（机械工程专业论文）ns100g型100t伸缩臂式铁路起重机设计研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国铁路跨越式的发展，客货运输速度的全面提高，铁路起重机作为处 理铁路行车事故、排除线路故障的关键设备，也应具有适应当代救援的能力。目前，我 国铁路救援部门的n 1 0 0 2 型起重机，其保有量有1 0 0 多台，但因其结构限制，己不能满 足当前我国铁路运输发展的需要。 由于n 1 0 0 2 型铁路救援起重机的保有量大，其结构和性能仍具有改造和提升的空 间，且有较好的经济性。因此，铁道部决定对n 1 0 0 2 型起重机进行技术改造。 本文根据铁路运输部门的现实需要和铁道部的政策，针对n 1 0 0 2 型铁路起重机存在 的问题和缺陷，对其结构和性能进行深入的理论分析和研究，提出n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩 臂式铁路起重机的设计方案。 在目前国内大吨位铁路救援起重机成熟的设计、制造经验基础上，借鉴和吸收了汽 车起重机及国外起重机的先进技术和设计理念，从主要参数和结构的选取入手，通过调 查和分析传统起重机的设计、运用情况，对本机的主要钢结构、动力与传动装置、液压 系统、转向架、司机室等重要部分进行了改进和创新。利用计算机辅助设计手段进行优 化，确定了该车的设计方案，进行了起重机主要钢结构的有限元静强度分析计算、起重 机稳定性分析计算和车辆动力学性能分析计算，并根据分析结果对整机的细部结构和重 量控制进行了合理的优化设计，提高了设计结构的可靠性和整机起重性能，使n s l 0 0 g 型起重机的主要技术参数达到了国内新造1 0 0 t 伸缩臂起重机的水平，为目前n 1 0 0 2 型 定长臂起重机所面临的困境提供了合理可行的解决方案。 关键词：铁路起重机；优化设计；有限元法；动力学 大连交通大学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sc h i n a sr a i l w a yd e v e l o p m e n tb yl e a p sa n db o u n d s ，a l lt h es p e e do f p a s s e n g e ra n df r e i g h tt r a n s p o r tw e r ei n c r e a s e d t h er a i l w a yc r a n ei so n ek i n d o fk e y i n s t a l l a t i o n sh a n d l i n ga n dr e m o v i n gr a i l w a ya c c i d e n t ，i ts h o u l da l s oh a v et h ec a p a b i l i t yt o a d a p tt oc o n t e m p o r a r yr e s c u e ，a tt h em o m e n t ，t h et e n u r ea m o u n to fn 10 0 2c r a n et h a ti st h e s u c c o r i n gi n s m l l m i o no fr a i l w a yd e p a r t m e n ti sm o r et h a n10 0 ，b u ti ti sl i m i t e db ys t r u c t u r e ， a n dt h e yc a nn o tc o n t e n tr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no v e rs t y l ed e v e l o p m e n t s i n c et h et e n u r e da m o u n to fn s10 0 2i sb i g ，a n dt h e i rc o n s t r u c t i o na n d p e r f o r m a n c em a y b e i m p r o v e d ，t h er a i l w a ym i n i s t r y d e t e r m i n e st o c a r r y o nn s10 0 2 s t e c h n o l o g y t r a n s f o r m a t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o n c o m b i n i n gw i t l lp o l i c yf o rt h em i n i s t r yo fr a i l w a y sa n dt h ea c t u a l r e q u i r e m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e ma n dt h ef a u l to f n10 0 2c r a n e ，t h e i rs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l ，t h