（机械设计及理论专业论文）qtjs160t铁路起重机底架的有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文利用有限元分析软件a n s y s 对q t j s l 6 0 t 铁路起重机底架进行结 构分析与研究。 论文对a n s y s 软件进行了简要的介绍，然后充分利用a n s y s 强大的结 构分析和接触分析功能，采用把车架、支腿和销轴分别建模，再把它们组合在 一起的方法，对底架结构进行强度分析，对车架、支腿和销轴接触处进行非线 性接触分析。 论文分析、计算结果表明，q t j s l 6 0 t 铁路起重机底架结构满足强度要求， 论文给出了车架、支腿和销轴联接处的局部应力情况，指出车架在回转支承圈 处存在应力集中部位。1 分析结果为大吨位铁路起重机底架的设计与改造提供了 理论依据。文章进一步提出了改善车架结构的建议，提出了对底架结构进行整 体分析的建议，力图使今后的设计和分析更加精确、可靠。、一、 关键词：整堕塑重机底架强度分析有限元法 - 一 一 一 a b s tr a o t t h i st h e s i se m p l o y sf e a s o f t w a r ea n s y st oa n a l y z ea n dc a r r yr e s e a r c ho nt h e s t r u c t u r eo f q t j s1 6 0 tr a i l w a yc r s n e sc a r r i e rf r a m e t h r o u g ht h ep o w e r f u ls t u u e t u r ea n s l y s i sa b i l i t yo f a n s y s ，t h et h e s i sc r e a t st h e f e am o d e l so f c a r r i e rf r a m e ，o u t r i g g e r sa n dp i n ss e p e r a t e l ya n d h a st h e mc o m b i n e d t h ec a r r i e rf r a m es t r u c t u r e si n t e n s i t yi sa n a l y z e d n o n l i n e rc o n t a c ta n a l y s i si s a p p l i e d t ot h ec o n t a c tp o s i t i o no f c a r r i e rf r a m e ，o u t r i g g e r sa n dp i n s t h ec o m p u t i n gr e s u l t so f t h et h e s i ss h o w s t h a tq t j s1 6 0 tr a i l w a yc r a n e sc a r r i e r f r a m eh a sm e tt h ei n t e n s i t yr e q u i r e m e n t s t h el o c a ls t r e s so f t h ec o n t a c tp o s i t i o no f c a r r i e rf r a m e ，o u t r i g g e r sa n dp i n si sp r e s e n t e d t h ed a n g e r o u sp o s i t i o n so ft h e c a r r i e rf r a m ea r ep o i n t e do u t t h et h e s i sf o r m sat h e o r yb a s ef o rt h ed e s i g na n d i m p r o v e m e n t o f t h ec a r r i e rf l r m e s e v e r a li m p r o v i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y , t h et h e s i sp r o v i d e st h ei d e ao nt h es t r u c t u r ea n a l y s i so fc a r r i e rf r a m et om a k et h e f u t u r ed e s i g na n d a n a l y s i sm o r e r e l i a b l ea n da c c u r a t e k e yw o r d s = r a i1 w a yc r a n e c a r r i o rf r a m e i n t e n s i t ya n a l y a i s f i n ；t ee i e m e n tm e t h o d 要堕壅塑查堂堡主塑窒皇兰焦笙壅 墨一里一 1 1 我国铁路建设现状 第1 章绪论 我国地域辽阔，人口众多，资源分布不均，地区经济发展不平衡a 因 此，铁路长期以来在中国交通运输体系中一直起着骨干作用，而且由于铁 路的技术经济特性，铁路事业的发展对中国当前实施可持续发展具有重要 意义。改革开放以后，国民经济快速发展，铁路客货运量猛增，铁路运输能 力全面紧张。八十年代铁路建设的重点主要放在提高产煤省份煤炭外运能 力和加强沿海港口后方铁路的运输能力，特别是运输“卡脖子”区段通过 能力方面。在此期间，先后建成了京秦、大秦、兖石、新菏、皖赣、青藏铁 路哈格段、南疆铁路吐库段等铁路新线。增建胶济、同蒲、石德、陇海东 段、京广南段、沪宁等铁路第二线，对丰沙大、石太、太焦、成渝、贵昆 等铁路进行了电气化改造。