（机械设计及理论专业论文）2888tm铁路起重机吊臂金属结构研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 通过深入研究，本论文首次提出了2 8 8 8 t m 铁路救援起重机类椭圆截面吊臂设计 方案，并针对该方案对吊臂总成展开了详细的设计。在经过传统理论验证校核后，借 助强大的有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 对吊臂进行三维实体建模和力学性能校 核。并通过利用其建模、结构分析和优化这三大模块之间的无缝接口，对该吊臂进行 了有限元优化。 首先，本论文对国内外铁路建设和铁路救援起重机做了一些介绍和对比，通过对 比便引出了本论文的研究意义。深入地研究了汽车起重机吊臂结构和铁路救援起重机 吊臂，并在充分消化两者关键技术的基础之上，提出了2 8 8 8 t m 铁路救援起重机三节 伸缩臂类椭圆形截面设计方案。 其次，本文对类椭圆吊臂截面进行了详细的设计。吊臂总成的每一个局部结构， 都经过了深思熟虑。在载荷方面，通过仔细研究铁路救援起重机的各种工作状态和载 荷情况，确定了1 2 种典型工况。工况确定后，经过计算便得到吊臂总成的一部分关键 尺寸参数。 再次，在工况和参数确定后，本文对该起重机进行了传统理论计算。施加恶劣工 况下的载荷于吊臂，计算校核吊臂的强度、刚度和稳定性。由于传统理论计算比较粗 略，各种简化很多，计算精度不高，特别是滑块处的局部应力难以计算，故本文对该 铁路救援起重机吊臂进行了有限元分析，采用的是目前成熟的有限元分析工具一 a n s y sw o r k b e n c h 。在a n s y sw o r k b e n c h 建立吊臂的总成装配模型，并通过网格划分、 加载、求解和后处理完整的有限元分析步骤，对2 8 8 8 t m 铁路救援起重机吊臂的两个 最恶劣工况进行了力学分析。 最后，在有限元校核通过后，通过研究发现，吊臂强度刚度方面还有很大的富余。 故为了提高吊臂的起重性能，本文对其进行了深入地有限元结构优化。在有限元结构 校核分析中，找到影响吊臂起重性能的关键尺寸参数，将这些参数作为优化变量进行 优化，最终使吊臂在满足使用性能的前提下，自重最轻。 关键词：铁路救援起重机；类椭圆截面吊臂；a n s y sw o r k b e n c h ：有限元优化 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h r o u g hi n d e p t hr e s e a r c h ，t h et h e s i sp r o p o s e dq u a s i e l l i p t i c a ls h a p e dc r o s ss e c t i o n d e s i g np r o p o s a lt o2 8 8 8 t mr a i l w a yj i bu n i tf o rt h ef i r s tt i m e i nt h el i g h to f t h es c h e m e ，t h e d e t a i l e dd e s i g no ft h ej i bu n i th a sb e e nl a u n c h e d a f t e rt h ec a l c u l a t i o ni nt r a d i t i o n a lt h e o r y , t h em o d e lo ft h ej i bu n i tw a sc r e a t e di n3 ds p a c ea n di tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sa n a l y z e d w i t ht h ea i do ff o r m i d a b l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sw o r k b e n c h w i t ht h e h e l p o fs e a m l e s sc o n n e c t i o nt ot h em o d e lb u i l d i n g ，s t r u c t u r ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n m o d u l e s ，t h i st h e s i sh a sc a r r i e do nt h ef i n i t ee l e m e n to p t i m i z a t i o nt ot h ej i bu n i t e d a tf i r s t ，s o m ei n t r o d u c t i o n sa n dc o n t r a s tt ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr a i l w a y c o n s t r u c t i o na n d r a i l w a y r e s c u ec r a n eh a v eb e e nm a d ei nt h i st h e s i s a n dt h es