ed e s i g n o p t i o n so fn s io o g t y p e1o o tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n ea r ep u tf o r w a r d b a s e do nm a t u r ed e s i g na n ds u c c e s s i v em a n u f a c t u r i n ge x p e r i e n c eg a i n e df r o mp r e s e n t l a r g et o nr a i l w a yc r a n ei nc h i n a ， a n dw i t hr e f e r e n c et oa n da b s o r p t i o no fa d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dd e s i g nc o n c e p to fa u t o m o b i l ec r a n ea n df o r e i g nc r a n e ， m o d i f i c a t i o na n d i n n o v a t i o no nt h i st y p eo fr a i l w a yc a r n ea r em a d ei nm a i ns t e e l s t r u c t u r e ，p o w e ra n d t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，h y d r a u l i cs y s t e m ，b o g i e ，d r i v e rc a ba n do t h e ri m p o r t a n tc o m p o n e n t s f o ro p t i m i z a t i o no fm a i np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e sb ys u r v e ya n da n a l y s i so nd e s i g na n d o p e r a t i o no fc o n v e n t i o n a lr a i l w a yc r a n e t h ed e s i g nc o n c e p to ft h i sr a i l w a yc r a n ei sf i n a l i z e d b yc a df o ro p t i m i z a t i o n f i n i t ee l e m e n ts t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n dc a l c u l m i o no fm a i ns t e e l s t r u c t u r e ，c r a n es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，a n dc r a n ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o na r ed e t a i l e d b a s e do nv a r i o u sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n s ，d e t a i ls t r u c t u r ea n d w e i g h t sa r eo p t i m i z e df o rh i g h e rs t r u c t u r er e l i a b i l i t yi nd e s i g na n dr a i l w a yp e r f o r m a n c e t h e m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h en s10 0 gc r a n er e a c h e dt h ed o m e s t i cn e w10 0 tt e l e s c o p i c b o o mr a i l w a yc r a n e sl e v e l ，a n dp r o v i d e sar e a s o n a b l ea n dw o r k a b l es o l u t i o n sf o rt h ep r e s e n t d i f f i c u l t i e sf a c e db yn10 0 2t y p ef i x e db o o mr a i l w a yc r a n e k e yw o r d s ：r a i l w a yc r a n e ，o p t i m a ld e s i g n ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d y n a m i 鹤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的意义 随着我国国民经济建设进一步深入，商品流通量大幅度增加，人员往来更加频繁。 