（机械工程专业论文）20t多功能铁路起重机的设计与主要钢结构优化.pdf

摘要 摘要 加速实现铁路机车车辆装备现代化，是铁路跨越式发展中一项重要而又紧迫的任 务。随着我国铁路事业的不断壮大，开发小吨位的自力走行速度快、回送速度高，能满 足电气化线路的立杆作业的全液压铁路起重机迫在眉睫。因此，对n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功 能铁路起重机的研究具有重要意义。本文主要进行了以下几方面的研究： 首先，对主要用于铁路电气化线路电杆、铁塔的架设与维护，铁路线路施工及维护 作业的集吊钩、抓斗、电磁盘为一体的n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机进行了方案设 计，主要包括：主要参数及结构的选取、主要性能指标和技术参数的确定，以及2 0 t 多 功能铁路起重机的主要组成部分：钢结构、动力机械传动系统、液压传动系统、操纵系 统、空气制动系统、电气系统的设计。 其次，根据底架和转台钢结构的几何特点，创建了底架和转台用于有限元分析的模 型；以g b t 3 8 11 - 1 9 8 3 起重机设计规范为计算依据，对底架和转台的强度和刚度进 行了分析，并依据分析结果修改设计，以达到起重机设计规范的要求。 然后，基于i - d e a s 软件的二次规划法对底架和转台结构进行优化设计，优化完成 设计变量圆整后的计算结果表明：各工况下底架和转台均满足强度和刚度要求；转台优 化前质量3 4 3 5 t ，优化后质量3 1 7 2 t ，减重达7 7 ，改进后的转台各部位应力分布更 加合理，优化效果是令人满意的，达到降低该车的制造成本的目的，提高起重机的机动 性和灵活性；底架优化前质量为1 1 0 4 t ，优化完成设计变量圆整后质量为9 8 7 t ，减重 达1 0 6 ，改进后的底架各部位应力分布更加合理，优化效果是令人满意的，达到降低 该车的制造成本的目的，提高起重机的机动性和灵活性。 关键词：2 0 r 多功能铁路起重机；钢结构；f f a ；优化设计 大连交通大学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t r i g h tn o w ，t oe n h a n c et h ep r o g r e s so fm o d e r n i z a t i o nf o rr a i l w a yl o c o m o t i v ea n dr o l l i n g s t o c ki so fv i t a la n du r g e n tt a s ka m o n gi t e m sf o rs t r i d i n gd e v e l o p m e n to fr a i l w a y s w i t ht h e u p r i s i n gm o v e m e n to fc h i n e s er a i l w a y sa n dp r o g r e s so fe l e c t r i cr a i l r o a d ，t h es m a l lt o n n a g e f u l l h y d r a u l i cr a i l w a y c r a n eb e c o m e sm o r e u r g e n t l y n e e d e df o rd e v e l o p m e n tw i t h c h a r a c t e r i s t i c so ff a s t s p e e ds e l f - p r o p e l l e dr u n n i n ga n dh i g hs p e e di nt r a i nf o r m a t i o n ， h e n c e ，t h eh i g hl e v e lr e q u i r e m e n ti sr e s u l t e di nt e r m so ft r a i nf o r m a t i o na n ds e l f - p r o p e l l e d r u n n i n gs p e e do fr a i l w a yc r a n e f o rn s 0 2 0 1a t y p e2 0 tu n i v e r s a lf u n c t i o nr a i l w a yc r a n e ，i t a t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c ei nd e s i g n t h i se s s a yp r e s e n t ss e v e r a li t e m sr e g a r d i n gt or e s e a r c ha s f o l l o w s ： f i r s t l y ，m a i np e r f o r m a n c ed a t aa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ec r a n ea r ep r e s e n t e ds u c h a se r e c t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h