到1 9 9 0 年末，铁路营业里程达到5 3 3 7 8 公里， 复线1 3 0 2 4 公里，电气化里程6 9 4 1 公里。地方铁路达到4 4 2 4 公里。“八五” 期间，我国铁路建设以缓解运输紧张状况为重点，突出干线通道的建设。 特别是邓小平同志南巡讲话发表以后，国民经济高速发展，铁路运输紧张 状况加剧。党中央、国务院高度重视铁路的发展，相继出台了一系列政策 措施，铁路进入了一个新的发展时期。从1 9 9 0 年至1 9 9 6 年，全国铁路营 业晕程增加了7 1 2 9 公里，达到6 4 9 万公里，其中包括合资铁路3 0 4 3 公罩， 地方铁路5 2 1 0 公里，国家铁路复线为1 8 4 2 3 公里，电气化铁路为1 0 0 8 2 公 里。京九、宝中、兰新复线、浙赣复线、大秦线i 亿吨配套工程、侯月线、 广深准高速铁路、北京西站等相继建成投产，使路网布局有了较大改善， 运输能力得到提高，为国民经济持续、快速、健康发展创造了条件。“八五” 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 期末，我国内燃机车的生产能力为6 0 0 台，电力机车为3 0 0 台，客车为3 1 0 0 辆( 含路外工厂能力2 0 0 辆) ，货车为4 8 0 0 0 辆( 含路外工厂能力9 0 0 0 辆) 。 1 9 9 2 年8 月，国务院批准中央与地方合资建设铁路的政策。合资建设铁路 的政策实施，调动了中央和地方建设铁路的两个积极性，带来了铁路建设 和运营体制上的变革，加快了铁路建设速度，促进了地区经济的发展。至 1 9 9 8 年，全国建成的合资铁路有三茂线、集通线、阳涉线、舍九线、广梅 汕线、漳泉肖线、成达线、西一、北疆线和孝柳线，正在建设的有广大、 金温、石长、横南、邯济、水柏、朔黄等铁路。为解决铁路建设资金短缺 问题，1 9 9 1 年3 月，国务院批准设立铁路建设基金，并先后两次提高征收 水平。目前基金总水平达到每吨公里2 7 分，每年可积累3 0 0 多亿元的建 设基金用于铁路建设。从1 9 9 1 年4 月起国家相继批准福建、四川、山东等 省征收铁路建设附加费，每年还可筹集6 亿元资金用于铁路建设。1 9 9 7 年， 全国国家铁路预计全年可完成货物发送量1 6 2 亿吨，货物周转量1 3 0 5 0 亿 吨：全年旅客发送量可完成9 2 亿人，旅客周转量3 5 0 0 亿人公罩。1 9 9 7 年全国铁路实施提速战略，加强客货营销，提高竞争能力。4 月1r 新的铁 路运行图实施后，优化了旅客和货物列车结构。客车提速，开行夕发朝至 客车和货运“五定”班列、集装箱专列，受到社会广泛好评l 在全路积极 推行计算机售票方式，提高了服务质量，缓解了旅客买票难、乘车难的状 况。目前，铁道部的管理体制仍为政企合一，实行铁道部、铁路局、铁路 分局三级负责的管理体制。全国国家铁路共有哈尔滨、沈阳、北京、济南、 上海、南昌、广州、郑州、柳州、昆明、成都、呼和浩特、兰州、乌鲁木 齐1 4 个铁路局及5 0 个分局。其中，南昌、呼和浩特、柳州铁路局实行由 铁路局直接领导基层站段的新体制；铁路运输企业进行了企业转换经营机 制的尝试，在广州铁路局进行了组建集团公司的试点，成立了大连铁路有 限公司。广深铁路股份有限公司在香港、美国上市成功。“九五”期间 铁路发展总的目标是，以建设大能力客货运输通道和打通主要限制口为重 堕塑窑夔查兰塑主墅壅兰堂竺笙塞 塑! 堕 一 点，优化和强化路网结构，提高铁路的综合运输能力和现代化水平。“九五” 期间集中力量建设和改造一批对国民经济全局有重要影响、在路网上起骨 干作用的大能力干线，并建设部分地区性辅助通道，促进区域经济发展， 如南昆线、朔黄线、西安安康线、新荷兖石复线、水城株州复线、哈大线 电气化、南疆线、邯济线、内昆线、粤海通道、芜湖长江大桥等。计划建 设国家铁路新线6 1 0 0 公里，既有线复线2 7 0 0 公里，既有线电气化4 3 0 0 公 里，地方铁路1 5 0 0 公里。2 0 0 0 年，我国铁路总营业里程将达6 8 0 0 0 公景以 上。中央作出加快西部大开发的重要决策后，铁道部经过论证，提出了“十 五”期间加快西部铁路发展的战略目标，即：拓展内外通道，强化技术改 造，提高运输能力，适应发展需要。“十五”期间，西部铁路建设约占中国 铁路投资总额的百分之四十左右，西部路网规模达到一点八万公里左右， 基本形成路网主骨架。“十五”期间，为提高西北地区东出能力，除强化陆 桥通道、京兰通道外，还要建设西安至南京铁路，研究太原至中卫铁路方 案。为加强西南与华南、华东地区的联系，要强化沪昆通道、贯通沿江通 道，建设重庆至怀化、遂宁至重庆铁路，形成西南东出的新通道。加强西 部省区间通道建设。打通包柳通道，建成内昆铁路、水城至柏果铁路，完 成盘西线电化、内宜线电化改造。对侯西铁路进行扩能改造，提高晋、陕 两省间运输能力。同时，修建进藏铁路，研究加强西北与西南联系的铁路， 如兰渝铁路。进行西部国际通道建设，与有关国家配合建设连接喀什至奥 什至安集延的中、吉、乌铁路，与南疆铁路一起形成亚欧大陆桥的南部通 路。与国家配合研究修建昆明至新加坡泛噩铁路，开辟中国至东南亚国际 新通道，打通直达印度洋的出海臼。 目前铁路存在的主要问题是，铁路体制和运行机制不适应市场经济的 要求，在长期计划经济体制下形成的铁路传统管理模式仍然束缚着企业活 力；粗放经营问题比较突出。客货服务质量、市场营销等方面存在的问题 也制约着铁路的市场竞争能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 随着商品流通量大幅度增加，人员往来更加频繁。