担负着我国7 0 左右运输任务的铁路运输系统，运力不足所形成对国民经济的“瓶颈”效 应凸现明显，致使铁路设备长期处于超负荷运行状态。加上各项规章制度的不完善、执 行又不严格等各种因素，近几年来铁路行车事故屡有发生，给国家和人民的生命财产造 成了巨大的损失。 铁路起重机作为一种处理铁路行车事故、排除线路障碍的主要救援设备，在铁路行 车事故工作中发挥着无可代替的作用。其数量的多少和性能的优劣，直接关系到救援工 作的速度和效率。中国铁路实施跨越式发展两年多来，特别是在经历了第五次大面积提 速后，我国铁路运输能力和运输速度有了很大的提高，同时也对装救援装备的现代化提 出了更高的要求。因此，深入开展铁路起重机的研究，改善现有铁路起重机存在的某些 不合理的因素，对进一步提高我国铁路起重机的研究和制造水平，提高铁路救援能力， 减少铁路行车事故造成的损失，都具有非常重要的意义。 为保障铁路运输的安全畅通，装备起重性能强、适应性好、反应快速的救援设备是 必不可少的。当前，各铁路局救援部门正在使用的n 1 0 0 2 型1 0 0 t 定长臂起重机因受自 身结构和性能的限制，己不能满足铁路快速救援的需要。要改变这种情况，如果将现有 的n 1 0 0 2 型救援起重机全部淘汰，更换成能满足和适应现代铁路救援工作的新型起重 机，不但会造成严重的浪费，还需要投入大量的资金。 按照铁道部铁运【1 9 9 9 11 1 8 号文件规定：配置l o m 及以上吨位内燃起重机的救援 列车，所管辖的救援半径为2 0 0 k m ，单向的救援距离一般为2 5 0 k m 。中国铁路经过5 次 大提速后，提速改革要求机务段合并相应的救援段，救援半径己扩大到4 0 0 k m ，铁路救 援任务要求救援起重机能在最短的时间内高速开赴事故现场。n 1 0 0 2 型救援起重机最大 回送速度为8 0 k m h ，己经不能适应我国铁路普遍大提速后的救援任务要求，同时起重 机的传动形式在技术上已明显落后，吊臂无法进行电网下及隧道内的吊重作业，起重性 能明显偏低。为适应铁路新时期铁路救援工作需要，铁道部决定将目前仍在服役的 n 1 0 0 2 型起重机利用其返厂大修机会进行改造，定长臂改为伸缩臂，回送速度提高到 1 2 0 k m h ，并对主要结构进行设计改进，提高技术性能，使其主要性能指标达到t b t 3 1 2 8 内燃铁路起重机改造技术条件i lj 的要求，改造后的型号定为n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩 臂式铁路起重机。2 0 0 4 年，齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限责任公司( 以下简称齐车公 司) 正式将n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机设计方案报部备案，并在齐车公司科技 攻关重点项目中立项实施该起重机的研制。 大连交通大学t 稗硕十学位论文 1 2 铁路起重机的发展概述 铁路起重机作为一种铁路专用设备，因其具有良好的流动性和作业的适应性，自投 入运用以来就一直受到世界各国的的高度重视。 在国外，1 8 6 0 年，世界上第一台以蒸汽为动力的定长臂式铁路起重机在英国问世， 发展至今，经过了一百多年的历史。现已基本形成了比较完善的吨位系列，起重量从5 t 到3 0 0 t 不等，各种传动的铁路起重机应有尽有，期间在性能和结构上也实现了两次大 的飞跃。第一次是随着铁路正线牵引动力的现代化，铁路起重机的动力从蒸汽机过渡到 以内燃为主，传动方式也从纯机械传动过渡到电传动、液力机械和静压传动等。第二次 飞跃自六十年代末和七十年代初开始，由于液压铁路起重机在技术上日益完善和成熟， 首先在小吨位的铁路起重机上出现了伸缩臂式吊臂，至八十年代则向大吨位全液压化发 展，且其起重量已大大超过了定长臂式铁路起重机，例如德国的g o t t w a l d 公司生产的 目前世界上最大吨位的3 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机，虽然是个庞然大物，但是它的外形 尺寸严格按照铁路通行标准设计，因而也显得非常紧凑、整齐。另外英国的 c o w a n s s h e l d o n 公司和美国的a m e r i c a n 公司也生产2 5 0 t 伸缩臂式铁路起重机。后起之 秀的芬兰r a u m a r e p o l a 公司虽然生产历史不长，吨位也不很高( 最大为l o o t ) ，但全部采 用伸缩臂式结构，其工艺技术高超，安全保护系统相当先进。国际上其它制造厂家，如 德国的k i r o w 公司、日本的h i t a c h il t d 公司和英国的c o w a n s 、b o t d 公司等也不同程 度地生产伸缩臂式铁路起重机，并成为主导产品，使其在铁路救援作业中占有重要比例。 近几年来，国外在减轻铁路起重机自重、研制先进的机构、采用新的设计计算方法、整 机智能化控制等方面取得了不少进展，在结构设计方面已广泛应用与实际工况接近的有 限元法来分析计算，为最优、最合理设计提供了可能。