ee l e c t r i cp o l ea n ds t e e lt o w e ro ft h ee l e c t r i cr a i l r o a d ， i n s t a l l a t i o no ft h et r a c kl i n ea n dh o o kl i f t i n g ，b u c k e tg r a b b i n ga n dm a g n e t i cp a n e ll i f t i n g ， m a i nm e c h a n i s mo ft h es t r u c t u r es u c ha st h es t e e ls t r u c t u r e ，p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，o p e r a t i o n ，a i rb r a k ea n dp o w e rp l a n ta sw e l l s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h eg e o m e t r i c a lf e a t u r eo ft h eu n d e rc a r r i a g ea n dt h er o t a t i o n p l a t f o r m ，t h em o d e lf o rf e a i se s t a b l i s h e d s t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h eu n d e rc a r r i a g ea n dt h e r o t a t i o np l a t f o r mi sa l s oc a r r i e do u ta sp e rg b t 3 811 - 19 8 3 “d e s i g ns p e c i f i c a t i o no ft h e c r a n e ”t oe n s u r et h ed e s i g ns a t i s f y i n gt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n t h i r d l y ，o p t i m u md e s i g no ft h eu n d e rc a r r i a g ea n dr o t a t i o np l a t f o r mw i t hi - d e a s s o f t w a r ei sp e r f o r m e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h eu n d e r c a r r i a g ea n dt h er o t a t i o np l a t f o r ms a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t t h ew e i g h to ft h er o t a t i o n p l a t f o r mh a sb e e nr e d u c e db y7 7 f r o m3 4 3 5 ti n t o3 17 2 t s u c hi m p r o v e m e n th a sr e s u l t e d i nm o r er e a s o n a b l es t r u c t u r e ，l o w e rc o s ta n de n h a n c e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ea n df l e x i b i l i t y t h ew e i g h to ft h eu n d e rc a r r i a g ea l s oh a sb e e nr e d u c e db y10 6 f r o ml1 0 4 ti n t o9 8 7 t s u c h i m p r o v e m e n th a s a c h i e v e dt h es a m er e s u l ta st h a to ft h er o t a t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ：2 0 tu n i v e r s a lf u n c t i o nr a i l w a yc r a n e ；s t e e ls t r u c t u r e ；f e a ；o p t i m u md e s i g n 绪论 绪论 1 国内铁路起重机的发展 铁路起重机作为一种铁路专用起重设备，因其能沿铁路线路运动，承担铁路沿线的 起重作业，具有很好的机动性和适应性，自投入运用以来就一值受到世界各国的高度重 视。随着铁路和相关技术的发展，铁路起重机技术也在不断进步。在我国，上世纪5 0 、 6 0 年代我国铁路起重机以进口及仿制前苏联生产的产品为主，然后我国开始自主研n 4 , 吨位全机械传动的小吨位定长臂蒸汽铁路起重机，到上世纪7 0 、8 0 年代开始研制大吨 位的且以机械传动为主的定长臂内燃铁路起重机，进入9 0 年初期，开始研制以液压、 液力传动为主的大吨位定长臂内燃铁路起重机。