（机械设计及理论专业论文）大吨位伸缩臂铁路起重机转台结构分析与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文利用通用有限元软件a n s y s 探讨、研究了一种大吨位铁路起重机的 新型的转台结构。根据该机的工作要求，并结合国外起重机的先进设计理念， 提出了新型转台的初始方案，通过运用a n s y s 软件对新型的转台结构进行分析， 然后对其结构进行改进，使其达到性能要求。 本论文首先对国内外铁路和铁路起重机的发展作了介绍，然后介绍了铁路 起重机转台的传统算法和有限元算法，并介绍了有限元软件a n s y s 及本文采用 的两种单元。本文分析了大吨位铁路起重机转台的特点，按照设计要求对传统 的转台结构进行改进后得到一个初始方案，然后结合国外5 5 0 t 和1 2 0 0 t 起重 机的设计理念分别设计出了两个初始方案，并对这几个初始方案进行比较后， 选择了比较合适的一种方案，然后以有限元分析软件a n s y s 为工具对转台就几 种危险工况进行了分析，并根据分析结果对结构进行改进，使之满足要求。 之后本论文在有限元分析的基础上，结合正交试验法，利用遗传算法和b p 神经网络相结合的优化方法，利用多层人工神经网络极强的非线性映射功能， 来描述和处理结构系统中设计变量及其参数之间的关系，对转台结构进行了以 板厚为设计变量，以减轻自重为目标的优化分析。最后本文对起重机变幅机构 三铰点的布置中，转台上吊臂后铰点到回转中心的距离的变化与转台的自重及 各项性能的关系进行了初步探讨，得到了相应的结果，为以后的转台结构的设 计提供了参考。 关键字：铁路起重机；转台；有限元法；b p 神经网络；遗传算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t t h ep r e s e n tt h e s i se m p l o y sf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) s o f t w a r ea n s y st o p r o b et h ep o s s i b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo fan e ws t r u c t u r ef o rt h er e v o l v i n gp l a t f o r mo f l a r g et o n n a g er a i l w a yc r a n e b a s e du p o nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dr e q u i r e m e n t s a n dt a k e nt h ea d v a n c e do v e r s e ad e s i g nc o n c e p tm t oc o n s i d e r a t i o n ，t h i s p a p e r p r o p o s e st h ei n i t i a ld e s i g n t h e nt h eb r a n dn e wr e v o l v i n gp l a t f o r mi sa n a l y z e dv i a a n s y s a f t e r w a r d , i ti s r e v i s e da n d i m p r o v e dt o m e e tt h ed e m a n d sf o r q u a l i f i c a t i o n sa n dp e r f o r m a n c e s f i r s to fa l l ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h e p r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t o r i e n t a t i o no ft h er a i l w a ya n dt h er a i l w a yc r a n ea c r o s s t h e a b o a r d ，f o l l o w e db ya c o m p a r i s o na n dc o n t r a s tb e t w e e nt h ec o r r e l a t i v et r a d i t i o n a la n a l y z i n gm e t h o d sa n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r ea n s y sa n dt h et w ou n i t s a d o p t e db y t h e s t u d y a r ei n t r o d u c e di n b r i e f a c c o r d i n g t ot h er e l e v a n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e v o l v i n gp l a t f o r mo fl a r g et o n n a g er a i l w a yc