1 2 】 在我国，铁路起重机技术自2 0 世纪5 0 年代起至今基本上经历了6 个发展阶段，从 最初主要用于铁路货物装卸的起重机械，发展成为一种能够处理铁路行车脱轨事故、排 除线路障碍的关键救援起重设备，在保证铁路及专用线运输安全畅通上发挥着极为重要 的作用。 2 0 世纪5 0 年代，我国铁路运输事业尚处于起步阶段，由于线路简单、速度低、运 量少，行车事故的影响不是很突出。加之技术和经济等原因，铁路起重机主要用于货物 的装卸作业，各项技术并未得到明显的提高，主要是一些以蒸汽机为动力，依靠机械传 动，回送速度在7 0k m h 以下，起重量在1 5 - - - - 6 0t 的机型，代表产品是：z 1 5 、z 4 5 和 z 6 0 ，它们的适应性、机动性和作业效率都较低。 2 0 世纪6 0 年代中后期，铁路得到较大发展，对国民经济和社会生活的影响更加明 显，保证铁路运输畅通安全已显得极为重要，如何及时处理好铁路各种行车事故成为一 个急需解决的课题。由于蒸汽型铁路起重机不能很好满足事故处理的要求，特别是在机 动性能、起重能力以及连续作业能力等方面差距十分明显，因此我国研制了以n 1 0 0 型 2 为代表的内燃铁路起重机。r 丁使用了内燃机这种更为先进的动力源，铁路起重机的回 送速度达到了8 0k m h ，最大起重量电由6 0 t 提高到1 0 0 t 。其适应性、机动性及作业效 率得到了很大的改善，同时，由r 引入了液压技术，铁路起重机和可靠性和稳定性方面 有了进步，取得了明显的挫术飞跃。 2 0 世纪7 0 年代后期，n 1 0 0 型铁路起重机史施机、电、液。体化改造，特别是液压 技术得到了更为涞入的麻用，液压传动全面取代机械传动。改革开放后，我国铁路运输 映速发展，在运行密度、雌位载重量等力面有了很大的提高，行车事故的经济代价和影 响力发生了质的变化，这对铁路起重机提出了更高的要求。 2 0 世纪8 0 年代末我田研制出了n 1 6 0 型全液压内燃铁路起重机，在完善各项技 术的同时，最大起重量提高到了1 6 0t ，有效改善丁铁路起重机的单机作业能力和机动性 能。这期怕j ，为满足不同需要，研制出n 1 2 5 机型，铁路起重机初步形成r 系列化，使 我国铁路处理运行事故的能力向前迈进r 一大步，铁路起重机技术完成了第2 次革新引。 2 0i 吐纪9 0 年代，铁路电气化向偏远山区延伸，在电气喇下和隧道内的起蕈救援作 业不断增多，由于作业空问的限制，精臂长度固定的起覃机在电气化铁路线卜进 r 起重 作业需要摘除高三供电嘲，这对铁路运输产生n * 重的影响，而在隧道内有时根本无法 进行起重作业。为此，我刚往2 0 世纪9 0 年代中后期研制出了n s 型仝液压伸缩臂铁路 起重机，并按照实际斋要，进一步完善了铁路救援起重机系列，现了n s l 6 0 、n s l 2 5 、 n s 0 0 等不同吨化的机型，如图11 、l2 所示，分别为齐车公司的n s l 6 0 1 型1 6 0 t 、n s l 2 5 l 型1 2 5 t 伸缩臂铁路起晕帆，铁路起蕾机进八个全新的发展时期。2 0 世纪我国铁路起 重机的发展历程见袁】1 。 斟11n s l 6 0 1 删1 6 0 t 伸缩臂式铁踏起匝机 f i g1 1n s l 6 0 1t y p e1 6 0 tt e l e s c o p i cb o o m r a i l w a yc r a n e 蚓12 1 2 5 i 掣l2 5 t 伸缩臂式铁路起重机 f i g l2 n s l 2 5 lt y p e l 2 5 1t e l e s c o p i cb o o m r a i l w n yc r a n e ，釜 焱啦 人进变通 学l 程硕f 学位论文 注刚送速度是指铁路起重机破编挂枉列 t 中或由机车单独牵 时允许的虽人运行速度 进入2 1 世纪，我幽铁路事业进入跨越式发展时期，铁路装备开始全面升级换代， 同时对铁路救援的作业能力和适应l 生也提山了更高的要求，困内原有的定妊臂机型如 n 1 0 0 型i o o t 及n 1 6 0 型1 6 0 t 起重机也完成了其历史使命停止了新造，现车进入r 大 修改造期。 随着铁路事故救援中心的筹建及西减铁路的开通，铁道部开始引进德国k i r o w 公司 乍产的具有自动调甲、双回转及自动控制功能的1 6 0 t 伸缩臂式铁路起重机，如图l3 所 示，幽内也同步开始了全电控、智能型1 6 0 t 铁路起重机的研制，这也标志着我曰铁路起 重机_ t 作的适应性及使川的智能化水平丌始了新轮的提升。 刚13 德国h iy o w 允一日l6 。l 伸缩臂，铁路起垂机 f i gi3g e 叮n a n yk i r o w1 6 0 it e l e s c o p i cb 0 0 mr a i l w a yc r a n e l3n 1 0 0 2 型l0 0 t 定长臂式铁路起重机简介 n 】0 0 2 型1 0 0 t 定k 臂式铁蹄起砸机( 如罔l4 ) 足我h7 0 年代8 0 年代z t i j 批证 牛广的种人吨化铁路救援设备，颧定起盯毓l o o t 址人起童力斟z5 2 0 t i t i 是、j 叫的 第璋绪论 型产品。剑2 0 世纪术，齐车公司累计生产5 3 台中国北车集日1 兰# i * j l 车j 生产3 5 台 q - 铁山桥集团生产3 1 台，合计生产1 1 9 台，其口d 属单位情i 兄见表l2 。 