小吨位铁路起重机以给当时的机车一蒸 汽机车装煤以及起吊铁路线路附近的货物为主，而大吨位的铁路起重机以救援为主。 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。所以这阶段铁路起重机主要用于货物的装卸作业，铁 路起重机的技术比较落后，主要是一些以蒸汽机为动力，依靠机械传动，回送速度在 7 0 k m h 以下，起重量在1 5 - 6 0 t 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，而且自重比较大。 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显得更加重要，如何及时处理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，特别是机动性能、起 重能力以及连续作业能力等性能比较低，1 9 6 6 年，齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限责任 公司( 原齐齐哈尔车辆厂) 开始独立设计q n y 一1 0 0 1 型1 0 0 t 内燃液力铁路起重机，1 9 7 0 年试制出厂，这就是我国的n 1 0 0 型内燃铁路起重机代表产品。由于n 1 0 0 型内燃铁路 起重机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 0 k m h ， 最大起重量也由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，由于引入了液压技术，铁路起重机在可靠性和稳定性方面有了进步，取得了明显的 技术飞跃。 2 0 世纪7 0 年代后期，吸收了当时的最新技术，对n 1 0 0 型内燃铁路起重机上车的 传动系统和全车的液压系统作了较大的变动，对操纵系统、配重铁，各种钢结构等也做 了相应的修改或重新设计，使结构简化，工作可靠性提高，液压一机械传动取代了机械 传动。改革开放后，我国铁路运输得到了快速发展，在运行速度、运行密度、单位载重 大连交通大学 栏硕士学位论文 量等方面有了很大的提高，行车事故造成的经济代价和影响里发生了质的变化，这对铁 路起重机的性能提出了更高的要求。 2 0 世纪8 0 年代末，我国研制出了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，将最大起重量提高到1 6 0 t ，有效改善了铁路起重机的单机作业能力和机动性 能。这期问，为满足不同需要，研制出n 1 2 5 型全液压内燃铁路起重机，铁路起重机初 步形成了系列化使我国铁路处理运行事故的能力向前迈进了一大步铁路起重机技术 完成了第2 次革新。 2 0 世纪9 0 年代，铁路电气化线路在不断增长，在电网下和隧道内的起重救援作业 不断增多，由于作业空间的限制，定长臂铁路起重机在电气化铁路线路上进行起重作业 需要摘除高压供电网，这对铁路运输产生了严重影响，而在隧道内有时根本无法进行起 重作业。因此，我国在9 0 年代中后期研制出全液压伸缩臂内燃铁路起重机，如齐齐哈 尔铁路车辆( 集团) 有限责任公司的n s l 6 0 1 型1 6 0 t 伸缩臂救援铁路起重机( 见图1 ) ，根 据国内市场需求，进一步完善了救援铁路起重机系列，代表产品是：n s l 6 0 、n s l 2 5 、 n s l 0 0 等不同吨位的机型，铁路起重机进入个全新的发展时期l ij 。 图11 6 0 t 伸缩臂铁路起重机 f i g1 1 6 0 tr a i l w a yc r a n e 进入2 1 世纪，结合我国铁路发展的趋势，进一步加深对铁路起重机各种可能的作 业环境( 上况) 的研究，有助于明确铁路起重机技术发展打向。从我国地理环境看，铁 路超重机有东、两、南、北4 种不同的t 况，气温，气压等自然环境差别很大对铁路 绪论 起重机提出了不同的要求，随着青藏铁路的建成和开通，急需开发适应高寒耐缺氧环境 的铁路起重机。齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限责任公司借鉴k i r o w 公司的铁路起重机 先进技术，正在设计我国最新一代的铁路起重机，该铁路起重机具有双回转功能、上车 自动调平装置、计算机控制和显示系统、更好的机动性能、更高的作业效率、更高的可 靠性，适合耐高寒缺氧地区的使用。我国铁路起重机的发展历程见表1 。 表l我国铁路起重机的发展历程 t a b l e1d e v e l o p m e n to fc h i n e s er a i l w a yc r a n e s 回转 回送速度最大起 年代 动力源传动方式吊臂结构 方式 ( k i n h ) 重量( t ) 2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代蒸汽机机械定长臂单回转 5 5 6 0 2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代 内燃机机械定长臂单回转 8 0 1 0 0 2 0 世纪7 0 年代内燃机液压机械定长臂单回转 8 0 1 0 0 2 0 世纪8 0 年代内燃机液压定长臂单回转 8 0 1 0 0 2 0 世纪9 0 年代 内燃机 液压伸缩臂单回转 1 2 0 1 6 0 2 1 世纪初内燃机液压伸缩臂双回转 1 6 0 1 6 0 2 国外铁路起重机的发展 l8 6 0 年，世界上第一台以蒸汽为动力的定长臂铁路起重机在英国问世，经过一百 多年的发展，铁路起重机技术日趋完善。