i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i sh a sb e e nd e r i v e dt h r o u g ht h ec o n t r a s t t h ed e e pr e s e a r c ho f b o t ha u t o m o b i l ec r a n e j i b u n i ta n dr a i l w a yr e s c u ec r a n ej i bu n i th a sb e e nc a r r i e do n a n dt h ep l a no f2 8 8 8 t m r a i l w a yc r a n e j i bh a sb e e np r o p o s e dw h i c hb a s e do nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fb o t hr a i l w a y r e s c u ec r a n ea n da u t o m o b i l ec r a n e i nt h ef o l l o w i n g ，ad e t a i l e dd e s i g no ft h eq u a s i e l l i p t i c a ls h a p e dj i bh a sb e e nc a r r i e do u t i n c l u d i n gt h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ej i bu n i t e dw h i c hh a sb e e nd e e pc o n s i d e r e d a f t e rt h a t ，b y s t u d y i n gt h ev a r i o u sr a i l w a yr e s c u ec r a n ew o r k i n gc o n d i t i o na n dl o a d ，12t y p i c a lc o n d i t i o n s w a sd e t e r m i n e d ap a r to fk e ys i z ep a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e db a s e do nt h ew o r k i n g c o n d i t i o n s a sf o l l o w e d ，a f t e rt h ed e t e r m i n a t i o no fw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r s ，t h i st h e s i s c a r r i e do nat r a d i t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o nt ot h ej i b t h r o u g ht h ei m p o s i t i o no ft h eh a r s h c o n d i t i o n so fl o a d i n g ，t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t yo ft h ej i bw a sc a l c u l a t e d a n dw e c a nf i n do u tw h e t h e ri tm e e t st h er e q u i r e m e n t so rn o tb a s e do nt h er e s u l t a sw ek n o w , c o m p a r e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，t h et r a d i t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o ni sq u i t e s k e t c h ya n dh a sm a n ys i m p l i f i c a t i o n s t h e r e f o r et h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c yi sn o th i g ha n d i ti sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t et h es l i d e rl o c a ls t r e s se s p e c i a l l y s oa n s y sw o r k b e n c hh a sb e e n u s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er a i l w a yr e s c u ec r a n ej i bw h i c hi sc o n s i d e r e d a sam a t u r ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o