担负着我国6 0 以上 运输任务的铁路运输系统，其运输能力已远远不能满足国民经济日益增长 的需要，致使铁路设备长期处于超负荷运行状态，加上各种规章制度的不 完善、执行又不严格等各种原因，近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。铁路起重机作为起复机车车辆、消 除线路故障的主要救援设备，在铁路行车事故中发挥着无可替代的作用。 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。因此， 深入开展对铁路超重机的研究，对改善现有铁路起重机的研究和制造水平， 提高铁路救援能力都具有非常重要的意义。 1 2 我国铁路起重机的概况及其发展方向 我国现有铁路起重机约2 0 0 余台，分布在全路5 0 个铁路分局，1 7 0 个 救援列车队。近6 万公里的营运线路上。纵观全路铁路超重机之现状，根 据事故现场救援作业的实际需要，存在着以下几个方面的问题： 千公里占有量小 我国平均每干公里占有铁路起重机3 台，而国外经验为5 - 6 台千公里 较宣。一旦发生机车车辆脱轨、颓覆等事件，即使以最高的运行速度奔赴 现场，有时也需要数小时之久，严重影响救援工作的及时开展。 起重吨位普遍偏低 在现有作业的铁路起重机中，绝大多数为6 0 吨及4 0 吨级的，除我国 刚刚起步研制和生产的1 6 0 吨铁路救援起重机外，最大起重量为1 0 0 吨。 而且大多数传动技术比较落后，性能较差，设备自重大，而我国现有内燃 机车和电力机车的重量为1 3 0 1 3 8 吨，大功率的内燃机和电力机车重量可 达1 5 0 吨。面临这种情况，国内现有铁路起重机已经很难适应铁路发展和 堕重塞塑查兰塑主堑塞兰堂堡垒壅 蔓! 里 救援工作的需要。 动力和传动技术落后 在现有的铁路起重机中，相当部分采用机械传动方式，而蒸汽式铁路 起重机使用时准备作业时间长，并有工作环境差，劳动强度大，操纵麻烦， 视野不良，零部件寿命短等缺点。特别是随着我国正线牵引力的电气化和 内燃化，原蒸汽牵引所需给水、加煤、维修等地面保障设施和机构也将被 逐步取消，给蒸汽式铁路起重机作业带来了一系列的困难，已属淘汰之列。 环境适应性差 随着我国铁路建设事业的发展，列车速度不断提高，隧道、桥梁的数 量也在不断增加。我国也世界上拥有铁路隧道最多的国家，现有隧道四千 八百余座，其中5 公里以上的就有1 4 座，总延长为2 2 7 2 公里，同时，有6 条铁路线的隧线比例超过2 0 ，最多的襄渝线达到3 4 ，而我国几乎清一 色的定长臂式铁路起重机受地理环境的限制很大。它在桥梁、隧道以及狭 窄地段无法施展其救援才能。 救援效率偏低 由于我国目前的铁路运输能力还远远满足不了运输量的需求，致使铁 路各种设备一直处于超负荷状态下运行，加上规章制度不够完善，执行又 不严格，造成近几年来行车事故较为频繁，且每次事故所中断的行车时间 均达数小时甚至几十小时之久1 9 8 7 年8 月2 3 日1 8 1 8 次列车在陇海线隧 道内颠覆，中断营运时间达2 0 3 小时，造成重大的损失。由此可以说明， 现有铁路起熏机对恶性事故的救援效率偏低，这也与铁路起重机本身的构 造落后，工作性能低下，运送距离长，事故现场环境恶劣等因素直接有关。 由以上分析可以看出，我国铁路起重机现状已远远不能满足铁路运输 发展的需要，随着我国铁路运输发展的需要，随着我国铁路事业的飞速发 展，对铁路起重机的需求量日益增加，而且对其综合性能也提出了更高的 要求，急需设计、制造出一批大起重量、传动技术先进的、环境适应性好、 要塞窒夔查堂塑主堡窒皇兰垡堡塞蔓! 要 工作效率高并且安全可靠的新一代铁路起重机。 为适应新形势的需要，西南交通大学机械工程研究所先后与铁二局机 械厂联合，将6 0 吨蒸汽式铁路起重机改造成内燃式铁路起重机；与兰州机 车厂联合研制并试制成功了伸缩臀式内燃全液压1 0 0 吨铁路起重机，与长 春机车厂联合设计了n 1 0 0 4 型伸缩臂式内燃全液压t j q 2 0 0 吨铁路起重机； 与铁道部大桥工程局桥梁机械制造厂联合研制了q t j s l 6 0 三节伸缩臂式铁 路救援起重机，为提高我国的铁路救援起重机的研制和生产水平做出了巨 大的贡献，填补了国内的空白，同时也标志着我国大吨位铁路起重机的设 计及生产水平已经进入世界先进行列。 根据我国铁路救援起重机的研制、生产和实际使用情况，我国今后铁 路起重机的研究、发展方向应该是： 一大型化 我国铁路已采用大功率的电力、内燃机车和大吨位的货车。随着万吨 级重载列车的试运行成功和实际运输的需要，更大型机车也将投入使用， 铁路起重机的起重吨位也应随之向大型化发展。按铁路起重机技术条件要 求，新型铁路起重机必须将重量1 3 8 吨的大功率电力机车( s s l 、s s 3 、4 g 、 6 y 、6 g ) 、内燃机车( 东风4 型) 一次起吊复位到该机一侧复线上( r 6 m ) 或在顺轨道3 0 。范围内将总重8 4 吨的大吨位货车( p 6 2 棚车) 一次起吊 复位到该机一端的轨道上( r 1 5 m ) 。n 1 6 0 1 型1 6 0 吨铁路起重机已完全 能满足这些要求。 二采用内燃液压传动技术 液压传动具有结构紧凑、运行平稳、调速性好、操纵简便省力、易于 实现安全保护、通用化程度高等特点，已在工程机械中有许多成功的应用 范例。国外( 如德国、美国) 在铁路起重机的设计和生产中都采用了这一 成熟技术。 三采用伸缩臂式结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 伸缩臂式铁路起重机具有机动灵活、运输方便、机多用、总体尺寸 小、环境适应性高等特点。在隧道内、电气化铁路不网的情况下可直接进 行救援工作或其他辅助作业。 四采用更合理的底架结构 随着电子计算机技术的飞速发展，对底架结构的理性研究及制造已成 为可能。