当今世界，称得上起重机强国的有德国、美国、 英国和日本。德国以利勃海尔为代表，其产品以先进、可靠、使用寿命长著称，但价格 相对较高。美、日国内市场均以轮胎式起重机为主，但以马尼托瓦克、德马格为代表的 起重机企业，仍然全力开发全路面起重机，并把拓展重点转向欧洲市场，实现了很好的 销售业绩；日本产品与德、美在技术性能上有相当差距，但其质量细节处理上有独到之 处，且价格有相当竞争力。这些国家之所以能够成为起重机强国，就是因为各自有各自 的优势。 通过广泛收集资料、技术考察、实际调研和认真分析，我们认为目前在国外的一些 公司生产的大吨位铁路起重机产品在技术上仍然是最先进的，德国的k i r o w 公司，该 公司铁路起重机独特的双回转结构，可以保证起重机在作业时，不影响邻线的通车；曲 线车体自动平衡机构可有效扩展铁路起重机的作业性能；强大的吊臂带载伸缩能力和伸 缩重铁技术都具有世界先进水平；先进的( 2 x 2 ) 转向架结构和轮辐式盘形制动装置的 布置使结构紧凑和新颖，可通过较小的曲线半径；智能化的计算机控制系统可全面监控 起重机的作业，可靠地保证在各种复杂情况下的安全。同时，利用计算机的控制，使起 重机在打一条支腿的情况下也可进行起重作业，这个性能在高原可有效地降低作业人员 人连交通大学工程硕+ 学位论文 的劳动强度。其高可靠性和低维护性可大大提高起重机的作业效率和降低维护费用。但 目前大吨位救援起重机在发达国家也趋向饱和，而发展中国家需求量较大。 国外小吨位铁路起重机虽然起步较早，多以全液压传动为主，但随着国外公路的发 展，对铁路设备的投入越来越少，进入上世纪8 0 年代末期，在小吨位铁路起重机方面 基本上没有什么投入和新型产品的问世。 3 研制2 0 t 多功能铁路起重机的必要性 目前我国铁路上使用的1 5 t 蒸汽、内燃铁路起重机，是在日本人留下的上世纪二三 十年代设计的1 5 t 蒸汽铁路起重机的图纸基础上，经过上世纪六七十年代的革新改造逐 渐完善的，在上世纪七八十年代一直到九十年代初，是生产的高峰期，15 t 铁路起重机 的数量累计生产了2 7 4 4 台，九十年代蒸汽铁路起重机改内燃铁路起重机成为大势所趋， 到九十年代中期1 5 t 蒸汽铁路起重机基本告别了历史舞台，从九十年代中后期到今天， 尽管仍然有大量l5 t 内燃铁路起重机在线路上服役，但是这种老型号的铁路起重机基本 上不再新制。1 5 t 起重机不拆吊臂时的回送速度是5 5 k r n h ，拆吊臂时的回送速度是 7 0 k m h ：1 5 t 起重机吊臂为固定臂结构，不适应铁路电气化线路电网下维护和施工作业， 这些因素直接制约了1 5 t 铁路起重机的使用范围。 现有生产铁路起重机专业厂家，只有齐车集团公司和兰州机车车辆厂生产小吨位起 重机，现刚刚开发和生产2 0 t 起重机，还没有批量生产。现有生产小吨位铁路起重机的厂 家还有宝鸡工程机械厂、襄樊轨枕厂、郑州工务机械厂等工厂。他们是以生产轨道车， 放线作业车、捣固机等线路维护及施工机械为主要产品，起重机只是他们产品的一种， 以1 6 t 铁路起重机为主他们几家的1 6 t 起重机上车部分皆采用汽车起重机生产厂家一浦 沅工程机械厂设计生产的。下车部分采用轨道牵引车的走行技术，自力走行车速度达 8 0 k m h 以上，下车部分为自己设计制造。所以说，他们生产的1 6 t 铁路起重机产品主要 是依靠与汽车吊厂家技术合作发展起来的。 铁路货运以快捷、重载为重点。显然高速运输是现在铁路的发展方向，加速实现铁 路机车车辆装备现代化，是铁路跨越式发展中一项重要而又紧迫的任务，我国铁路急需 一种自力走行速度快、回送速度高，能满足电气化线路立杆作业的多功能小吨位全液压 铁路起重机。为适应我国铁路发展的需要，设计了n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机， 该机回送速度可达1 0 0k m h ，自力走行速度可达8 5k m h ，而传统的铁路起重机回送速 度一般不大于8 5k m h ，自力走行速度一般不大于3 0k m h 。回送速度和自力走行速度的 提高，极大地提高了起重机作业的机动性，拓宽了作业范围。 4 绪论 多功能铁路起重机的定义是除具有吊钩、抓斗、磁盘吊3 种功能外，还具有一定带 载走行以及因牵引能力大也可作为吊车机( 牵引作业) 使用。该型起重机与我国现有的起 重机相比较，是一个全新的产品，是我国目前功能全、利用率高的铁路起重机。为适应 现行的铁路政策，该机具有回送和自力走行速度高的特点，并且是一个全新的产品，因 此必须对该机的主要钢结构引起足够的重视。、 对铁路起重机钢结构而言，随着设计水平的提高和激烈竞争的市场要求，结构优化 设计是势在必行，采用结构优化设计方法可以加快铁路起重机研制速度。同时，本文首 次在国内采用i - d e a s 软件提供的数学二次规划法模块对铁路起重机钢结构进行优化设 计，对该型铁路起重机的研究具有重要的指导意义。 