r a n e ，ar e v i s e d p l a ni sp r o p o s e db a s e do nc o n v e n t i o n a lp l a t f o r ms t r u c t u r e a f t e r w a r d s ，t w oo r i g i n a l d e s i g n sa r ep u tf o r w a r di n s p i r e db yt h er e v o l v i n gp l a t f o r mo f5 5 0 ta n d12 0 0 tl a r g e t o n n a g er a i l w a yc r a n e w e i g h i n gt h et w oa l t e r n a t i v e s ，a na p p r o p r i a t ed e s i g ni s c h o s e nf o rf u r t h e ra n a l y s i sb ya n s y s ，t h es o f t w a r ef o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f o r l u r k i n gd a n g e r sa n di m p r o v e dt oa c h i e v es t e a a n ds a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e w h a t sm o r e ，b pn e u r a ln e t w o r k sa r ee m p l o y e di nc o m b i n a t i o nw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d , a n dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e d t oo p t i m u mt h en e u r a ln e t w o r k sm o d e l a sar e s u l to fi t s p o w e r f u ln o n l i n e a r m a p p i n ga b i l i t y , m u l t i - l a y e rn e u r a ln e t w o r k sa r eu s e dt od e s c r i b ea n dd e a lw i t ht h e r e l a t i o n sb e t w e e nd e s i g nv a r i a b l e sa n dd y n a m i c p a r a m e t e r so f t h es t r u c t u r es y s t e m a n dt h et h i c k n e s so fa r m o rp l a t ei st a k e na sv a r i a b l e s e v e n t u a l l y , t h eo p t i m a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s o l u t i o n st ot h er e v o l v i n gp l a t f o r mw i t hm i n i m a lw e i g h ta r ef i g u r e do u t f i n a l l y , t h e s t u d ye x p l o r e st h er e l a t i o n s h i pa m o n gd i s t a n c ec h a n g eb e t w e e nt h er e a r w a r dh i n g e o ft h ec a m ea n dt h er e v o l v i n gc e n t e r , w e i g h t ，a n dp e r f o r m a n c e s ，w h o s er e s u l t sw i l l y i e l dv a l u a b l er e f e r e n c e st ot h es u b s e q u e n td e s i g nf o rt h er e v o l v i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：r a i l w a yc r a n e ，r e v o l v i n gp l a t f o r m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b p n e u r a ln e t w o r k s ，g e n e t i ca l g o r i t h m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：上全 ，了 日期：2 仰c i t 扫 指导老师签名： 惭斫 醐：如罗限跏 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 根据设计要求，本论文通过对传统铁路起重机转台结构的分析与研究，结合国 外先进设计理念，提出了铁路起重机转台的新型结构。 ( 2 ) 利用遗传算法和神经网络相结合的优化方法，对转台结构进行了优化分析。 ( 3 ) 本论文探讨了吊臂后铰点到回转中心的距离与转台自重及各项性能的关系。 学位论文作者签名：王墨 日期：洳7 ，f 2 汐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 我国铁路的发展方向 1 1 1 我国铁路发展方向 我国铁路的发展方向为：1 ) 加强铁路网建设；2 ) 提高铁路电气化率和复 线率；3 ) 加强研制高速、重载技术；4 ) 加快推进技术装备现代化；5 ) 提高 铁路服务管理质量。 在我国的铁路“十一五”规划中提出的我国铁路建设的主要目标是： 建设新线1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 公里；建设既有线复线8 0 0 0 公里； 既有线电气化改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上， 复线、电化率均达到4 5 以上，快速客运网总规模达到2 0 0 0 0 公里以上，煤炭 通道总能力达到1 8 亿吨，西部路网总规模达到3 5 0 0 0 公里，形成覆盖全国的 集装箱运输系统。基本实现技术装备现代化，运输安全持续稳定，经济效益不 断提升。铁路改革取得明显成效，投资主体多元化取得重大进展，初步建立起 适应社会主义市场经济发展的铁路管理新体制。 在2 0 0 8 年调整的我国中长期铁路网规划中提出的发展目标为：为适应 全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩大规模，完善结构，提高质量，快 速扩充运输能力，迅速提高装备水平。到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 2 万公里以上，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上，主要繁忙干线实现 客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络， 运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水 平。 在客运专线规划中提到：为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市 及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和 人口稠密地区城际客运系统。建设客运专线1 6 万公里以上。在城际客运方面， 环渤海、长江三角洲、珠江三角洲、长株潭、成渝以及中原城市群、武汉城市 圈、关中城镇群、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区建设城际客运系 统，覆盖区域内主要城镇。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 我国高速铁路的发展与规划 多年来我国铁路运输状态下不能适应我国经济持续快速发展的旺盛需求。 低速成为制约国民经济快速发展的瓶颈。高速铁路有速度快、运量大、能耗少、 污染小、安全、舒适、占地少等特点。我国铁路专家提出，中国修建高速铁路 势在必行。尽管面临很多困难，铁道部门的政府官员和专家学者仍然在中国必 须发展高速铁路这一点上达成了共识，并付出艰辛努力。1 9 9 4 年，完全依靠中 国自己力量建成的广深准高速铁路开通；1 9 9 5 年，沪宁等省成功地进行了时速 1 7 0 公里的提速实验；1 9 9 6 年4 月1 日，京广、京沪等线开行了“夕发朝至 的快速列车。秦沈客运专线是一条以客运为主的双线电气化快速铁路，1 9 9 9 年8 月1 6 日全面开工，2 0 0 3 年完工，同年开通运营，线路全长4 0 5 公里。开 通伊始的列车速度即可达到1 6 0 公里小时以上，设计速度2 0 0 公里小时，基 础设施预留提速至2 5 0 公里小时( 甚至更高) 的条件，能够适应旅客对乘车旅行 快速、安全、舒适、方便和准时可靠的需求，可以大大提高铁路客运的竞争能 力，从而使铁路客运步入良性循环的轨道。2 0 0 9 年4 月1 日铁道部实施了新 的列车运行图，这是继2 0 0 7 年4 月1 8 日第六次大面积提速调图之后，铁道部 再次对列车运行图进行较大范围的调整。这次调整的两大亮点是两条时速2 5 0 公里的铁路客运专线开通运营。从中可以看出，高速铁路已成为铁路部门改革 的重要趋向，高速铁路客运专线的建设和投入运营，将带动我国铁路综合技术 水平的大幅度提高，并将进一步加快我国铁路客运高速化的进程。 目前我国铁路客货运输供需紧张的状况任然非常严重，由于供需矛盾导致 的客货运输超载情况也很严重，对机车车辆和路轨造成了巨大的损害，极大地 缩短了车俩和路轨的使用寿命，同时大大的增加了车辆事故发生的概率。这种 运输能力的短缺使得铁路设备长期处于超负荷的运行状况，加上管理上的缺 乏，近年来铁路行车事故屡屡发生。所以，作为在铁路行车事故中发挥着无可 替代作用的铁路起重机来说，其数量的多少和性能的优劣，直接关系到救援工 作的效率和速度。再加上我国已经进入高速铁路时代，铁路的提速对于铁路起 重机在各方面的性能又提出了更高的要求。