l s t h e3 dm o d e lo f j i bs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e di n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a n s y sw o r k b e n c h a f t e rt h a t ，t h em e c h a n i c sa n a l y s i sh a sb e e nt a k e nt ot h et w oh a r s h e s t w o r k i n gc o n d i t i o n so f2 8 8 8 t mr a i l w a yr e s c u ec r a n e sj i ba f t e rf o l l o wo u ta l lf e at y p i c a l s t e p ss u c ha s ：m e s h i n g ，l o a d i n g ，s o l v i n ga n dp o s t p r o c e s s i n g f i n a l l y , b ys m d y i n gt h ef e ar e s u l t ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h e j i bh a v el a r g es u r p l u s h e n c e ，i no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c sc a p a b i l i t i e so ft h ej i b ，i ti s n e c e s s a r yt oc a r r yo nt h ef e as t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o ri t i nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r o c e s s ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tj o b si s t ol o c a t et h ep a r a m e t e r sw h i mh a v eag r e a t i n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c sc a p a b i l i t i e so ft h ej i b ，a n do p t i m i z et h e s ep a r a m e t e r s a n df i n a l l y , t h ej i ba c h i e v e sl i g h t e rw e i g h tu n d e rt h ep r e m i s eo fe n o u g hs t r e n g t h ，h i g hs t i f f i a e s sa n dg o o d s t a b i l i t y k e y w o r d s ： r a i l w a y r e s c u ec r a n e ；q u a s i - e l l i p t i c a lc r o s ss e c t i o nj i b ；a n s y s w o r k b e n c h ；f i n i t ee l e m e n to p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 我国铁路发展现状 面对全球经济的复苏，和一系列的经济刺激措施的施行，我国铁路发展正处于黄金 发展阶段。 铁路作为我国交通运输的主要支柱之一，它承担着大量的物质和客流的流通重任， 被称为中国土地上的动脉，将养分输送到国家的各个部位。回顾过去我国几十年的铁路 发展，铁路交通发生了翻天覆地的变化。虽然从历史上看来，相比于发达国家铁路，我 国铁路建设发展比较慢，并且还有比较大的差距，但是自从党的十六大以来，我国铁路 建设方面开始发生很大的变化，并且通过抓住机遇，加快发展，使得我国的铁路交通运 输取得了举世瞩目的成就! 【l j 根据中长期铁路网规划，截止于2 0 1 0 年底，全国要初步建立发达完善的铁路网。 其中比较明显的数据就是：我国电气化率、复线率要均达5 0 以上【2 】，铁路营业里程达 到1 l 万公里。在此阶段，我国铁路“瓶颈”制约情况得到基本缓解。到2 0 1 2 年，我国要 基本建成以“四纵四横”为骨架的全国快速客运网，届时铁路营业里程将达到1 1 万公里， 并且全国将有8 0 0 多座新客站投入运营，铁路客、货运压力将逐步减少。尽管我国铁路 在过去的六十多年里取得了喜人的众多成绩，但我国的铁路还是有待进一步的发展，其 主要原因如下。 我国是一个大陆型国家，幅员辽阔。东西跨度达5 4 0 0 余公里，南北跨度5 2 0 0 多公 里。东西南北之间的物资以及人口往来就迫使我国需要建设一个物流便捷、运能合理、 功能全面的铁路运输网络。