4 本文研究的主要内容 本文在广泛吸收国内外铁路起重机技术的基础上，设计了2 0 t 多功能铁路铁路起重 机，并通过目前广泛使用的有限元法进行起重机的钢结构强度和刚度计算，以 g b t 3 8 11 1 9 8 3 起重机设计规范为计算依据，以i - d e a s 软件为计算平台，基于钢 结构的几何建立有限元模型，进行钢结构的强度、刚度、敏度分析，采用i - d e a s 软件 提供的数学二次规划法模块进行优化设计，然后按优化结果改进设计，实现降低钢结构 重量，优化起重机结构，降低起重机的生产成本的目的，提高起重机的机动性和灵活性。 论文主要从以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 2 0 t 多功能铁路铁路起重机设计； ( 2 ) 对主要钢结构底架及转台进行了有限元建模和静强度分析； ( 3 ) 对起重机主要钢结构底架和转台进行敏度分析； ( 4 ) 对起重机主要钢结构底架和转台进行优化设计； ( 5 ) 依据优化结果改进底架和转台的设计。 利用i - d e a s 结构分析软件对底架和转台结构进行了强度和刚度分析，全面了解应 力值的分布及结构变形规律。通过优化结果改进底架和转台的设计，达到了降低自重， 改善结构应力分布状态的目的。上述工作也为今后的铁路起重机的底架和转台改进设计 提供了成功经验。 大连交通太学i 程硕士学位论文 第一章2 0 t 多功能铁路起重机设计 进入2 1 世纪，高速运输是铁路的发展方向，加速实现铁路机车车辆装备现代化， 是铁路跨越式发展中一项重要而又紧迫的任务。随着我国铁路的发展，丌发小吨位的自 力走行速度快、回送速度高，能满足电气化线路作业的全液压铁路起重机迫在眉睫。 n s 0 2 0 i a 型2 0 t 多功能铁路起苇机是在n s 0 2 0 1 型2 0 t 多功能铁路起重机基础上开发研 制的。 1l 主要参数及结构的选取 1 1 i 主要参数的选取 1 自重及最大起重力矩的确定 晟大限度地减轻铁路起藿机自重、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，也是产品结构设计所追求的虽终效果。 图11 为齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限责任公司2 0 世纪研制的n 1 5 1 型1 5 t 内燃 铁路起重机，n s 0 2 0 i 型2 0 t 铁路起重机为齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限责任公司在 上世纪末开发的起重机，图l2 为兰州机车_ 乍= 辆厂晟新研制的n s 0 2 0 2 型2 0 t 多功能铁 路起重机，小型铁路起蕈机主要性能的比较见表1l ，通过比较我们确定该车自重为4 6 t ， 最大起重量确定为2 0 t 最大起重力矩确定为1 3 8t m 。 幽1 ln 1 5 1 型1 5 t 内燃敢站起正机 f i gi 】n i5 11 5 t d i e s e l r a i l w a y c r a n e 第章2 0 t 多功能铁路起重机 幽】2n s 0 2 0 2 型2 0 t 多功能铁路起重# 【 f i 9 12n s 0 2 0 22 0 t u a i v e r s a l r a i l w a y c r a n e 表11 小型铁路起重机主要性能比较表 t a b l eii c o m p a r i s i o no f m a l n p e r f o r m a n c eo f s m a l l t y p e r a i l w a ) r c r a n e 性能n 1 5 1 型 n s 0 2 0 1 型n s 0 2 0 2 型n s 0 2 0 1 a 型 最大起重茸( t ) 1 5 最大起重力矩( tm )6 7 5 最雌酬谴皮0 由神 回转速度( r m i n ) 2 5 自力走行速度( i 【h ) 2 0 8 0 l i ：i 】送速度( k b ) 7 0 5 51 0 08 0 自重( t )5 74 65 04 6 力矩限制器 无 有有有 吊臂结构定长臂伸缩臂伸缩臂伸缩臂 支腿跨距( m ) 64 3479 5 37 传动方式机械液压液压液压 2 吊臂长度及幅度范围的确定 伸缩吊臂的长度及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n s 0 2 0 1 型2 0 t 多功能铁路起重机 吊臂长度及幅度范围的确定对结构的三铰点布簧进行了优化分析，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 7 1 l m ，全伸为1 52 5 m ，幅度范围3 m 1 35 m 。 大毪变通人学j 挫硕十学位论文 3 机构工作速度确定 起重机的起升、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、灵活作业的标志，然而过快的动作速度又会产生较大的冲击而对整机的安 全及稳定性造成不利的影响。斟此通过对整机动力传动系统的优化匹配及结构件的细部 强化研究结果，在满足整机的安全及稳定性的前体f ，最人限度地提升起重机各动作的 速度，最终确定各机构工作速度”i 见1 2 节。 