因此，我们应该开展对铁路救援起 重机的深入研究，不断创新，提高铁路救援起重机的设计和制造水平，使其满 足现今越来越高的救援需求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外的铁路起重机 铁路起重机作为一种铁路专用起重设备，因其能顺铁路线运动，承担沿线 各种环境下的起重作业，具有很好的机动性和适应性，从最初主要用于铁路货 物装卸的起重机，发展成为一种能处理行车脱轨事故、排除线路故障的关键救 援起重设备，在保证铁路运输的安全畅通上发挥着极为重要的作用，自投入运 用以来就一直受到世界各国的高度重视。铁路起重机在铁路救援作业中起着决 定性的作用，其性能的优劣和效率高低直接关系到运输恢复的快慢，并影响整 个铁路网的交通状况。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。 1 2 1 我国铁路起重机的发展 在我国，铁路起重机技术自2 0 世纪5 0 年代至今基本经历了5 个发展阶段。 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 0 k m h 以下，起重 量在1 5 6 c i 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 业效率都低。 2 0 世纪6 0 年代中后期，铁路得到较大发展，由于蒸汽型铁路起重机不能 很好满足事故处理的要求，因此我国研制了以n 1 0 0 型为代表的内燃铁路起重 机。由于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，n 1 0 0 型铁路起重机实施机、电、液一体化改造，特 别是液压技术得到了更为深人的应用，液压传动全面取代机械传动。这样进一 步增强了铁路起重机的各项性能。 2 0 世纪8 0 年代末，我国研制出了n i 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 0 t ，有效改善了铁路起重机的单机作 业能力和机动性能。同时，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 起重机技术完成了第2 次革新。 2 0 世纪9 0 年代，由于在电气网下和隧道内的起重救援作业不断增多，为 此我国研制出了n s 型全液压伸缩臂铁路起重机，并按照实际需要，进一步完 善了铁路救援起重机系列，出现了n s l 6 0 、n s l 2 5 、n s l 0 0 等不同吨位的机型， 铁路起重机进入一个全新的发展时期。 根据事故现场救援作业的实际需要，我国的铁路起重机存在以下几个方面 的问题： 1 千公里占有量小。我国平均每千公里占有铁路起重机3 台，而国外经验 为5 6 台千公里为宜。一旦发生机车车辆脱轨、颠覆等事件，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。 2 环境适应差。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，复线、三线也逐渐增多，我国固定配重的铁路救援 起重机已不能更好的满足铁路发展的需要。 3 救援效率偏低。由于我国目前的铁路运输能力还远远不能满足运输量的 要求，致使铁路各种设备一直处于超负荷的状态下运行，这样就造成了行车事 故频繁发生，由于救援能力不够，所以每次事故所中断的行车时间均达到数小 时甚至几十小时之久，给国家造成了重大的损失。 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，我国铁 路起重机的现状已远远不能满足铁路运输发展的需要。由于我国高速铁路的快 速发展，使得对救援工作的要求更及时、快速。救援工作中，铁路救援起重机 到达是否及时，性能是否优劣，都直接关系到救援工作的效率，也会影响到整 个运输网的效率。因此，我们急需设计、制造出一批大起重量、传动技术先进 的、环境适应性好、工作效率高并且安全可靠的新一代铁路起重机。今后我国 铁路救援起重机的研究、发展方向是：1 ) 发展大吨位；2 ) 尽量减小自身重量；3 ) 提高吊载运行能力；4 ) 加强自动控制，增强安全保护系统功能；5 ) 增加调平 机构；6 ) 研制新型结构的伸缩吊臂；7 ) 研制新型结构的转台；8 ) 研制适应 于高速重载铁路救援起重机的专用转向架。 1 2 。2 国外铁路起重机概况 自从在1 8 6 0 年世界上第一台以蒸汽为动力的定长臂式铁路救援起重机在 英国问世以来，经过了一百多年漫长而曲折的历史。现在基本上形成了比较完 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 善的吨位系列，其起升重量从5 t 到3 0 0 t 不等，铁路起重机的传动较多，其间 在性能上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，铁路起重机的动力也从蒸汽机过渡到以内燃机为主，传动方式也从机 械传动过渡到电传动、液力机械和静压传动等。第二次飞跃自上个世纪6 0 年 代末开始，由于在小吨位的铁路起重机上出现了伸缩臂式吊臂，至8 0 年代则 向大吨位全液压方向发展，且其起升重量己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机车车辆限界设 计，因而也显得非常紧凑、整齐。