削l4n 1 0 0 2 型1 0 0 t 定k 臂式铁路起重机 f i g i4 n 1 0 0 2t y p e l0 0 tf i x e d b o o mr a i l w a 3 * cr a n e 表12n 1 0 0 2 型1 0 0 t 定k 饼代铁路起- e 机 埘单位统计表 t a b l e i2s t a t i s t i c so f e n d u s e r so f n l 0 0 2 t y p e l 0 0 tf i x e d b o o mr a i l w a y c r a n e 目f j i ，帕肖数量j t 在服役的n 】0 0 2 型1 0 0 t 定长臂式铁路起重机，还远术达到其设 计使片j 寿命，髓蔚铁路运输“提速、重载”的快速发展以及电气化铁路逐年增加，对 铁路救援殴各灵活方便、快速反应等能力的要求h 益提高。该型铁路起重机，已无法完 全满足铁路救援 作的需要，其制约方面主要有以f j l 点： ( 1 ) 技术水平i 二，该型起重机定型r 八十年代，采片j 的是压缩空7 摔制装有液 力变矩器的液力机械传动方式在当时田内起重机领域其技术性能属f 比较先进和可 靠的。 u 与目前j 。泛已采川屯t 稚2 制、液压传动和伸缩臂式的起重机相比，其技术水平 和性能已经明显落后。 大连交通大学t 挥硕士学位论文 ( 2 ) 起重性能上，该型起重机额定起重量的车钩i j 有效幅度为负值( 如图1 5 ) ，从 理论上说，顺轨方向不具备1 0 0 t 的吊重能力，同时在接触网下也无起重能力。 ( 3 ) 回送速度8 0 k m h 无法满足最新的铁路技术政策，主钩速度过慢也是影响救 援工作速度的重要制约因素之一。 ( 4 ) 其它方面，该起重机结构上存在着一些使用不便或易于出现故障的机构缺陷， 如拉线式柴油机油门操纵，费力且易于出现故障、液力变矩器输出联轴节容易磨损、陈 旧的蒸汽机车e t 6 型制动机现己淘汰，无处检修以及车轴减速器与走行中减速器的联 轴节回送时无法脱开，温升易于超标等等。 量 图1 5n 1 0 0 2 型1 0 0 t 定长臂式铁路起重机总图 f i g 1 5g e n e r a la r r a n g e m e n to f n l0 0 2t y p e10 0 tf i x e db o o mr a i l w a yc r a n e 1 4 本文研究的主要内容 n s l 0 0 g 起重机研究的出发点是立足于大修兼改造，也就是对n 1 0 0 2 进行大修分解 检查后，依据整体t b t 3 1 2 8 内燃铁路起重机改造技术条件的要求，保留原车主要 钢结构部分( 底架、转台底座钢结构及配重铁) ，合记重量约5 3 t 。将传动方式由装有液 力变矩器的液力一机械传动改为液压一机械传动；将定长臂改为伸缩臂；回送速度由 8 0 k m h 提升到1 2 0 k m h ；制动系统改为1 2 0 阀的制动系统；增设全自动力矩限制器，对 起重机的吊重工况进行安全保护；重新优化整车的稳定性，提升起重性能。 以上几点中，制动系统改1 2 0 阀的制动系统及增加力矩限制器的两项工作是齐车公 司大吨位起重机成熟的结构，可以直接借鉴使用；因此研究的主要内容为： 6 第一章绪论 ( 1 ) 起重机主要钢结构，如伸缩吊臂、转台立墙结构的优化设计，原车底架的强 度分析； ( 2 ) 传动系统各机构的优化匹配及液压系统的设计，满足t b t 3 1 2 8 中工作速度及 使用要求； ( 3 ) 整机的动力学的分析，合理选择转向架参数，满足回送速度1 2 0 k m h 的使用 要求； ( 4 ) 整机的稳定性分析，结合钢结构强度计算的情况进行优化，最大限度地提高 起重机的吊重性能。 本章小结 本章介绍课题的研制意义及铁路起重机的发展历史和现状，通过对n 1 0 0 2 型1 0 0 t 定长臂式铁路起重机无法适应现代铁路救援的因素分析，阐述了本文研究的主要内容。 7 大连交通大学t 程硕士学位论文 第二章n s l0 0 g 型10 0 t 伸缩臂式铁路起重机方案设计 2 1 n s l0 0 g 型10 0 t 伸缩臂式铁路起重机研究的目标和方法 根据t b t 3 1 2 8 内燃铁路起重机改造技术条件要求，n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式 铁路起重机的研制的性能应达到以下目标： ( 1 ) 起重性能见表2 1 。 表2 1t b t 3 1 2 8 中改造起重机主要起重性能表 t a b l e2 1m a i nl i f t i n gp a r a m e t e r sf o rm o d i f i e dc r a n ei nt b t 312 8 ( 2 ) 工作速度见表2 2 。 表2 2t b t 3 1 2 8 中改造起重机主要工作速度表 t a b l e2 2m a i nw o r ks p e e d sf o rm o d i f i e dc r a n ei nt b 厂r 312 8 为实现以上起重机关键性能指标，需要对整机的主要参数和结构进行综合的分析和 多目标优化，找出设计最合理的平衡点。