虽然我国现有铁路里程居世界第二，不过就目前形势看来我 国铁路运营里程仍然很少，铁路网人均密度在世界上排名第1 1 6 位，居倒数第1 9 位，人 均占有量仅为瑞典的三分之一，美国的四分之一。然而中国却用这占全世界6 5 的营业 里程完成了全球2 5 的铁路运输量，运输负荷是世界平均水平的4 倍，这是一个吃惊的 数据! 据统计，从1 9 7 8 年至2 0 0 6 年，全国货运总量从2 4 5 亿吨增加到了1 8 5 亿吨以上， 平均增长为7 7 ，然而与此不对称的是铁路货运量平均增长仅有3 4 ；相比于货运， 客运的发展压力更为显著。全社会客运量从2 5 4 亿人增长到了1 8 4 7 亿人，年均增长为 7 6 ，而铁路客运量年均增长却只有1 3 ，远远满足不了社会对客运的增长【3 】。 众所周知，在春运和长假等一些客流量高峰期，铁路客运承担着相当大的压力。中 国由于自有的一些特殊性，每年外出打工人员、外出求学人员很多，人口流动大，特别 是像广东、深圳、长三角和珠三角等一些沿海城市，外地人口密集。由于铁路客运运力 不足，导致一票难求的事情时有发生，很多外地务工人员和学生有时候不得不选择异地 过节和度假。即便是能够买到票，也不一定能够舒服地回家，因为在春运等繁忙时期， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 火车车厢严重超载是很正常的事情，火车过道上都满满地站着人，乘客毫无旅途质量可 言。火车的超载，不仅使得乘客很难受，还会对机车车辆和路轨造成巨大损害，导致机 车车辆和路轨磨损严重，这就极大地缩短了机车和铁路钢轨的寿命，直接导致火车事故 的发生概率的增长；另外在货运方面，由于我国资源分布范围大，比如山西产煤，江西 富含铜矿，攀枝花富含铁矿等，并且这些资源往往是要运送到沿海等地进行加工制造， 加工后的产品是销往全国各地甚至是全世界，这就直接产生了大量的物流量，故每年都 会出现“火车难请”的局面。 针对于铁路运输“瓶颈”问题，我国高度重视铁路发展，主要从两个方面着手：一 是靠扩建铁路新线；二是扩大再生产，挖掘运输潜力【4 】。特别是对于第二种方案，到目 前为止，铁道部已经对铁路进行了六次大提速。这六次大提速，直接使客运能力增长了 1 8 以上，货运增长了1 2 以上，客货运输能力大幅提升，有效缓解了铁路运输的紧张 局面，为社会的和谐发展提供了更加有力的运力支持1 1 2 高速铁路建设与发展 高速铁路，指的就是最高运行时速超过2 0 0 公里的铁路【5 】。众所周知，铁路作为陆 地上经济的、大运量的交通工具，在我们的物资经济生活中占着非常重要的地位，为我 国物资流通和客流流通做出了巨大贡献。随着我国每年客、货流的快速增长，铁路运输 面临着更为严峻的挑战。这种铁路运力的“瓶颈”严重限制了物资的流通以及社会经济 的和谐稳定发展。面对这种形势，我国必须加强对铁路运输内部体制改革和运输手段的 技术创新，快速实现铁路的高速化、重载化和现代化。 高速铁路作为当今世界铁路高新技术的一项重大成就，它在世界许多国家得到快速 发展。首先是1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高铁，到目前为止，日本已经拥有4 条新干 线，虽占日本铁路的总营业里程的1 0 不到，却承担了该国客运周转量的3 3 【6 】，由此 足见高速铁路所孕育的价值及能量。自此以后，法国、西班牙、英国、德国、美国和意 大利等发达国家也相继发展高速铁路。比如法国的t g v 商业运行时速已经超过了3 0 0 公里，运行最高时速已经达到5 1 5 3 公里，并且已经安全行使了2 0 亿公里。据统计，目 前全世界正在修建和己投入运行的高速铁路里程已经超过1 4 万公里，占到总营业里程 的2 左右。欧洲方面，通过对旧线路的改造和新建约3 0 的路段，预计到2 0 1 5 年欧洲 高速铁路网总长将达3 万公里。与此同时，世界上很多国家都也开始了自己相应的高速 铁路规划。由于高速铁路的种种优势，使得其在全世界范围内迅速发展，中国是其中主 要国家之一。 相比于日美等发达国家，中国高速铁路起步较晚，但发展却很迅速。中国高铁的迅 速发展，其实是大势所趋。中国人口众多，地域辽阔，资源分散度很大，再加上地区之 间发展的不平衡，铁路运输一直以来都是我国交通运输的大动脉。随着我国近年来经济 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的飞速增长，原有紧张的铁路运输系统将严重地限制我国的工业化进程。所以近几年来 得到国家相关部门领导人充分重视，并采取了有力的措施，不断提高列车的运行速度。 并且除了通过对原有线路进行改造外，还不断新建新的线路。2 0 0 8 年4 月我国京沪高速 铁路正式开工，该线路被誉为我国迄今为止技术含量最高，投资规模最大的高速铁路。 全线长1 3 1 8 公里，全部为新建双线，设计时速为是3 5 0 公里，共设有2 0 多个客运车站， 初步运营时速为3 0 0 公里。预计到2 0 2 0 年，全国将形成系统高速铁路网，其中八成以上 的大城市将会被高速铁路连接【7 】。故加快对既有线路改造和新线建设，增加路网规模总 量，完善路网体系，提高路网质量，构建覆盖我国主要城市间的高速客运网络是我国近 期的铁路建设重点。 由于我国高速铁路起步较晚，故我国高速铁路与发达国家之间还是存在一定的差距。 唯有利用好后发优势才能更快、更进一步地缩小与发达国家之间的差距。