另外英国的c o w a n ss 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 r p o l a 公司虽然生产历史不长，但全部采用伸缩臂式结构，其工艺技 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 i t l d 公司和英国的c o w a n sb o y d 公司等也在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。由德国k i r o w 公 司设计生产的1 6 0 t 双回转铁路救援起重机在世界铁路起重机行业独占鳌头， 其双回转铁路救援起重机的研制可以说是铁路起重机技术的又一次重大飞跃。 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，随着各种有限元分析软件的飞速发展，其在结构 设计方面已得到了广泛的应用，结构设计的计算结果与实际情况越来越接近， 这为结构的最优、最合理的设计提供了可能。 1 2 3 论文的主要内容和研究意义 1 2 3 1 论文的研究意义 铁路起重机在世界各国的铁路部门主要用于铁路救援工作。近年来，随着 铁路的迅猛发展，无论在国内还是在国外铁路起重机都有朝着更大的起升能 力、更好的起升性能、更高的作业效率、更强的适应能力和更高的可靠性方向 发展。随着起升能力的增加，同时又要尽可能地减轻金属结构重量，这对整个 结构的形状会带来影响。所以要从整体出发，结合实际需要，考虑各子系统间 的关系，协调各系统的技术水平，提高整机性能，有效地促进我国铁路起重机 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的发展。 随着我国高速铁路的飞速发展，高速铁路对铁路救援起重机的各项性能又 有了新的要求。不仅回送速度要快，而且自身重量要轻，对救援起重机的救援 效率要求较高。为了满足我国高速铁路救援需要，我国急需自主研制出符合高 速铁路要求的铁路救援起重机，在这种情况下，西南交通大学和成都机车车辆 厂联合研制改进1 6 0 t 带伸缩配重的铁路救援起重机。新型铁路救援起重机既 要满足要求的起升能力又要满足铁路上对铁路起重机轴重不能大于2 3 t 的要 求，这无疑向设计者提出了要尽可能的减轻起重机金属结构的重量，并提高其 力学性能的要求。 转台是铁路起重机的重要组成部分，转台的重量和结构形式在很大程度上 影响着铁路起重机的性能。本论文重点研究的是新型的转台，希望能在满足力 学性能的前提下，在减轻转台的自重方面做出贡献。这将对推进我国铁路起重 机的科技进步，指导我国大吨位铁路起重机的研制方面起到重大的作用。 随着计算机的飞速发展，数值分析方法应用的越来越多，特别是在有限元 算法上面，有限元分析软件层出不穷。有限元软件通过使用有限元法可以大大 简化设计过程，加快设计进度，减少实验费用，从而减小设计风险，降低成本。 目前，有限元分析软件已广泛应用于机械、电子等行业。而国内铁路起重机的 设计用有限元方法进行转台分析的也不是很多。有的转台研究工作用有限元分 析系统s a p s 进行的，有的用结构分析软件a l g o r 进行的，也有用a n s y s 进行 的。但大多数都是对传统的倒“兀形高墙板结构进行分析和改进，也有个别 厂家自己研究新型的转台结构。这些研究对推动有限元方法在铁路起重机设计 中的应用方面做出了重要的贡献，但还有很多工作需要我们去研究。 1 2 3 2 论文的主要内容 在学习前人和借鉴国外先进设计理念的基础上，结合实际项目设计要求， 本文设计出新型的1 6 0 t 铁路起重机转台结构，并利用通用有限元软件 a n s y s 建立了新型转台结构的有限元模型，对其在不同的工况和载荷形式下进 行了分析计算，然后对结果进行分析研究，结合分析结果进行改进，使得新型 转台结构满足设计需要的各项性能要求。之后本文利用遗传算法和b p 神经网 络相结合的方法，对转台结构进行了优化，努力提高其各项性能。最后本文还 就吊臂后铰点到回转中心的距离与转台各项性能的关系作了初步探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章大吨位铁路起重机的转台结构及分析 铁路起重机主要由三大部分组成：机械部分、结构部分和液压部分。机械 部分主要包括机械传动部分、起升机构( 含起升吊钩、起升绳、卷筒等) 、回 转机构( 含回转支承等) 。结构部分包括：吊臂、转台、底架、转向架等。铁 路起重机的结构组成如下图所示： 图2 1 铁路起重机结构组成示意图 21 大吨位铁路起重机转台的特点 转台是用来安装吊臂、起升机构、变幅机构、旋转机构、配重、发动机和 司机室的机架。转台通过旋转支承装置装在起重机的底架上。为了保证起重机 正常工作，转台应具有足够的剐度和强度。为了有较好的通过性，转台的外形 尺寸应尽量小。铁路起重机转台结构通常采用焊接结构，其主要形式有两种： 平面框架式转台和板式结构转台。其中大吨位铁路起重机转台通常采用高强钢 的板式结构型式。 根据转台受力特点及各机构安装要求，传统的大吨位铁路起重机的转台通 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 常采用两块高墙板、加强筋、补强板、封板、翼板、隔板和横隔板等焊接而成 的大型薄壁箱形结构，变幅油缸下铰支座以及吊臂后铰支座做特殊加强。