n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机的技术路 线图见图2 1 ，设计总图见图2 2 。 8 第一章n s 10 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机方案设计 图2 1n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机技术路线图 f i g 2 1t e c h n o l o g yr o u t eo f n s 10 0 gt y p e10 0 tt e l e s c o p i cb o o m r a i l w a yc r a n e 9 大连交通大学工程硕十学位论文 夕熊 厂 、 、 ， ，、 冰 ， 量 瓢 臌 骶 酞姗一 。 兰 暑 ， 。 f 1 二鼍 ll1 善 e q 毒 i | l j | (1 5 ) n f l q l j。t 。，、 ，、 _ -卜、 | | | 一与盈器删 孽 j u- 叫l q j匕h 、 2 ， 叫e 三兰泄川上l i 倒目例 墓 量 暑 9叶砸日日耐b l盯 _ 它目弋z 死y q i 八：，e 妇尸 1 8 m1 7 m 1 6 m1 m 1 3 l 5 r i l2 m1 0 r n嘶6 m i 一2 4 0 0j 1 i 一。5 咖( 蚀t ) 。 j 。 1 0 0 4 0 。 1 1 2 柏 图2 2n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机总图 f i g 2 2g e n e r a la r r a n g e m e n to f n s l 0 0 gt y p el o o tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n e 2 2 主要参数及结构的选取说明 2 2 1主要参数的选取 ( 1 ) 自重及最大起重力矩的确定 最大限度地减轻整机自重、提高最大起重力矩是衡量铁路起重机综合性能的关键指 标之一，也是产品结构设计的所追求的最终效果。 根据根据我国铁路线路和桥梁的现状以及相关技术政策，铁路起重机的设计轴重应 满足不大于2 3 t 的要求，通过对该机的钢结构的分析研究结果，吊臂采用7 0 公斤级耐低 温的高强钢，断面形状采用六边形；对转台新设计的承载立墙结构进行进一步优化，主 承载结构材料选用q 3 4 5 e 耐低温的板材，对非主承载截面位置上采取变截面的处理， 应力幅度较大的局部节点进行细部优化设计，合理调整整车的结构布置及配重铁数量， 尽量降低结构的自重，并确保起重机具有足够的强度、刚度和稳定性，因此，车辆的自 重确定为不大于1 3 2 t ，最大起重力矩确定为8 0 0t m ，与原车n 1 0 0 2 型相比，提高了5 3 ， 1 0 跏 钿 佃 加 嘶 m m 跏 m 伽 愉 协 协 伽 骱 钿油 钿 第二章n s 10 0 g 型10 0 t 伸缩臂式铁路起重机方案设计 与t b t 3 0 8 1 内燃铁路起重机技术条件t 4 q b 新造1 0 0 t 伸缩臂相比，提高了1 4 ，对 比情况见表2 3 。 表2 3n s l 0 0 g 型l o o t 伸缩臂起重机最大起重力矩与原车及新造车数值比较表 t a b l e2 3c o m p a r i s o nb e t w e e nn s10 0 ( 3t y p elo o tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n ea n d o r i g i n a lt y p ec r a n ea n dn e w m a d ec r a n eo nm a x l i f t i n gm o m e n t 车型 最大起重力矩( t m ) n 1 0 0 2 型l o o t 定长臂起重机 t b t 3 0 8 1 中新造1 0 0 t 伸缩臂起重机 n s i o o g 型1 0 0 t 伸缩臂 5 2 0 7 0 0 8 0 0 ( 2 ) 吊臂长度及幅度范围的确定 伸缩吊臂的长度和有效幅度的范围直接决定了起重机的作业面积，其数值的选取受 整机三铰点的布置、吊臂强度及稳定性的制约，参照t b t 3 0 8 1 中新造l o o t 的数值，对 结构的三铰点布置进行了优化分析，增大变幅油缸的直径，在保证吊重性能的情况下， 最大地发挥起重机的作业范围，提高其吊重适应性，最终确定吊臂长度全缩为1 3 5 m ， 全伸为2 1 m ，幅度范围5 5 m 1 8 5 m 。与原车n 1 0 0 2 型相比，增大了4 7 ，与t b t 3 0 8 1 中新造1 0 0 t 伸缩臂相比，增大了8 3 。对比情况见表2 4 。 