其主要包括在 引进发达国家的先进技术和装备的基础之上，学习并借鉴其成功经验，从而实现中国高 速铁路的跨越式发展【8 】。正因为与发达国家之间存在较大的差距，所以我国高速铁路还 有很大的发展空间和潜质。事实上，我国已经在这方面做出了巨大的努力。通过我国自 主创新和对外技术引进，中国用4 年的时间跑出了世界惊叹的“中国速度”。到2 0 1 2 年， 全国将进入1 8 小时生活圈，届时中国的铁路交通“瓶颈”问题将得到实质性的改善! 随着世界高速铁路技术的不断发展，高速列车运营速度稳健提升。相比于其它运输 方式，由于高速铁路具有节约时间、改善旅行条件和节约旅行成本等诸多优势，高速铁 路在全世界表现出强劲的发展势头。中国高速铁路也正在以其快速的步伐，实现跨越式 地发展。中国的高速铁路运营和发展表明，中国高速铁路建设和发展是极具生命力，我 们有理由相信中国高速铁路前景将会是一片光明。 1 3 铁路事故与救援 由于我国铁路建设的高速发展，铁路客、运货运的大幅提升，运力虽较之前有所改 善，而由于运力的增长远小于国家对运力的需求，所以我国现有的铁路运力大部分还是 处于超负荷运转阶段，这样就会直接导致铁路车辆磨损和疲劳，再加上各种规章制度的 不完善，导致铁路行车事故时有发生，给人民的生命和财产造成了巨大的损失。本论文 初步列举了从9 1 年开始至2 0 0 8 年间的铁路重大事故 9 】： 1 9 9 1 年6 月1 3 日，1 0 9 次旅客列车在运行至津浦线新马桥与曹老集间，与前面的 1 3 2 9 次货车追尾，导致2 8 名旅客和列车乘务员受伤，1 0 9 次副司机死亡，行车中断了 1 8 小时3 7 分； 1 9 9 1 年8 月1 8 日，2 4 7 次列车运行至京广线大瑶山隧道时，因列车人员误判发生火 灾而在大瑶山隧道内停车，当时旅客纷纷下车和跳车，正遇邻线列车通过，造成多名旅 客伤亡； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 9 9 2 年3 月2 1 日，2 1 1 次旅客列车在浙赣线五里墩车站与进站的1 3 1 0 次货车发生 碰撞，造成4 0 名旅客伤亡，2 台机车和9 辆客货车报废，行车中断3 5 小时； 1 9 9 3 年7 月1 0 号，1 6 3 次旅客列车运行到京广线新乡南场至七里营之间，与2 0 1 1 次货车追尾，造成4 0 名旅客和乘务员死亡，9 人重伤，3 9 人轻伤。物资方面，机车中破 1 台，3 辆客车报废，小破1 5 辆。1 辆货车报废，2 辆大破，行车中断1 1 小时1 5 分； 1 9 9 4 年1 月1 5 日，2 5 0 次旅客列车运行至漯宝线余官营车站时和在站内停留的3 1 7 3 次货车发生正面相撞，造成旅客和铁路职工7 人死亡，1 2 人受伤。其中襄樊客运段职工 死亡1 人，1 1 人受伤。1 台内燃机车报废，1 台蒸汽机车大破。1 辆货车报废，2 辆大破， 2 辆中破、1 辆小破，行车中断3 小时9 分； 1 9 9 7 年4 月2 9 日，3 2 4 次旅客列车在运行至京广线荣家湾时和停在该站长沙开往茶 岭的8 1 8 次旅客列车发生碰撞，导致1 2 6 名旅客和乘务员死亡，4 5 人重伤，1 8 5 人轻伤： 1 9 9 9 年7 月9 日，4 6 1 次旅客列车运行到衡阳北和衡阳车站间发生脱轨，导致9 名 旅客死亡，1 5 人重伤，2 5 人轻伤。5 辆客车报废，4 辆大破，2 辆中破，1 辆小破； 2 0 0 6 年4 月1 1 日北京时间9 时3 2 分，t 1 5 9 次列车行至广铁集团管内京九下行线 林寨站和东水站间，由于信号发生故障，导致司机误判防护区间没有列车而盲目行车， 并以4 8 公里的较快时速撞上正在停靠的武昌开往汕头的1 0 1 7 次列车，造成1 0 1 7 次列车 的最后4 节车厢脱轨。事故导致1 8 名旅客受伤和2 名铁路职工死亡。 2 0 0 7 年2 月2 8 日北京时间2 时0 5 分，5 8 0 7 次列车运行至南疆铁路珍珠泉至红山渠 站间4 2 3 公里处时，由于瞬间大风导致该次列车机后9 至1 9 位车厢发生脱轨，并导致 旅客死亡3 人，旅客受伤3 4 人。 2 0 0 8 年1 月2 3 日北京时间晚上8 点4 8 分，动车组d 5 9 次列车运行至胶济线安丘至 昌邑间时，由于发生重大路外交通事故而导致1 8 人死亡，9 人受伤的事故。 2 0 0 8 年4 月2 8 日北京时间早上4 时4 1 分，t 1 9 5 次列车运行到胶济铁路周村至王 村之间时发生脱轨，与5 0 3 4 次列车发生碰撞。该事故导致7 2 人死亡、4 1 6 人受伤。 正式因为我国铁路事故频频发生，所以铁路救援起重机对于挽救人民的生命及财产 起到至关重要的作用。作为特种救援车辆，铁路救援起重机主要承担铁路机车车辆行车 倾覆和脱轨事故救援工作，当然也可用于架桥、重大建筑构件与设备的安装和重大整体 物品的装卸。出于我国铁路建设和发展的现代化要求，铁路救援起重机越来越受到我国 重视。特别是目前我国正在加快高速铁路的建设，铁路上运行的车辆都必须得到更加安 全的保障，这就对铁路救援起重机设计提出了更高的要求。新时期设计和研发出更先进 和功能更完善的铁路救援起重机更是摆在设计师面前的一项重任。因此，我们应该更加 深入地投入到铁路救援起重机的研发，并通过不断地创新，设计出新一代的高性能铁路 救援起重机! 