二高 墙板与横隔板构成开口薄壁箱形，既保证了高墙板的水平刚度，又满足吊臂的 顺利变幅。尾部安放发动机，受力较小。为了减轻重量，设计为外伸框架结构， 吊臂的后铰点处受力恶劣，由于受总体尺寸限制，无法采用增高局部腹板的方 法，而是将后铰销轴直接支承于高墙板上，内焊局部加强板和局部加强筋。变 幅缸的下铰点处将变幅油缸销轴直接支承于高墙板上，内焊局部加强板，局部 加强筋和下铰轴承座加强支撑。根据受力及工艺要求，设纵横加强板，提高局 部稳定性，改善局部受力状态。上、下横隔板与高强板构成箱形结构，内设纵 横加强筋，以提高整体强度、刚度和稳定性，对于底板大多采用厚板，根据高 强螺栓分布区域，焊接环形加强板，以保证回转轴承滚子正常运转，避免由于 转台底面刚度不够导致滚子“卡死”。 传统的转台结构的简化计算在众多文献中都可以见到，一般将其近似的按 简支外伸梁计算，即转台底板与旋转支承圈中心线的两个交点可视为简支外伸 梁的铰支座，但由于大吨位铁路起重机的转台结构是一个承受空间力系的特殊 结构，用传统的计算方法计算出来的结果有较大的误差，且难以计算和分析其 蜀部应力分布情况。所以，为了准确计算分析大吨位铁路起重机转台结构的强 度和刚度，特别是局部应力分布，设计出既能满足强度、刚度要求，又能充分 发挥材料性能，降低转台自重的合理结构，使用有限元方法进行求解是当前非 常重要的手段之一，可选用板单元和体单元相结合进行单元划分，然后用有限 元分析软件进行求解，得出精确解。 2 2 大吨位铁路起重机转台的传统计算方法 对于大吨位铁路起重机转台这样复杂的结构，同时又承受复杂的空间作用 力，在有限元方法等得到应用之前，一般都采用解析法进行简化计算。平面框 架式转台属于高次超静定结构。如采用结构力学方法，则精确计算是相当复杂 的。由于在结构上可以保证各主要受力构件直接支承在纵梁上，因此可以足够 精确的按照两根纵梁承受转台全部作用力的简支外伸梁进行计算。板式结构转 台也可近似地按照简支外伸梁进行计算。转台纵梁轴线与旋转支承圈中心线地 两个交点可视为简支外伸梁地铰支座。 采用滑轮组变幅的转台计算如图2 1 和2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 八 图2 1 采用滑轮组变幅的转台受力简图 ；霜， r 2 图2 2 采用滑轮组变幅的转台纵梁计算简图和弯矩简图 当起吊载荷q 时，作用转台上的载荷有：由吊臂的根部铰支座传来的压 力p ；由人字架传来的拉力t 和压力f ；起升绳拉力s 起；变幅绳拉力s _ ；转台及上部机构重量g ，和配重重量g 。转台以两支点支承于起重机的底 架上。 设计计算时，常以吊臂位于最小幅度、起吊最大额定起伸重量作为计算工 况来确定转台上的作用载荷，从而选择转台结构的截面尺寸。作用于转台上的 各种载荷确定后，便可绘制出转台纵梁的弯矩图，如图2 2 中的弯矩图所示。 最大弯矩一般发生在前支承点或后支承点处。通常，为了减少前支承点处弯矩， 往往使吊臂根部铰支座尽量靠近前支承点，甚至就放在前支承点的上方，此时， 最大弯矩发生在后支承点上。也就是，最大弯矩发生在反抓滚轮或滚珠转盘与 纵梁的连接处。 采用油缸变幅的转台受力简图如图2 3 和2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 n ； 菩 _ 瑟 l a 盔!- l 1 - j i 图2 3 采用油缸变幅的转台计算简图 图2 4 采用油缸变幅的转台受力简图和纵梁弯矩简图 当起吊载荷q 时，作用于转台上的载荷有：由吊臂根部铰支座传来的拉力 p ；由变幅油缸传来的压力n ；起升绳拉力s 起；转台及上部机构重力g 。 和配重g ：。转台以两支点支承在起重机的底架上。采用油缸变幅的转台危险截 面除有可能在前、后支承处，还可能发生在吊臂的根部铰支座所在截面。 2 3 弹性力学相关知识简介 弹性力学又称弹性理论，是固体力学的一个分支。它研究弹性体由于载荷 作用而引起的内力状态和变形规律。这里的载荷是指机械力、温度、电磁力等 各种能导致物体变形和产生内力的物理因素；这里的弹性体是指区别于理论力 学中的刚体的一种可变形体，卸载后能完全恢复其初始形态和尺寸。在掌握了 物体的内力和变形规律以后，就不难确定结构构件和机器零件的强度、刚度和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 稳定性，从而达到改进结构和零件设计的目的。弹性力学研究的对象包括杆件、 板、壳和实体结构。经典弹性力学是建立在如下基本假设的基础上： 1 、连续性假设：认为组成物质的介质充满了物体所占的空间，物体中不存 在任何间隙。 2 、均匀性假设：指物体内的每一点都具有相同的力学性质。 3 、各向同性假设：指物体内一点的各个方向上的力学性质相同。 4 、完全弹性假设：就是物体在载荷作用下发生变形，当这些载荷拆除以后 物体能完全恢复到原来的形状和大小，而没有任何残余变形。 5 、小变形假设：指物体内各点在载荷作用下所产生的位移远小于物体原来 的尺寸。 6 、无初应力假设：指物体的初始状态为自然状态，即载荷作用以前物体内 没有应力。 2 4 有限元方法的基础知识 有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法。由于涉及复杂几何形 状、载荷和材料特性的问题通常不能得到解析形式的数学解答。