合理，新型的底架结构不仅能充分发挥材料性能、减轻自重、降 低成本，更主要的事，由于底架是整台铁路起重机的受载基体，其结构的合 理与否直接影响到整机的各项性能。 1 3 国外铁路起重机概况 自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 世以来，经过了一百多年漫长而曲拆的历史。现在已基本形成了比较完善 的吨位系列，起重量从5 吨到3 0 0 吨不等，各种传动的铁路起重机应有尽 有，其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机为主，传 动方式也从机械传动过渡劐电传动、渡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熏枫，例如德国的g o t r w a l d 公司生产的目前世界 上最大吨位的3 0 0 吨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 ss 溉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 吨 伸缩臂式铁路起重机。后起之秀的芬兰r a u m a 尉氇o l a 公司虽然生产历 史不长，吨位也不很高( 最大为1 0 0 吨) ，但全部采用伸缩臂式结构，其工 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 艺技术超群，安全保护系统相当先进，成为争夺世界铁路起重机市场的最 大劲敌。国际上其他制造厂家，如德国的t a k r a f 公司、k r u p p 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 sb o y d 公司等也不同程度的 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。为底架的最优、最合理设计提供了可能。 1 4 国内外大吨位铁路起重机性能比较 我国在大吨位铁路起重机的研制方面已经取得了很大的进展，在有些 方面已接近或达到世界先进水平，但是由于起步较娩、加上经费、条件、 生产工艺、设计手段等多方面因素的限制，虽然已经设计出了不同吨位的 铁路起重机，但技术上还没有完全成熟，在减轻自重、降低造价、提高整 体复位功效及环境适应性、一机多用、结构合理性等方面均需要进一步的 研究和完善，在新型铁路起重机的研制以及系列化方面人有不少工作要做， 以不断改善我国铁路长远的整体水平，提高铁路运输能力。 现将国内外几个主要囡家具有代表性的大吨位铁路起重机的性能进行 比较，列于表1 1 和袭1 2 。 1 5 国内外铁路起重机底架结构概述 纵观世界上各主要国家的铁路起重机的底架结构，有着外形结构上的共同 特点，这主要是由铁路起重机本身的特点起复机车车辆所决定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 国内外铁路起重机性能表1 - l 起重机型号 n 1 6 0 3g s l 5 0 0 8t e l v a r8 0 7 0 d e 国别中国德国德国美国 制造厂齐齐哈尔 0 0 t t ”嘲l dt a k r a fa m e r i c a n 车辆厂 最大超重量( t ) 1 6 01 5 01 6 01 5 0 最大起重力矩 1 6 0 01 3 5 01 2 8 08 9 0 ( t m ) 吊臂长度( m ) 1 4 9 5 - 2 21 8 5 - 3 31 1 2 - 2 4 51 8 动力传动柴油液压柴油液压柴油电力 柴油一电力 转向架( 台轴2 4 2 42 32 2 数) 尾部半径( m ) 5 867 74 7 5 配重形式现场挂配现场挂配 固定固定 自重( t ) 1 8 72 0 8 1 2 01 6 1 轴重( t ) 2 32 02 04 0 3 支距( m _ )1 0 6 68 8 ( i i 9 6 x 7 58 8 5 6 5 ) ( 1 2 x 4 ) 吊臂形式伸缩( 二伸绾伸缩( 三桁架 节)节) 国内外2 0 0 t 以上铁路起重机性能表卜2 起重机型号t j q 2 0 0 e d k - 2 、- 2 5 0 8 0 7 0 d e 嗣别中嗣德嗣 美国英雹 制造厂长春机车t k r a fa m e r l c ac o w a n s 厂 n 最大起重量( t ) 2 0 02 5 0 2 5 02 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 擐大起重力矩 l ：2 0 02 0 0 0l ：3 3 2 51 0 6 6 ( t m ) 工作幅度( m ) 6 08 o5 3 35 3 3 动力传动柴油液压柴油一电力柴油液机柴油一液机 转向架( 台轴 2 42 x 42 32 3 数) 尾部半径( m ) 6 4 5i i 05 2 65 6 4 配重形式现场挂配现场挂配同定固定 自重( t ) 1 8 02 4 0 2 0 0 51 7 8 5 轴重( t ) 2 2 53 0 o3 3 4 2 9 8 吊臂形式伸缩桁架板粱板粱 它必须在铁道上行走，必须受到铁道限界的严格限制，因此底架结构也同 样具有铁路车辆的特点。从结构上看，目前普遍采用薄壁箱型的焊接结构， 两侧各有一根箱型侧粱，底架通过心盘安装在转向架上，上车载荷通过转 台、回转支承圈传递给加强粱和侧粱由于这种结构具有重量轻，制造工 艺易于掌握。抗弯及抗扭强度大等特点，加之随着有限元优化技术以及电 子计算机技术的飞速发展，能够比较真实的撰舣实翳鲼拇盼形状和逑芥受 载状况。反映出结构的皮力与变形情况，因而得到广泛采用。 