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 国内外铁路救援起重机 1 4 1 国内铁路救援起重机发展现状 随着近年来我国铁路的高速发展，铁路交通事故时有发生，铁路救援起重机技术越 来越受到我国的重视。 改革开放以来，由于铁路市场的快速发展，各种科技的日新月异和对外技术交流的 日益增多，使得我国铁路救援起重机的设计和制造水平得到了很大的提高。目前我国已 经形成了相对完整的铁路救援起重机吨位系n - 6 1 6 0 t ；吊臂的形式有定长臂和伸缩式 吊臂两种方式，定长臂又分为桁架式和实腹式；传动方式有机械式，液力式和全液压式 这三种；动力装置也由原有的蒸汽动力转化成了内燃动力。纵览我国铁路救援起重机的 整个发展历程，主要分为以下几个阶段【4 j ： 1 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代，由于铁路线路简单、速度不高、运量较少，行车事 故问题不明显。并且出于技术和经济落后等原因，铁路救援起重机绝大多数用途 是货物的装卸作业，所以对于各项技术要求不是很高，适应性、机动性和作业效 率也很差。当时这些起重机都是以蒸汽机为动力，依靠机械传动。回送速度和起 重量也比较低，回送速度小于7 0 k m h ，起重量在1 5 6 0 t 之间。 2 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代中后期，由于我国铁路发展，铁路行车安全问题受到 了关注。蒸汽型铁路起重机机动性能不好、起重能力差以及连续作业能力低下等 方面的缺点暴露，对于处理行车事故的要求也是捉襟见肘。因此研制了以内燃机 为动力源的铁路救援起重机。该起重机相对于蒸汽为动力的起重机各方面性能得 到了很大的提升。主要表现为：回送速度达到了8 0 k m h ，最大起重量提高到1 0 0 t 。 故而使其适应性、作业效率及机动性得到了较大的改善。并且由于该起重机引入 了液压传动技术，使得起重机可靠性和稳定性大大提高。 3 第三阶段：2 0 世纪7 0 年代后期，我国铁路快速发展，行车事故造成了很大的影 响，铁路救援起重机的性能也急需改善。这阶段的铁路救援起重机开始实施机、 电、液一体化改造，并且深入地应用了液压技术，机械传动已经全面被液压传动 所取代。 4 第四阶段：2 0 世纪8 0 年代末，面对铁路上更苛刻的救援需求，n 1 6 0 型全液压 内燃铁路起重机应运而生。其最大起重量达到了1 6 0 t ，在铁路复线区段脱轨的机 车可以利用该型起重机一次起吊复位，有效改善了铁路起重机的单机作业能力、 机动性能和作业效率。在此阶段，还研制出了n 1 2 5 机型以满足不同的需要，铁路 救援起重机初步完成系列化。 5 第五阶段：2 0 世纪9 0 年代，这个时期对铁路救援起重机提出了更高的要求，即 铁路救援起重机需要在线下和隧道内作业。由于作业空间的限制，定长臂铁路救 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 援起重机在电气化铁路线上进行起重作业需要拆除高压供电网，这对铁路运输产 生了严重的影响，而隧道内有时根本无法进行起重作业。为了满足电气网下和隧 道内的起重、救援作业情况，在2 0 世纪9 0 年代中后期，由西南交大牵头，联手 北京铁路局和武汉桥机厂等多家单位，研制出了q t j s l 6 0 型全液压三节伸缩臂铁 路救援起重机，并按照实际需要，还进一步完善了铁路救援起重机吨位系列，此 时铁路起重机进入一个全新的发展时期。 6 第六阶段：2 1 世纪初，铁路救援起重机各方面性能的研究越来越深入。其中主 要方向是以大起重力矩双回转为代表的铁路救援起重机。在此阶段，国内大量学 者在高性能吊臂、双回转转台、底架、控制系统等关键部件设计方面提出了很多 值得参考的优秀设计方案。 纵观国内铁路救援起重机发展历程，我国铁路救援起重机在过去的几十年中获得了 巨大的进步，为新时期铁路救援提供了安全保障。主要体现在几个方面：起重能力的提 升，起重机可靠性，作业效率和对恶劣工况的适应性等。 1 4 2 国外铁路救援起重机 国外铁路救援起重机发展迅速，其可靠性，安全性能等指标都十分优异。目前已经 形成了比较完整的吨位系列：5 - 2 0 0 t 。从蒸汽到内燃驱动，从机械到全液压传动，国外 铁路救援起重机一直跑在中国前面。 其中以德国为代表的优秀铁路救援起重机设计和制造单位有：g o t t w a l d 和 k i r o w 。在此前g o t n l d 就已经设计并制造出起重量达2 0 0 t 的伸缩臂式铁路救援 起重机，该起重机起重性能优良。k i r o w 作为铁路救援起重机的巨头之一，目前也有 比较完整的吨位系列。其控制系统的先进性，良好的机械可靠性已经受到了业界的广泛 认可。其双回转，便捷的维护系统等关键技术使得该公司产品在全球市场所向披靡。另 外值得一提的是它的自身调平装置，可以使其能够在两条铁轨有1 6 0 m m 高度差的情况 下作业。即使起重机吊重行驶，也可以根据轨道的高度差进行调整。据今日起重机 杂志报道，在前德意志民主共和围时期，k i r o w 生产了多达5 0 0 0 台铁路救援起重机，其 中约6 0 左右销售给前苏联。