因此，我们需 要依靠数值方法，使有限元方法得出可以接受的解答。有限元方法是在当今工 程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工 程技术界的高度重视。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定 方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组 合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。 有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设 的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通 常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这 样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数 值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成 离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出 各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元 数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精 度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最 匿南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 后将收敛于精确解。 对于连续体的力学分析，有限元分析的一般过程如下： 1 原连续体( 几何上) 的逼近离散：q = 疵。( 2 1 ) 2 单元特性的研究。 研究单元的特性以形成单元刚度阵和节点外载矩阵。 1 ) 节点自由度( 位移) 描述：q 。 ( 2 - 2 ) 2 ) 位移模式( 简单性、完备性、连续性和唯一确定性) 3 ) 由节点条件确定唯一模式中的待定系数，推导出形状函数矩阵： u 。= 。( x ，y ，z ) g 。 ( 2 3 ) 式中。形状函数矩阵。 4 ) 单元应变场的表达( 由几何方程) 。= a = a q = b q 式中【a 】弹性力学中几何方程算子； 几何矩阵； 5 ) 单元应力场的表达( 由物理方程) 矿= d 。= d 。b 。q 。= s 。q 。 式中d 。弹性力学中的弹性系数矩阵； 应力矩阵； 6 ) 单元势能的表达： n 。= 三矿。d q 一 b r u 。d f 2 + 7 材。d q = 三g ，k 。g 。一，田。 式中k 。单元刚度矩阵； 6 。体积力向量； p 。单元节点力矩阵； 、l ， 伽 嘞 嘞 q 浯 q 协 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 p 面积力向量； 其中；k 。= j b i d bd q 掰 p t = l n g b d q 七l n r p d q ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 对单元势能，应用最小势能原理，司得到单兀的平衡关系：k 。q 。= p ( 2 - 9 ) 3 离散单元的装配和集成 几何的集成 q 。= q 节点位移的集成 q = q 。 刚度矩阵的集成 k = k 2 节点外载的集成p = y p 形成整体刚度方程k q = p( 2 1 0 ) 最后处理边界条件并求解节点位移，求各单元内的应力、应变和支反力， 这样就完成了整个有限元分析过程。 2 5 铁路起重机转台的有限元分析 2 5 1 转台的结构模型 传统的大吨位铁路起重机转台通常采用大型空间板式焊接结构，转台的下 部由腹板与上、下盖板构成一箱型结构，下盖板通过螺栓与回转轴承连接，箱 型内部根据机构和设备布置要求设置加强肋。箱型结构与高墙板相连，吊臂后 铰点放于高墙板上。高墙板还可安放起升卷筒及相应的油马达，为增强高墙板 的水平刚度，高墙板之间设置横向加强肋。 转台通过螺栓与回转轴承相连，转台与转盘连接部位有足够的刚度，因此 每个螺栓孔中心为转台力学模型的约束点，在受拉螺栓处引入弹性支承边界， 使得固定约束周围的单元应力更符合实际情况。而在受压螺栓处，因螺栓为摩 擦型高强螺栓，载荷主要由连接承受，故可约束六个自由度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 5 2 转台的单元选择 由于结构为大型空间板式结构，板的厚度与长、宽相比较小，但在工作中 受复杂力系作用，故采用六自由度四边形板单元为主，局部三角形单元为辅的 原则，可反映空间板结构的受力状态，也具有足够的精度。四边形单元的节点 分别为i 、j 、m 、p 。对任一节点，载荷和位移可以分解为沿3 个坐标轴的集中 力和挠度以及绕3 个坐标轴的力矩和转角。 四边形板单元所组成的总刚方程为： ，) 厶= 【尼k 。 研；删 ( 2 11 ) 式中 f ) 。单元结点力， ，) ；删= 研8 单元结点位移， 研；铷= 【k 】纛：。