铁赂起重视底架主要是由两根纵粱和若干根横莱及转台底座焊接而 成，一般设计成对称结构，纵粱两头同枕粱联接起来，焊成一体，枕粱外 侧设有牵引粱由于铁路起重枫的上车重量及起吊载荷通过底架的回转支 承圈传到底架上，因而在回转支承圈附近。纵粱之间必须加设横梁，根据 底架强度及安装要求，底架中间还可以设置一些小纵粱、小横粱。由于铁 路起重机的起重力矩比同吨位的汽车起重机大得多，故其底架结构与汽车 起重机也有着显著的不同。 铁路起重机底架的四个角上，设有可摆动的四个支腿，以便通过支腿， 西南窒堡查兰堡主堡窒兰堂篁堡塞 塑! ! 要 一一 将所有载荷传给地基。起重机作业时，支腿可根据实际情况而摆开一定的 角度。支腿结构有采用整体铸钢件的，也有采用焊接结构的t 支腿与底架 的联接普遍用销轴将支腿“销”在底架上，以便支腿旋转。 从目前所掌握的资料来看，支腿结构主要有以下几种形式。见图l - l ( a d ) ( a ) ( c ) 图1 - ! 支疆结构的几种形式 1 6 本论文的主要内蜜 底架作为起重机主要的受力构件，自重很大，它的性能如何将直接影 响到整台超重机的工作性能，其设计历来占有非常重要的地位。近年来， 随着电子计算机技术、有限元及c a d 技术的迅速发展，对底架结构的研究 分析也取得了可喜的进展，但是，由于经费、条件、手段等方面因素的限 j 、1，j11li，l j lr：曲 ，l ，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 制，其设计仍然存在诸多不完善的地方，如在建立计算模型时，般都作 了较多的结构简化和受载理想化，对于局部( 尤其是关键的部位) 应力的 计算仍然没有取得十分满意的结果，一般均采用偏保守的设计，这样势必 使结构自重增加，浪费材料，另一方面，也不可避免地在结构的合理程度 上存在问题。 本论文利用有限元分析系统a n s y s ，力图在正确建立计算模型的基础 上，能比较全面、精确的计算出底架各个部位特别是底架、支腿和轴联接 处的局部应力分布情况及其位移变化情况，从而进一步研究底架结构的合 理性及底架结构相邻构件间的刚度协调性情况，提出改进建议。 本论文还专门研究了底架与支腿联接处的有限元合理建模，将底架、 支腿和销轴分别建模，对底架、支腿和销轴接触处进行接触分析，得出该 区域的局部应力分布情况。在计算、分析的基础上，提出适合大吨位铁路 起重机的支腿结构形式，为大吨位铁路起重机底架的设计与改造提供了理 论依据提出进一步改善底架结构，提高底架结构总体性能的几点建议， 从而使铁路起薹机的底架设计无论在手段上还是在结梅的畲理程度上都更 趋完善，更趋合理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第2 章大吨位铁路起重机底架的有限元分析 2 1 大吨位铁路起重机底架的特点 出于大吨位铁路起重机用于起复机车车辆，具有使用的特殊性，使得 该类起重机的底架结构具有相似的特点。 大吨位铁路起重机的底架一般都设计成薄壁多室箱性结构，两侧各有 一根箱性侧梁，在侧梁之间又由若干根横梁相连，底架通过心盘安装在两 台转向架上，在底架中央，设有回转支承圈，整个底架结构除一些较小的 安装板件以外为一双轴对称结构。上车重量及起吊货物重量通过回转支承 圈处传给底架，底架与支腿又通过销轴联接起来，进行救援作业时，须打 开支腿撑于地面。 普通箱型底架的简化计算在众多文献中都可以见到，但由于大吨位铁 路起重机的底架结构是一个承受空间力系的特殊结构，特别是底架、支腿 与销轴的联接处，受力状况恶劣，是整个底架结构的的关键部位，用以往 的传统计算方法难以计算和分析其局部应力分布情况。 为了准确计算分析大吨位铁路超重机底架结构的强度和刚度，特别是 局部应力分布，设计出氍满足强度、刚度要求，又能充分发挥材料性能， 降低底架自重的台理底架结构，有限元方法是目前最为重要的手段之一。 2 2 大吨位铁路起重机底架的传统计算方法 对于大吨位铁路起重机底架这样承受空间力系的复杂结构，在有限元 方法得到应用之前，一般都用解析法进行简化计算。底架结构的简化计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在许多文献中可以看到，较典型的是将底架看作是由两根纵粱和若干根横 梁组成的长方形平面框架结构。图2 1 是q t j s l 6 0 型1 6 0 吨起重机底架的 计算简图。计算时，将回转支撑圈视为剐性结构，于是可以将底架分成前 后两部分，由于底架是对称结构，故只需取一半进行考虑，再将支反力移 至横梁中点处，如图2 1 ，然后将支腿反力v a 和v b 转化为刚架结点处的对 称荷载p l 和反对称载荷p 2 ，在此情况下，可以计算出底架在对称荷载和反 对称荷载作用下，刚架中点切口处的内力，进而计算出底架的应力和位移。 + v ) 2 图2 - 1 底架结构计算简图 可以看出，该方法在结构外形、边界约束和受力状态等方面进行了较 多的简化，其解有一定的参考价值，其计算精度显然受到一定限制。 6 0 年代后期7 0 年代初，美国加州伯克利大学教授e l w i l s o n 首先主 持开发了国际上第一个结构分析通用系统s a p 1 9 7 7 年加州大学对s a p 4 进行了大量的维护和考证工作，形成了第一个商用版本s a p 5 。s a p 5 在我 。 纽她 ijj l v秒弼雠 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 国的应用和推广解决了长期以来无法解决的复杂结构的精确计算问题，使 复杂结构的分析有了质的飞跃。西南交通大学机械工程研究所也利用s a p 5 先后对大吨位铁路起重机的主要结构件进行了有效的分析，为铁路超重机 底架的设计、改进提供了科学的依据。