自2 0 世纪9 0 年代中期以来，k i r o w 公司开发出“多用途” 伸缩臂起重机系列，从主要用于架设桅杆和隔音屏障、起重量为1 0 2 5 t 的1 0 0 型，到用 于桥梁工程、道口更新改造和铁轨铺设的起重量为2 5 1 2 5 t 的机型，再到用于抢修和救 援任务和重大桥梁工程的起重量为1 0 0 1 6 0 t 的1 6 0 0 型8 车桥起重机机型构成了比较完 善的起重机系列。 另外于2 0 0 0 年成为l a n g l e y 控股公司一部分的c o w a n ss h e l d o n 公司，曾大量生产 过铁路救援起重机，但现在生产得很少了。但是尽管如此，该公司仍然提供全系列“多用 途”起重机，有伸缩臂、桁架臂、抢修臂以及双臂等各种配置，起重量在6 5 2 0 0 t 之间， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在整个非洲铁路行业的占有率非常高。印度铁路公司拥有1 4 台该公司生产的c c s 1 4 0 。1 0 t 起重机，1 0 m 幅度额定起重量为1 4 0 t 。这种起重机配备了结实耐用的桁架臂和 钢丝绳变幅系统，适用于抢修和救援作业。另外还有位于法国塞纳河畔纳伊的g e i s m a r 公司，生产先进的铁路起重机系列产品，包括用于交叉口和铁路道口更新改造的l e m 和p e m 系列吊装和搬运起重机【1 0 】。 许多欧美等国家的铁路救援起重机都是在轮式起重机基础之上改装而成，故铁路救 援起重机的发展是基于轮式起重机技术，并且铁路救援起重机还存在自身的特殊性和技 术性。 1 4 3国内外铁路救援起重机对比 在近年来，我国铁路救援起重机取得了显著的成果。下面列举国内外部分铁路救援 起重机性能参数。 表1 1 国内外铁路救援起重机关键参数对比 从上面参数看出，我国生产的起重机在起重力矩方面有一定的优势，自重也比较轻， 起重能力要更高。但是尽管近代我国铁路救援起重机取得了长足的进步和发展，相比于 国外先进铁路救援起重机，还是有一定的差距，主要体现在以下几个方面： 1 结构的可靠性 影响结构可靠性的最主要因素就是焊接技术。对于高强度钢的焊接技术的掌握， 相比于欧洲等发达国家还有一定差距。目前我国铁路救援起重机用的比较广泛的金 属结构材料是5 6 0 m p a 级别的高强板，而在国外最大已经达到1 3 0 0 m p a 。由于焊接 技术的差距，直接导致了焊件疲劳强度不足，焊接变形控制差等缺陷。除此之外， 还将严重限制高强度材料的引用，这样就直接使得我国铁路救援起重机体型偏大。 2 零部件可靠性 目前由于我国工业基础还比较薄弱，所以我国机械零部件的整体制造水平还比较 落后，有些甚至严重地制约了我国机械行业的发展。例如发动机的设计制造，目前 铁路救援起重机广泛采用康明斯发动机就是美国生产。此外液压元件这一块，一般 都是采用进口元件以保证液压系统的密封性和耐久性。零部件是机器的器官，其可 靠性是至关重要。往往一个小小的零部件出现问题都会使整个部件失效，国外在这 方面研究比较深入【1 1 】【1 2 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 控制系统可靠性 在各种恶劣工况下，铁路救援起重机控制系统必须保持绝对的鲁棒性，能够在高 低温、高干扰状况下稳定工作。这就依赖于控制系统的高可靠性。相比于其它发达 国家，目前我国的控制系统这方面还不是很强。 4 安全性能 铁路救援起重机的安全性能是至关重要的，在铁路救援现场首先要保证的是铁路 救援人员和起重机的安全才能开展好救援工作。例如k i r o w 的1 6 0 t 铁路救援起重 机，其安全性能十分优异。由各种传感器组成神经网络随时监控起重机的各项安全 指标。前面提到的自动调平系统，能够在轨道高度差达1 6 0 r a m 时候安全稳定运行， 控制精度也很高，这是国内许多救援起重机很难达到的一方面。 5 控制系统的智能化 控制系统的智能化能够大大减少司机的操作难度和强度，国外起重机智能化程度 很高【1 3 】【1 4 1 【l5 1 ，在救援过程中司机劳动强度大大降低，并且救援效率也大大提高。 6 专家系统 国外部分铁路救援起重机已经在开始尝试应用专家系统。如此起重机一旦出现故 障能够迅速地进行修复。甚至部分公司生产的起重机已经开始采用黑匣子功能，这 样更加能够保障系统安全稳定运行。 7 方便维护 国外铁路救援起重机维护比较方便，甚至l 0 7 o h 1 1 0 0 。 故： 叫= 0 3 5 0 b f + 0 一s a s 5 9 7 m p a 为安全起见，理论校核取 o 】= 5 6 0 m p a ，有限元计算相对精确，取5 9 7 m p a 2 滑块材料： 铸青铜 滑轮组材料： m c 尼龙 3 3 工况设计及危险工况 3 3 1 工况设计 为了满足吊臂不同的作业情况，就必须对吊臂工况进行设计，工况设计主要为吊臂 伸缩长度的匹配。合理布置吊臂的伸缩长度和变幅角度将改善吊臂滑块处受力，增强吊 臂的承载能力。吊臂在各种工况下的伸缩长度都是经过严格的计算，其主要计算依据就 是尽量使唇口处滑块的受力大体一致。 图3 - 5 吊臂结构长度简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 列方程： ( l 3 - m 1 一萼) x f = f 2x ( l 3 - 珐一m 1 一丁k 3 一k 2 - ) ( ”屿一韵x f = f ix ( l 2 - 也一导一争 令： f 1 = f z 再根据合理的起升高度( 表3 - i 所述) 计算、圆整，各工况下吊臂伸缩长度便可以 求到： 表3 2 工况设计 3 - 3 2 危险工况 表3 2 展示了起重机所工作的1 2 个典型工况，各种工况都是该铁路救援起重机实际 作业所常遇到的一些常规载荷情况。