刚度矩阵，【k 】；。斌= 巧 i 6 j ； 瓯 ； 6 p i ) ，其中 鼻) = 最名疋以蚝m 担 r ； ，竹 p p ) m p b k ok 池k f p k 嘲k 帆k 呷 k 啄kp - ，ik d p f ) ，竹 p 式中每一个矩阵【k 】( ，、s = f 、j 、m 、p ) 都是由三种应力状态按照自由度 顺序组合而成的6 6 阶矩阵。 _ t j 眈 免， 霞睨 ， 。l i f 1 l r j 巧 r f l l 中其 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 随着有限元的发展许多有限元软件提供了刚度矩阵的自动生成功能，而使 用者需要做的通常是建立力学模型和整理计算结果。 2 5 3 转台有限元分析图框 陌习 1 1 j 图2 5 有限元分析框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 6 有限元分析软件a n s y s 2 6 1a n s y s 功能简介 a n s y s 程序是一个通用有限元仿真分析软件，早期的产品只提供热分析 和线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上，必须通过编写分析代码按照 批处理方式执行。2 0 世纪7 0 年代后，逐步增加了非线性计算功能、更多的单 元类型以及子结构等技术。随着小型机和p c 机的出现，操作系统进入图形交 互方式以后，a n s y s 程序建立了交互式操作菜单环境，极大地简化了分析过 程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，程序不再仅仅是求解器，同时提 供前后处理器，对模型的创建和结果的处理更加方便。3 0 多年以来，a n s y s 程 序发展成能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析 程序，先进的多物理场耦合分析技术在现今世界首屈一指。各独立物理场的分 析功能包括各种结构的静动力线性或非线性分析、温度场的稳态或瞬态分析以 及相变、计算流体动力学分析、声学分析和电磁分析。另外，还提供目标设计 优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术、子结构、子模型、单元生 死、疲劳断裂计算等先进技术。 a n s y s 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、耦合分析、灵敏 度分析、优化分析、可靠性分析等。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显 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。该软件提供了几百种单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 2 6 2 本文使用的a n s y s 单元简介 1 板壳单元。板壳单元是结构分析中最常用的单元类型之一。当结构构件 两个方向的尺寸远大于另一个方向的尺寸时，可以将这种3 d 构件简化为2 d 单 元以提高计算效率。本文采用s h e l l 6 3 单元( 见图2 6 ) ，它属于薄壳单元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 其中：j = 没存定义肇龙坐标系时的x 轴 x = 定义了单元嫩栎羝器重的x 轴 图2 6s h e l l 6 3 弹性壳体 s h e l l 6 3 单元具备弯曲和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。该单 元节点有6 个自由度：节点x 、y 、z 方向的平动和绕节点x 、y 、z 方向的旋转。 它还具备应力刚化和大变形能力。在图2 6 中显示了该单元的几何形状、节点 位置和单元坐标系。它是通过四个节点厚度、弹性基础刚度和正交各向异性的 材料性质来定义。正交各向异性材料方向与单元坐标系方向相对应。单元坐标 系的方向如坐标系中描述的那样。单元的x 方向可以旋转0 角。 与单元相关联的结果输出有以下两种形式： 1 包含整体节点解的节点位移； 2 如单元输出定义显示的其他的单元输出； 下图描述了应力输出的几个方面。输出包含绕x 面的弯矩( m x ) ，绕y 面的弯 矩( m y ) ，和扭矩( m x y ) 。在单元坐标系中弯矩是按每单位长度计算的。单元应 力方向和单元坐标系平行。 典甲：x 玎2 没有定义罐尤坐标系时的x 轴 x 2 定义了雎冗坐标系时的x 轴 图2 7s h e l l 6 3 单元的应力图 该单元的形函数为： “2 言( 哆( 1 一s ) ( 1 一f ) + 吩( ) ( ) + ( 1 + j ) ( 1 + f ) + 岣( 1 一s ) ( 1 + f ) ) ( 2 - 1 2 ) 1 ，2 主( 哆( 1 一s ) ( 1 一f ) + _ ( 1 + s ) ( 1 一f ) + k ( 1 + s ) ( 1 + f ) + - ( 1 一s ) ( 1 十f ) ) ( 2 - 1 3 ) 为了孝精确的表示弯曲，使用如下矩阵来调整输出矩阵和载荷矢量。 f 嵋