表2 4n s i o o g 型1 0 0 t 伸缩臂吊臂长度及幅度范围与原车及新造车数值比较表 t a b l e2 4c o m p a r i s o nb e t w e e nn s10 0 gt y p e10 0 tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n ea n d o r i g i n a lt y p ec r a n ea n dn e w - m a d ec r a n eo nb o o ml e n g t ha n dr a d i u s ( 3 ) 特殊工况的确定 随着我国铁路事业的发展，大型厂、矿企业专用线利用率的增加，铁路起重机在主 要处理铁路行车脱轨事故工作之外，正越来越多地参与重大货物的装卸、线路维护、铺 换轨排等工作；其中铺换轨排的工作对起重机的性能要求较为苛刻，需要在车钩前有效 幅度范围之内起吊较长的重物进行回转作业，这就需要整机在大幅度范围下具备较强的 起重稳定性。 通过查阅铁路技术管理规程及对国内各大厂、矿企业的调查了解，统计到目前铁路 正线及厂、矿企业专用线的铺设的主要轨排参数如表2 5 所示。 大连交通大学t 程硕十学位论文 表2 5 铁路正线及厂矿企业专用线主型轨排调查表 t a b l e2 5s t a p l et r a c k so nr a i l w a ym a i n l i n ea n ds p e c i a ll i n e s o fw o r k s 线路轨排种类长度( )重量( t ) 铁路新建、改建正线6 0 k g m 级混凝土轨排 2 5约1 5 5 0 k g m 以下级混凝土轨排 1 2 5 约7 2 厂、矿专用线 5 0 k g m 以下级木枕轨排 1 2 5约3 5 由以上调查数据，结合吊具的重量，通过对整机稳定性的综合调整，确定起重机的 特殊工况为： a 幅度1 8 5 m ，起吊能力2 1 5 t ，支腿跨距5 m x 8 3 2 4 m ，3 0 。回转，可将1 组混 凝土2 5 m 轨排在相临正线间安装和拆卸； b 幅度1 2 m ，起吊能力3 2 5 t ，支腿跨距6 m x6 m ，3 6 0 。回转，可将4 组1 2 5 m 混 凝土轨排或8 组1 2 5 m 木枕轨排在幅度1 2 m 范围内安装和拆卸； ( 4 ) 起重机机构工作速度的确定 起重机起升、变幅、吊臂伸缩、回转、自力走行等机构的工作速度是整机能否适应 现代快速、灵活救援工作的重要标志，然而过快的动作速度又会产生较大的冲击而对整 机的安全性及稳定性造成不利的影响。 因此通过对整机动力传动系统的优化匹配和结构件细部强化研究的结果，在满足整 机安全性和稳定性的前体下，最大限度地提升起重机各动作的速度，最终确定速度参数 如表2 6 所示： 表2 6n s1 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机主要工作速度表 t a b l e2 6m a i nw o r ks p e e d so fn s 10 0 gt y p e10 0 tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n e ( 5 ) 回送速度1 2 0 k m h 的确定 根据我国铁路货运提速战略的要求，铁路货车的运行速度将逐步提高。目前国内通 用2 1 t 轴重货车提速目标是1 2 0 k m h ，铁路起重机作为铁路的专用设备，必将和现有的 2 1t 轴重货车混编回送，其回送速度也应定为1 2 0 k m h ，这样既符合我国铁路货车提速 的目标，又能与现有车辆相一致，便于运用和管理。 第二章n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机方案设计 2 2 2 主要结构选择和确定 起重机主要由吊臂、转台、底架、转向架、司机室、机械室、动力与转动装置、液 压系统、电气系统、制动系统和安全监控系统等部分组成，如图2 3 所示。 图2 3n s l 0 0 g 型1 0 0 t 伸缩臂式铁路起重机主要结构简图 f i g 2 3s k e t c ho f m a i ns t r u c t u r eo f n s l0 0 gt y p e10 0 tt e l e s c o p i cb o o mr a i l w a yc r a n e l 吊臂2 转台3 底架4 转向架5 司机室 6 机械室7 动力与传动装置 8 液压系统9 电气系统1 0 制动系统1 1 安全监控系统 ( 1 ) 吊臂 吊臂是起重机的主要受力构件，其设计的合理与否直接影响起重机的承载能力，整 机的稳定性和自重。为了提高产品的竞争能力，吊臂断面的选择及外观均要合理，能给 人以安全、稳定、可靠的感觉。 根据n s l 0 0 g 型起重机的主要工况和结构特点，吊臂采用二节箱形伸缩式吊臂，伸 缩驱动方式采用双向油缸来实现；由于吊臂是双向压弯构件，除受有整体强度、刚度、 稳定性约束限制外，主要受局部稳定性约束。因此采用何种断面形式使吊臂的自重小、 充分利用材料，是伸缩式吊臂设计的关键技术。目前国内外大吨位起重机的吊臂截面形 式及特点见表2 7 。 大连交通大学t 程硕十学位论文 表2 7 国内外大吨位起重机生产厂商选用的主要断面形式及特点 t a b l e2 7p r o f i l ea n df e a t u r e so fm a i ns e c t i o n sc h o s e nb yc h i n e s ea n d f o r e i g nl a r g et o n n a g ec r a n em a n u f a c t u r e r s 国别公司截面形式截面特点 g r o v e 八 高强钢四板焊接，腹板薄，制有大量减重孔，孔边及 孔间加强，自重轻、承载能力大，垂向及侧向挠度小。 