4 回送速度1 0 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，经动力学计 算和模拟分析，n s 0 2 0 i a 型2 0 t 多功能铁路起重机回送速度确定为1 0 0 k m h 。 1i2 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、动力与传动装置、液 压系统、电气系统、制动系统及安全监控系统等部分组成。本部分重点介绍底架和转台 的结构选择和确定，其余部分参照采用n s 0 2 0 1 型2 0 t 多功能铁路起重机的结构。 固132 0 i 多功能铁路起重机三维模型幽 f i gl3t h eg e o m e t r i cm o d e lo f 2 0 1u n i v e r s a lr a i l w a yc r a n e 蘧 第一章2 0 t 多功能铁路起重机 忝 ：懈鞴 ：呲嫦 - mh 僻 ：日 i - i 。叫o 刖 ： 群精黼 嗤步寸i 劳黄士黄_ 9 革 e 0，。_ 。j 。一， 1 车钩与缓冲装置2 风制动3 底架4 转向架5 司机室6 操纵系统7 液压系统 8 动力与传动装置9 伸缩臂1 0 转台1 l 机械室 1 2 电气系统 图l42 0 t 多功能铁路起重机 f i g i42 0 t u n i v e r s a lr a i l w a ，c r a n e 1 底架 底架是起重机连接上车及转向架的关键承载部件，吊重作业时通过支腿将力传递到 地面，因此必须保证底架具有足够的强度和刚度。 参照n 1 5 1 型1 5 t 内燃铁路起重机和n s 0 2 0 1 型2o 【铁路起重机底架结构，n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机底架结构确定为焊接多箱形结构，底架钢结构材料主要采用 0 3 4 5 e 。针对本机的起重工况对底架进行了有限元分析在本论文的第3 章对其进行了 优化并根据优化结果改进了底架结构，底架见图1 5 。为了提高起重机作业效率底 架支腿动作采用液压油缸完成，液压油缸见图1 6 。 鬻 r u i 人连交通大学工程硕士学位论文 嚷夥鞠，誊瞩j h2 挂3 时4 髓l 球5 自岫l6 目# i 排7 雠8 戗t n9 十咄l 0 * i 肺特 j i 擎j 菇茂两涝拳曩发起 一 m “一 ，露 转台是起重机用来安装吊臂、起升机构、变幅机构、回转机构、配重、发动机、司 机室、机械室等部分的机架结构，它通过起重机回转支承的连接装在起重机底架上。为 保证起重机的正常t 作，转台应具有足够的剐度和强度，同时为提高起重机通过性，应 使转台的外形尺寸尽量小，对于转台上机构配置应紧凑，使转台受力合理。 通过研究其支撑吊臂、变幅机构、起升机构的三角支架的结构，转台结构确定为全 钢焊接双立墙箱形结构，转台钢结构材料主要采用q 3 4 5 e 。针对本机的起重工况对转台 第章2 0 t 多功能铁路起重机 进行了有限元分析，在本论文的第3 章对其进行了优化，并根据优化结果改进了转台结 构。 i 2 埘j j 砒l4 肺b i t # 1 f l6 l t 8 n tg 自t 姨10 f 蛆i i * n2 t 矩 图17 转台图 f i gi7 d r a f t i n g o f r o t a t i n gp l a t f o r m 1 2 主要性能指标和技术参数的确定 n s d 2 0 1 a 型2 0 l 多功能铁路起重机是以柴油机为动力，采用液压传动为传动形式的 全回转伸缩臂式标准轨距铁路起重机，最大起重量为2 0 t ，最大起重力矩为1 3 8 tm ，起 升机构、回转机构、变幅机构采用液压传动，走行机构采用机械传动上车可3 6 0 0 全回 转，三节伸缩臂结构，整车采用h 型焊接箱型支腿结构，1 3 a 型车钩，m t 一3 缓冲器。2 d 轴焊接式转向架，制动系统采用1 2 0 型空气制动机、踏面制动单元形式。 i2 1 主要起重性能 n s 0 2 0 i a 型2 0 t 多功能铁路起重机各工况主要起重性能数据见表12 。 大连交通大学t 稃硕十学位论文 表1 2 主要起重性能表 t a b l e1 2m a i nl i f t i n gp e r f o r m a n c e 序号起重量( t )幅度( m )回转范围( 。) 是否使用支腿 附注 l2 04 73 6 0 使用最人起重量 22 06 9 3 0使用最大起重力矩 32 51 3 53 6 0 使用 42 043 0 不使用使用均载油缸 51 0 733 6 0 不使用使用均载油缸 1 2 2 额定工作速度 ( a ) 吊钩空载起升速度： ( b ) 吊钩重载起升速度： ( c ) 回转速度： ( d ) 变幅时间： ( e ) 自力走行速度：( 平直线路) ( f ) 回送速度： ( g ) 吊臂伸缩时间： 1 2 3 线路指标 ( a ) 轨距： ( b ) 可通过最小曲线半径： ( c ) 自力运行时可通过最大坡度： 1 2 4 主要结构尺寸 ( a ) 车钩高： ( b ) 转台尾部半径： ( c ) 吊臂长度 全缩状态： 全伸状态： ( d ) 心盘距： ( e ) 车钩连接线长： ( f ) 最大起升高度： ( g ) 支腿跨距： 1 2 1 5 m m i n 1 0 m m i n 2 r m i n 6 0 s 8 0 k m