和支撑。基于有限元大型结构分析软件Ansys 应运APDL 语言对新型铁路架桥机主梁建立三维几何模型（见图4）。其弹性模量E ＝ 2.07×1011 Pa，泊松比μ＝ 0.3、密度ρ ＝ 7 800 kg/m3。2.3 单元类型与网格划分架桥机主梁由钢板焊接而成，要求其结构必须满足一定的要求，如径厚的比值较大、材料特性接近和激励控制在低频范围内3 个条件，故主梁属于板壳结构。因此，模型采用壳单元Shell 63 更符合实际情况。如图5所示，Shell 63 是一个4 节点单元，单元在每个节点上有6 个自由度，分别沿x、y、z 轴方向平动和绕x、y、z 轴转动。网格类型采用四边形网格，网格大小为0.05 m，网格划分采用混合网格划分。图4 运架一体式架桥机主梁模型图5 Shell 63 壳单元结构图2.4 求解与查看结果模态分析采用Ansys 软件中提供的 7 种模态分析方法中的Block Lanczos 法求解高阶实对称矩阵特征向量并显示结果。该方法是求解大型矩阵特征值最有效方法，与子空间迭代法相比其计算量小很多。通过求解计算架桥机主梁前8 阶的频率，提取模态分析计算结果如图6所示。通过分析主梁各阶模态的振型图，可以看出主梁的第1、3、4 阶振型主要是水平方向的弯曲变形，最大振幅在主梁前段位置。第2、5 阶振型主要是垂直方向的弯曲变形，最大振幅在主梁前段位置；第6 阶振型主要是水平扭转，最大扭转位置在主梁中部；第7 阶振型也主要是水平扭转，最大扭转在主梁前段；第8 阶振型是水平方向拉伸变形，最大变形在主梁前半段位置处。图6 前8 阶振型计算结果综合来看，主梁的振型主要表现为水平振动、垂直振动、水平扭转和本身振动变形，从振型上看，最大振幅主要发生在主梁前段和中部位置附近。因此，在主梁设计时应加强这些部位的刚度。各阶模态的固有频率及振型见表1。3 结论1）架桥机主梁的第1、3、4 阶振型为主梁的水平振动，其基频为1.639 1 Hz ＞ 1.5 Hz，说明架桥机主梁水平刚度较好。2）架桥机的第2、5 阶振型为主梁的垂直振动，其基频为2.561 9 Hz ＞ 2 Hz，说明架桥机主梁垂直刚度好，架桥机在起落梁片时不会发生共振。3）通过对新型铁路架桥机主梁的模态分析，表明架桥机主梁设计满足动态要求。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章广渠路东延通车！6分钟穿过通州主城区，今天下班能“尝鲜”永州这条特殊的断头路是要开建了吗？甘肃庆阳到兰州现在只能乘坐大巴车 市民建议建设铁路铁路大调图 武汉铁路警方全力保安全今天起，铁路出行有新变化！
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