然而，一方面，s a p 5 仍然存在很多 不足之处，特别是后处理功能较弱，对于计算结果的图形可视化处理能力 较差，结果输出也有很多不足之处，如块单元未输出主应力与折算应力， 板单元未输出主应力，块单元、粱单元，平面单元等在输出单元的点的应 力或内力时没有输出点的位置和节点号等。另一方面，过去对大吨位铁路 起重机底架结构的计算分析，没有涉及到底架与支腿连接处的局部应力计 算问题，而事实上，底架与支腿的联接处受力状况最为恶劣，也是底架设 计人员最为关心的部位。 2 3 有限元法在机械结构分析中的应用与前景 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 年代束。有限元法出现 并迅猛发展，由于当时理论尚处子韧缓阶段，计算机麓粹及获件也无法满 足需求，有限元法和有限元程序无法在王程上警及。到6 0 年代末7 0 年代 初出现了大型逗用有限元程序它们以功能强、用户使用方便、计算结果 可靠和效率高两逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。 目前，有限元法在现代结构力学、熟力学、流体力学和电磁学等许多领域 都发挥着重要作用当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有 限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等。 有限元法的基本思想，是将弹性连续体划分成有限个单元体，它们在 有限个节点上相互连接，在一定的精度要求下，对每个单元用有限个参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 来描述它的力学特征，而整个连续体的力学特征可以认为是这些小单元力 学特性的总和，从而建立起连续体的平衡方程。 有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1 ) 结构离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作 单元划分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单 元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要 和计算精度而定( 一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即 越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元中分析的结构已不是原 有的结构物，而是用新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物 体。这样用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单 元数目非常多而又台理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2 ) 单元特性分析 a 、选择位移模式在有限单元法中。选择节点位移作为基本未 知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量对称为力法： 取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混 合法位移法易于实现计算自动化，所以。在有限单元法中 位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散 化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应交和应力等 由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一。些 瞻逼近原豳数的近似蘧数予以描述。通常。我们就将位移表 示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函 数。 b 、分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、 节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关 系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单 元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 c 、计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个 单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从 单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单 元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上 去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 3 ) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接 起来，形成整体的有限元方程。 4 ) 求未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这罩，可以根据方程组的具体特点来选择 合适的计算方法。 