对于工况1 ，该吊臂最大起重量为2 0 0 t ，仰角最大 为5 2 1 9 。，此时吊臂受到比较大的正压力，二节臂和三节臂全缩，搭接长度最长：在 工况9 工作时，起重机各节臂根部受到最大的弯矩，吊臂受力最为恶劣；在工况6 工作 时，起重机吊臂根部受到很大的弯矩，并且在该幅度下，起重机的起重量是最大的，即 为2 0 0 t 。所以综合考虑该工况，可知起重机吊臂受载很大；其余工况都是介于三者之间， 故不作详细讨论。 通过以上初步分析可以得出：虽然起重机工况有很多，但对起重机起制约性的工况 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 不多，2 8 8 8 t * m 铁路救援起重机可能的最危险工况有：工况6 、9 。故在设计当中只需要 按照这两个工况进行设计就可，其余工况只作为校核工况处理。 3 4 载荷组合 载荷的确定一般有两种方法，有理论分析和实验标定3 4 1 。由于目前理论计算是很成 熟的算法，所以这里只需要通过理论分析来确定。作用在铁路救援起重机上的载荷有很 多种，包括：货物重量、自重、风载荷、惯性载荷等。通常根据起重机不同的工作特点 和出现的频繁程度，起重机载荷分为四类：常规载荷、偶然载荷、特殊载荷和其他载荷 【1 8 】 o 但实际上这四类载荷不可能同时作用于吊臂，在计算过程中，应当考虑最不利的载 荷组合进行设计。在g b 3 8 11 - 2 0 0 8 中，流动式起重机载荷组合分为三类：载荷组合a 、 载荷组合b 、载荷组合c 。在设计计算过程中为了保证铁路救援起重机满足设计要求， 就要选择最恶劣的载荷组合进行加载计算。考虑到实际工作最危险情况，选择载荷组合 为b 1 类载荷。主要考虑的载荷为： 1 常规载荷 自重载荷：t p l p g 起升载荷：妒2 p o 水平惯性力：尸h 2 偶然载荷 风载荷： 3 5 吊臂校核 3 5 1 工况6 校核( 2 0 0 t 1 4 m ) 1 吊臂受力分析 a ) 变幅平面强度计算载荷 吊臂受力图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 图3 6 变幅平面吊臂受力简图 图3 - 7 变幅平面吊臂计算简图 垂直载荷q ： 】 q = 妒2 ( q o + c o ) + i 妒1 g j 式中： q o 一额定起重量，q o = 2 0 0 t g o 一吊钩重力，g o = 0 5 t g 一吊臂重力，g = 4 7 9 7 5 t 妒1 一起升冲击系数，妒1 = 1 妒2 一动力系数，妒2 = 1 1 q = 2 3 1 8 1 0 8 良 起升绳拉力s ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 口一滑轮组倍率，1 2 = 6 7 7 一滑轮组效率，7 7 = 0 9 5 由q 、s 引起的轴向力n ： 式中： s = q 0 2 ( q o + c o ) a o s = 3 7 9 1 9 1 k n n = s c o s 卢1 + q s i n u u 一吊臂仰角，t l = 3 2 1 4 0 卢1 一钢丝绳与吊臂夹角，尻0 。 = 1 6 1 2 4 0 1 k n 由q 、s 引起的横向力砭： 己= qxc o s u s s i n # l r z = 1 9 6 2 8 6 0 七j 由q o + g o 和s 引起的臂端力矩m f v ： m z y = 妒2 ( q o + g o ) e a s i n u s e z c o s # l 式中： e 2 = 一p 120 8 m m z v = - 1 2 2 3 2 2 3 k n m b ) 变幅平面刚度计算载荷 垂直载荷q ： q = ( 2 0 = 1 9 6 0 k n 起升绳拉力s ： s ：鱼= 3 4 3 8 6 0 七 a t 由q o 、s 引起的轴向力： j = s c o s f l l + ( 2 0 s i n u = 1 3 8 6 5 6 0 k n 由q o 、s 引起的横向力为瓦： 足= ( 2 0 c o s u s s i n f l l = 1 6 5 9 6 3 1 k n 由( 2 0 和s 引起的臂端力矩m v ： m z y = ( 2 0 e l s i n u s e 2 c o s # l = - 1 1 0 9 2 5 0 k njm c ) 回转平面强度计算载荷 货物偏摆侧向力： t h = ( q o + g o ) ：；( t a r a 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 式中： 仅一货物偏摆角，a = 5 0 n = 1 7 1 9 0 6 k n 吊臂迎风风力和吊臂质量惯性力死： t b = 4 2 0 3 k n 臂端o n , 0 向载荷瓦： l = h + 瓦= 1 7 6 1 0 9 k n q 、s 引起轴向力j ： n = 1 6 1 2 4 0 1 k n d ) 回转平面刚度计算载荷 货物