h 1 0 0 k m h 6 0 s 1 4 3 5 m m 1 0 0 m 2 0 8 8 0 m m 2 8 0 0 m m 7 1l m 1 5 2 5 m 3 7 0 0 唧 8 9 1 9 m m 1 2 m 3 7x7 2 2 m 第一章2 0 1 多功能铁路起重机 1 2 5 转向架参数 ( a ) 车轮直径 ( b ) 轴数： ( c ) 轴距： ( d ) 构造速度 8 4 0 r a m 2 1 4 0 0 m m l o o k m h 1 2 6 其它 ( a ) 液压油箱容积： 6 5 0 l ( b ) 柴油油箱容积： 2 9 0 l (c)回送状态自重：46t ( d ) 符合g b l 4 6 卜8 3 标准轨距机车车辆界限车限一1 a ，车限一l b 1 3 主要系统设计 2 0 t 多功能铁路起重机主要由钢结构部分、动力机械传动系统、液压传动系统、操 纵系统、空气制动系统、电气系统等六大系统组成。 1 3 1 钢结构部分 钢结构部分由吊臂、转台、底架、转向架构架、司机室、机械室等组成。其作用是 支承动力装置和各个机构，承受起重机的各种载荷，保护起重机零部件。 吊臂为三节伸臂式吊臂，由吊臂钢结构、伸缩油缸、滑轮伸缩机构等组成。装有托 绳板及排绳滚，保证排绳均匀。起升机构装在吊臂钢结构上。吊臂回缩后，吊臂头部在 车钩中心线以内，不超车辆限界。起重机回送时，无须配备吊臂平车，既可满足高速自 力走行的需要。 底架为焊接多箱形结构，底架钢结构材料主要采用q 3 4 5 e 。侧梁、横梁为焊接箱形 结构，旁承承载。设有h 型焊接支腿，支腿采用液压油缸伸缩。底架装有1 3 a 型车钩、 m t - 3 缓冲器，设有扶梯，便于乘务员上下车使用。 转台为全钢焊接双立墙箱形结构，结构小巧，重量轻，转台钢结构材料主要采用 q 3 4 5 e 。转台装有防转装置，在该车回送时锁死。 司机室为全钢压型结构。按传统习惯布置在上车左前方。装有侧拉式车门，前窗装 有电动雨刷器。司机室内装有操纵手柄和仪表，用于起重作业使用。 转向架主要由旁承、转向架钢结构、弹簧、轴箱、轮对、均载油缸、踏面制动单元 等组成。采用2 d 轴焊接式转向架，旁承承载，心盘牵引。为防止打支腿作业时底架与 转向架脱离，转向架心盘与底架上心盘相连。减震系统为圆簧结构，斜楔摩擦减震方式。 _ 凡连交通人学j 程硕士学位论文 在每个轴箱上方装有均载油缸，为不打支腿作业时使用。旁承盒内需定期注入足量的润 滑物质，保证润滑良好。 龌辫麟 j l 4 _ t t b5h 图】8 转向颦图 f i 9 18d r a f 【m g o f b 硝e l32 动力机械传动系统 动力机械传动系统包括动力装置、上车机械传动装置和下车机械传动装置三大部分 组成。 本机采用引进奥地利技术生产的斯太尔w d 6 1 5 系列柴油机作为起重机的动力源， 该柴油机具有体积小，重量轻，功率大，燃油消耗率低，噪声低，低温启动性能好，排 气污染物的排放量优于欧洲i i 号浊规标准的限值，性能可靠，维护方便的特点。柴油机 的型号为w d 6 1 5 ，额定功率】8 0 k w ，额定转速2 2 0 听m i n ，晟大扭矩大于等于1 0 0 0 n1 n ， 该柴油机为水冷、6 缸卣列、四冲程、直接喷射、增压式柴油机。 下车机械传动装咒主要由离合器、变速器、换向减速器、走行减速器及联轴器等部 件组成。主要实现起重机自力走行和向上车传递动力的作用。 上车机械传动装置由起升机构、变幅机构、伸缩机构、呵转机构等组成。 起升机构主要由制动辨、行星减速器、卷筒组成、钢蝗绳、吊钩组成。液压与达与 行星减速器相连，当液压马达转动时，通过行星减速器内的行星齿轮带动卷筒转动。实 现超升要求。行星减速器内装有常闭片式制动器。起升钢丝绳采用标准钢丝绳，规格为 霭 ! 葑 第一章2 0 t 多功能铁路起踅机 6 1 9 + i w r 1 6 1 7 7 0 ，符合g b 厂r 8 9 1 8 标准规定。起升机构滑轮倍率为6 。吊钩采用标 准吊钩，在吊钩上装有防脱落装置，防止在起升作业时钢丝绳或吊具脱落。 变幅机构采用一个大直径双向油缸完成变幅动作。变幅油缸在高压油的推动下，活 塞杆伸出或缩回，改变吊臂仰角，实现工作幅度的改变。大直径油缸能有效增强起重机 水平作业能力和带载变幅能力。 伸缩机构由双向油缸、伸缩机构等组成。伸缩机构包括钢丝绳、滑轮、固定装置等。 回转机构主要由液压马达、回转减速器、回转小齿轮等组成。液压马达与行星减速 器相连，回转小齿轮安装在行星减速器的输出轴上，当液压马达转动时，通过行星减速 器的行星齿轮系减速后，驱动回转小齿轮转动。实现回转动作。制动器也是常闭式多片 制动器。回转支承选用单排四点接触球式回转支承。具有结构紧凑，承载能力大的特点。 在回转支承外圈上装有油嘴供注润滑脂润滑。 1 3 3 液压系统 牡椭2l 域l 3 目柚哺l4j t t l 3 2 5 - 玛062 i 嬲37 蜩8 蜩9 埘10 “_ l | ，明l2 蕞i1 3l 晕自_ i4 精i 5 卧驰1 6 平| _ l7 帕垃1 8 二醚姆r1 9i - 地2 0l 升驶2 l 蚺2 2 啪l2 3i _ 杠2 4q t 址2 5 住址2 1 5i 鼍h 图1 9 液压原理图 f i g 1 9p r i n c i p l ed r a w i n go fh y d r a u l i cs y s t e m 大连交通大学t 科硕十学位论文 液压系统主要由三联齿轮泵、液压马达、多路阀、平衡阀及胶管接头等组成。