矩形截面，四板拼接，内外双面焊透，四脚采用t 美国 p h 形加固，腹板横向拉筋。 r 矩形截面，采用四角钢加固，腹板薄，强度与重量比 f m c 较大，垂向及侧向挠度小。 lj d e m a g比g r o v 公司的强度与重量比大 g o t t w a l do 。= 7 0 0 m p a 调质合金钢，八边形，压型后焊接。 德国 l ie b h e r r u 两块不同厚度的高强钢板压制成大圆角槽形，在中间 拼接，受力合理。 k i r o w同g o t t w a l d 。 k a t oo 。7 0 0 m p a 高强钢，焊接工艺先进。 厂 日本 侧板薄、压成折弯型，受力合理，下盖板较上盖板宽 t a d a n o 度小，具有较高的抗屈服能力。 、。 法国 p p m j 五边形，“v ”形地不突缘，重量轻，受压稳定性好， 侧移量小 英国c o l e s 口 八边形，薄侧板压制而成，下盖板最厚，吊重垂向刚 度好。 长起同t a n a n o 中国 、。 浦元 u 同l i e b h e r r 1 4 堑! ! ! ! 竺! ! 坠! ! ! ! ! ：! 坠塑墼皇堡! 童! ! 结合上表各种截面彤式，矩形截面由l 下翼缘扳和腹板焊接而成，它是轮式起重机 伸缩式吊臂巾用得最多的截嘶形式，与其他截面相比，矩形截面具有制造t 艺简单，抗 弯度抗扭刚度较好等优点，但这种截面没有充分发挥材料的承载能力，而且为了防止局 部先稳，必须做好足够的补强，这样就使吊臂的自重很大”】。 多边形截面的抗弯和抗扭刚度比矩形截面好同时提高了下盖板的抗屈服能力，并 可减小侧板的计算宽度提高腹板的稳定性，这种结构可以是下盖板比较薄，可以有效 地控制吊臂的自重，提高吊臂伸缩时的导向性能。 根据目前国内吊臂的生产制造能力和起重机的重点 况，对n s l 0 0 g 型超重机吊臂 进行了有敝元计算等多目标的优化设计1 6 1 1 7 1 1 9 t i i 0 1 ，最终确定截面采用六边形，如图 24 所示。材料选择钢结构选用7 0 k g f l , n 2 缴的高强度结构铜，同时为满足接触网下、 隧道内的作业要求，吊臂的头部设置了羊角钩，其结构图如图2s 所示。 吲24 吊臂截面矧 f i g24b o o ms e c t i o nd i a g r a m ， 俐25 吊臂结构倒 f i g25b o o ms t r u c t u r e d i a g r a m ( 2 ) 转台 转台是超重机州柬安装吊臂、起升机构、变幅机构、【_ 】i 转机构、配重、发动机、司 机室、机械室等部分的机架结构它通过超重机同转支承的连接装在起莺机底架，。为 保证起重机的正常工作转台应具有足够的刚度和强度，同时为提高超鼋机通过眭，应 使转台的外形尺1 尽量小，对于转台卜机构配置应紧凑，使转台受力合理。1 h s l 0 0 g 型起蕾机，转台底座钢结构年| 用原乍件，主翻卅究其支撑m 臂、变幅机构、 起升机构的五角支架的结构设计。半面框架式转台属n 久级超静定结构，其受力简图灿 圈26 所小。其中i ) 为，变幅油缸作用力，为吊臂作用力，s 为钢蚶绳拉力，g 。为转台 及上部机构币量，g ，为配酉铁重量。 人连交通人学i 程硕 学傅硷文 附26 转台受力简目 f 1 926r o t a t i o np l m m r r t lf o r c e d i a g r a n l 传统起匝机转台的结构为倒“n ”形双侧译扳立墙的箱形承载结构( 见图27 ) ， 通过对其进行有l 靼元分析和参考静强度试验的结果发现：加载后应力幅较夫部位集中在 吊臂后铰点与变幅前铰点之间两侧的检修f l 或穿墙的过管孔的边缘，很难消除，造成结 构的重量偏大。 翻27 忙统起重机转音宝l ! | 棚酬 f i g27r o t a t i o np l a t r c m s t r u c t u r ed i a g r a mo f c o n v e n t i o n a lc r a n e 结仆统转台的结构，借鉴汽车起墓机和t * i 6 1 - 起重机的结构设h 经验，经反复优化 分析比较，确定n i o o g 型起照机转台结构采j j 倒“1 1 ”彤，。角箱形承载结构，如罔28 所不，材料选川t 0 3 4 5 e 的优质钢材，从而优化了承裁的应力分印，大幅地降低了转台的 自蕾。 第。章n s l 0 0 0 刑1 0 6 t 伸缩臂式铁路起重机方案蹬 繇豫 幽28n s i o o g 1 0 0 t 伸缩臂起亚机转台结构田 f i g28 r o t a t i o np l a t f o 丌ns t r u c t u r e d i a g r a mo f n s i ( j 1y p e1 0 0 t t e l e s c o p i cb o o mr a i l w a y c r a n e 起重帆的配重型式分为嘲定式、伸缩式及活动挂放式；通过对= 种形式的反复比选， 同时征求丁用户的使用意见，在通过整机动力学仿真计舞的琏础卜，在转台尾部采州r 固定式内虢重铁从而简化了伸缩及活动挂放式配重的结构为用户甘省了整机整备的 时一j ，有效地提商了