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分 是为了进行单元分析。合则为了对整伴结构进行综合分析。 在电子计算机广泛应用于工程设计之前，也有许多数值计算方法，例 如应用范围较广的有限差分法。它基于直交阿格系，列计算式比较方便， 但边界适应性较差。有限元法由于节点可以任意配置，对于复杂形状的结 构可以使边界节点完全藩在区域边界上，因而在边界上具有良好的逼近性， 并且可以根据实际需要，在一部分求解区域中( 如应力集中处) 配置较密 集的网格，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的嗣格，使其在不过分增 加节点总教的情况下提高计算糖度，而这些优点，对于采用鱼交嗣格的 有限差分法以及其他传统设计方法是难以实现的。又如李兹法。它是古典 变分法，这种方法对具有复杂形状的区域，由于光滑的坐标函数( 它必须 满足某些边界条件) 实际上无法选取，故很难采用。而有限元法则通过离 散化处理用构造分块光滑的( 有时是近似的) 坐标函数克服了这一困难， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 可以说是古典变分法通过改造获得了新生。出此可见，有限元法与以往数 值计算方法比较，既有许多共同之处，亦有其突出的优点，在机械结构强 度的分析应用中，其主要优点表现在： 1 节点可以任意配置，因而边界适应性良好。 2 可以根据结构的具体形状，采用不同大小和不同类型的的单元，划分 任意形状的结构。 3 能够适应任意支承条件和任意载荷。 4 能够模拟由不同结构元件组成的复合结构，例如可将大吨位铁路起 重机的底架模拟成板、梁、块体的组合体，使模拟结构更接近于实 际情况 有限元法经过近2 0 多年的发展，已经趋于成熟，未来的发展主要在于 工程领域中的应用和提高，并完善有限元法的基本技巧。随着计算机辅助 设计( c a d ) 在工程中日益广泛的应用，有限元程序包已成为c a d 常用计 算方法中不可缺少的内容之一，并与优化设计形成集成系统。即通过计算 机建立计算模型一有限元分析一最优结构设计一图形显示一判断决策一修 改结构形状一有限元分析重复进行，直到满足设计要求为止，上述集 成有限元分析系统反映了当今世界上有限元方法在机械结构领域的应用水 平和发展趋势 2 4 有限元分析较件a n s y s 本论文采用先进的有限元分析软件a n s y s ，根据大吨位铁路超重机底 架的结构形状，综合考虑a n b y s 的功能、机时、工作量、微机内存和硬 盘空间等因素。力图选取一个较合理的建模方案。对底架进行结构分析。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i - - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计 中的高级c a d 工具之一。 一、软件功能简介 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地 构造有限元模型 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性 分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电 分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵 敏度分析及优化分析能力；后处璎模块可将计算结果以彩色等值应力线显 示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明 显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、 曲线形式显示或输出软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程 中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大 型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ，h p ，s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等。目# 版本为a n s y s 5 7 版，其微机版本要求的操作系统为w i n d o w s9 5 或w i n d o w sn t , 也可运行于u n i x 系统下微机版的基本硬件要求为t 显 示分辨率为1 0 2 4 7 6 8 显示内存为2 m 以上，硬盘大于3 5 0 m ，推荐使用 1 7 英寸显示器。 启动a n s y s ，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台 ( 主菜单) 可以进入各处理模块：p r e p 7 ( 通用前处理模块) ，s o l u l l o n ( 求解模块) 。p 0 8 t l ( 通用盾处理模块) ，p o s t 2 6 ( 时简历程后处理模块) 。 a n s y s 用户手班的全部内容都可以联机查阅。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入 窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在l o g 文件中列出，打开 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 输出窗口可以看到l o g 文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查 看l o g 文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根 源。