该系 统采用手动截流调速、多泵双回路开式循环系统。三联齿轮泵为系统供油，齿轮泵压力 高、转速高、寿命长。起升可三泵合流，提高起升速度。采用机械操纵上、下车两组多 路阀控制机构动作，操纵方便，d c 2 5 多路阀组控制高压油的运动方向，实现各机构动作 及方向变换，f d 3 2 f a l 0 b 6 0 平衡阀控制载荷的下降速度，防止因载荷自重而造成机构 失控。采用开式系统，可使液压系统中的液压油充分冷却、沉淀之后，再进入下一个工 作循环。起升采用变量马达，可实现空载高速，重载低速的目的。吸油滤清器为自封式 结构，将过滤从液压油箱中吸出的液压油；当更换滤芯时，打开端盖，其内部的止阀自 动将油箱中的油液封住，防止漏油；滤清器安装有压差发讯器，当滤芯被污染到一定程 度时，发出报警信号。回油滤清器与吸油滤清器结构原理相同。液压系统油路的额定工 作压力为1 9 5 m p a ，根据液压系统油路执行机构的不同，液压系统油路可分为起升、变 幅、回转、伸缩、伸支腿、均载油缸油路等。 1 3 4 操纵系统 本机操纵系统包括空气动力装置和操纵装置两部分。 空气操纵装置的压力源由空气压缩机提供，空压机安装在柴油机的机体上，由柴 油机驱动，所产生的压力空气经过单向阀、多功能卸荷阀( 减压至7 0 0 k p a ) 到散热油水 分离器，充入总风缸备用。安全阀压力调整至7 2 0 k p a ，以防止多功能卸荷阀失灵而超压。 操纵装置包括离合器操纵装置、换向减速器挂齿操纵装置、变速器操纵装置、柴油 机油门操纵装置、取力器操纵装置等。 1 3 5 空气制动系统 空气制动系统为1 2 0 型空气制动系统，由1 2 0 阀、h 6 操纵阀、踏面制动单元、风缸 组成。踏面制动单元装有斜楔放大机构和间隙调整器，具有闸瓦间隙自动调整功能。1 2 0 型空气制动机具有作用可靠，方便使用和保养的特点。并可同时满足起重机自力运行时 和编挂于列车的制动要求，空气制动系统原理见图1 1 0 。 1 3 6 电气系统 电气系统的作用是为起重机的全部用电设备提供工作电源，对起重机的各种工况进 行控制、监视和保护，以保证起重机能安全可靠的完成各种任务。主要由电源系统、柴 油机控制、液压及传动控制、安全警示信号和安全保护系统、照明系统与附属设备等部 分组成。电气系统标称电压为d c 2 4 v ，供电方式为单线制负极搭铁。 1 6 第一章2 0 t 多功能铁路起雨机 7 冀d f j l ( 7 0 0 k p o ) 8 安全同92 4 0 l 总胜1 0 ，压同 h 6 手饲动同i2 晨针压力表 1 3i b l 均夤凤缸 4 l 旯缸i52 0 t l 1 6 集尘l7 折角蠹门1 8 鞴月 图1 1 0 空气制动系统原理图 f i g 1 1 0p r i n c i p l ed r a w i n go f a i rb r a k es y s t e m 1 4 主要特点 n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机，是集吊钩、抓斗、电磁盘为一体的三用起重机， 是n 1 5 1 、n 1 5 2 型1 5 t 内燃铁路起重机的升级换代产品，它既保持1 5 t 内燃铁路起重机 原有吊钩、抓斗两用的性能，同时，还增加了配置电磁盘的新功能。该机不仅起重性能 大大提高，而且具有一定的牵引能力。n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机具有如下特点： ( 1 ) 起重力矩大，起重能力高。该机最大起重力矩为1 3 8 t m ，打支腿可在6 9 m 幅 度下起吊2 0 t 。 ( 2 ) 整机对称靠置，起重作业范围大。2 0 t 多功能铁路起重机采用对称布置，3 6 0 0 全回转作业，车辆两端皆可作业，作业空间大，特别适用于铁路电气化线路电杆、铁塔 的架设与维护作业。 ( 3 ) 尾部半径小，尾部半径2 8 m ，支腿横向跨距小，支腿横向跨距最大3 7 m 。 ( 4 ) 采用踏面制动单元，高摩合成闸瓦，保证大吨位牵引及高速运行制动力的需要。 ( 5 ) 自力走行速度高，具备灵活机动的特点。 1 7 大连交通人学t 科硕十学位论文 1 5 主要用途 n s 0 2 0 1 a 型2 0 t 多功能铁路起重机主要用于铁路电气化线路电杆、铁塔的架设与维 护，铁路线路施工及维护作业，装卸、牵引、起重作业，同时具有一定的牵引能力，也 可用于设备的安装与拆卸，厂矿散料的装卸，废钢件的清理等。 本章小结 本章对2 0 t 多功能铁路起重机进行了设计，主要包括：主参数及结构的选取、主要 性能指标和技术参数的确定，以及2 0 t 多功能铁路起重机的主要组成系统：钢结构部分、 动力机械传动系统、液压传动系统、操纵系统、空气制动系统、电气系统的设计。 1 8 第二章基本理论 第二章基本理论 2 1 有限元法原理 有限元法是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领 域中的发展和应用。5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理 论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法 在工程上普及。到6 0