l o g 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行 同样工作时，由a n s y s 自动读入并执行，这是a n s y s 软件的第三种命令 输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高 工作速度。 图2 - 2 a n s y s 窗口 二、前处理模块p r e p 7 双击实用菜单中的“p r e p r o c e s s o r ”，进入a n s y s 的前处理模块这个 模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法；自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级圈元，如球、 棱柱，称为基元，穗序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和 柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来 组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布 尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模 型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。 附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线 与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分硬点的建立、移动、 拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即： 用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、而、体。 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的 功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应 划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划 分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和 网格控制，生成映像网格。a n s y s 程序的自由网格划分器功能是+ 分强大 的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组 装对各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界 条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计 网格的离散误差，然后重薪定义网格大小再次分析计算、估计尉格的离 散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 三、求解模块s o l u l r l 0 n 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的s a v e - d b 将前处理模块生成的模型存盘，退出 p r e p r o c e s s o r ，点击实用菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶 亘壹窒望查堂堡圭婴塞生兰焦堡壅蔓丝夏 段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开 始有限元求解。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和 阻尼对结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进 行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、 大应变及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与 静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性 的影响。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模 态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程 序可求解静态和瞬态非线性闯题。包括材料非线性、几何非线性和单元非 线性三种 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作 用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中 由此产生的应力、应变和变形。 ( 5 ) 热分析 ( 6 ) 电磁场分析 ( 7 ) 流体动力学分析 ( 8 ) 声场分析 ( 9 ) 压电分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3