无砟轨道混凝土浇筑机车架的设计与计算.pdf

设 备管理 & 维修 技术 Eq u ip me n t Ma n a g e me n t & Ma i n te n a n c e T e c h n o l o g y 无砟轨道混凝 土浇筑 机车架 的设计与计 算 De s i g n a nd Ca l c ul a t i o n o f Ca r r i a g e o f Conc r e t i ng Uni t f or Ba l l a s t l e s s Tr a c k 汪西应 ， 许宏伟。 ， 程林章 W ANG Xi yi ng ，XU Hong w ei ，CH ENG Lin z hang 1 石 家 庄 铁 道 学 院 机 械 工 程 学 院 ， 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 4 3 2 石 家 庄 铁 道 学 院土 木 2 F _ 程 学 院 ， 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 4 3 1 S c h o ol o f Mec h a ni c a l En g i n ee r i n g， Sh ij i a z h u a n g R a i lwa y I n s t it u t e ，Sh ij ia z h u a n g 0 5 0 0 43 ，Heb e i ， Ch i n a 2。 S c h o ol o f Ci v i l E n gi n e e r i n g Sh i j i a z hu a n g Ra i l wa y I n s t i t u t e Sh ij i a z hu an g 05 0 0 4 3 He b ei Ch i n a 【 摘要 】 在 对客 运 专线 无砟 轨 道 混凝 土 浇筑 机 的工 作过 程 、 施工 要 求和 各工 作 机构 布 置情 况进 行 分 析 的基础 上 ， 完 成 了整 机 车 架部 分 的结构 设计 ： 研 究 浇筑 机 的各 种 工况 ， 确 定 了恶 劣 工 况 ， 并 采 用有 限元计 算 法 ， 应用 A NS YS 计 算软 件 对车 架进 行 了强度 、 刚度 的精 确计 算和 稳定 性 分析 。计 算 结 果表 明 ： 车 架 的 强度和 刚度 满足承 载 的 设计 要 求 ， 但横 向和纵 向抗倾 覆 稳 定 性在 最 恶 劣工 况 下 不足 ； 采取 车架 和 螺旋 输 送器 后端 分 别加 配 重块 的措 施 后 ， 有 限元计 算 结 果 表 明 整 机 工 作 的 稳 定 性 能 够 完 全 满 足 要 求 。 【 Ab s t r a c t】T h e c a r r ia g e s t r u c t u r e o f c o n c r e t i n g u n it f o r b a l la s t l e s s t r a c k a p p l i e d o n p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e s i s designed a ccor di ng t o w or king pr oces s and cons t r uc t i on s t r ess an d s t r ai n of car r iage ar e c al cul at ed w i t h ANSYS The f i nit e el em en t an al ysis m odel i s est abl i sh ed，an d t he I t is conf i r m ed t hat t he s t r engt h and r i gi dit y of c ar r i a ge s t r uc t ur e m ee t t he r equir em en t w hi l e w or king abom i nabl y The st abi l it y of w hol e m achi ne i s analyz ed and t he m easur es pr event i ng t he m achi ne f r om sl opi ng ar e put f or w a r d 【 关键 词 】 客运 专 线 ； 混凝 土 浇筑 机 ； 车架 ； 有 限元 分析 【 K e y wo r d s】p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e ； c o n c r e t i n g u n it ； c a r r i a g e ； f i n i t e e l e me n t a n a ly s i s 中 图 分 类 号 ： U2 1 5 6 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 -0 3 3 X( 2 0 1 0 ) 1 1 - 0 0 7 5 -0 3 0 引 言 无砟 轨道 具 有稳 定性 好 、 线路 养 护维 修工 作 量小 、 线 路 利 用率 高 、 刚度 均 匀 性好 等特 点 ， 且 轨 道 几何 形位 能 持 久保 持 ， 可提 高列 车 运行 的安 全 性 与平 顺性 。 武 广客 运 专 线 采 用 双 块 式 无 砟 轨 道 技 术 ， 应 用 工 具 轨 法 施 工 ， 其 大 致 施工 过程 是 ：首 先将 在 轨枕 厂 生产 和检 验 合格 后 的轨枕 通 过 散 枕 机 均 匀 准 确 地 布 置 在 施 工 线 路 的 基 础 上 然 后 将工 具轨 固定在 轨枕 上 ，同时将 纵 向和 横 向模 板 用 螺杆 调 节 器和 横 向拉 条 固定 ，接 着通 过 粗调 机 和精 调 机 将轨 排 的位 置调 整到 线 路 设计 要 求 最 后 通 过 浇筑 机 ( 图1 ) 将 罐 车 运 送来 的混 凝 土和 双块 式 轨 枕 浇筑 成 整 体 道 床 板 混凝 土 浇筑 机主 要 由螺旋 输 送 器 、 布 料 器 、 驾 驶 室 、 走 行 机 构 、 料 箱 、 车 架 等部 分 组成 。车 架 一 方面 是承 受 各部 分 载 荷 的 骨 架 和 各 个 工 作 机 构 布 置 的 平 台 ，另 一 方 面 还 承 担 了 各部 分 的调 整功 能 ， 因此浇筑 机 车 架结 构 的合 理 设 计和 强 度 、 刚 度 、 稳 定 性 的精确 计 算 与分 析对 浇筑 机 的工 作性 能 和 浇筑质 量 的保证 都 是至 关 重要 的 。 1 车 架 结 构 设 计 混凝 土 浇筑 机 的车 架用 矩 形管 、 槽钢 、 角钢 等 型材 焊 接 成 刚 性 主体 结 构 ， 具 有 强度 高 、 塑 性 和 韧性 好 、 易于 加 工 、 能 很 好 地 承 受 动 力 载 荷 等 特 点 E 。车 架 结 构 主 要 由 水 平 布 置 的框 形主 车 架和 垂直 布 置 的z 字 形 支 架组 成 。螺 旋 输送 器 、 布料 器 等工 作机 构 和水 箱 等布 置在 车 架上 ， 驾 驶 室 的部 分 自重 、布 料器 和 螺旋 输送 器 中 的混凝 土 及 自 重 均 通 过z 字 形 支 架传 递 到 框 形 主车 架 然 后 通 过 走 行 轮 组均 匀 传递 到 基础 。 车架 外 形尺 寸 的设 计主 要 受路 基 、 桥 梁 和 隧道 施 工 空间 、 限界 约束 等 条件 的 限制 ， 同时还 要 RM CM 憨 。 驾驶室布料器丰车走行z字形支架 螺旋输送器 +- - e 4 水箱 主车走行 图 1混 凝 土 浇 筑 机 求 和 相 配 套 的 混 凝 土 罐 车 的 出 料 高 度 保 持 一 致 浇 筑 机 在 曲 线 段 浇 筑 道 床 板 时 1 2 m长 的 纵 向 模 板 在 安 装 的 对 接 处 会 出 现 “以 直 代 曲 ” 的 夹 角 ， 导 致 模 板 两 侧浇筑 机 的走 行槽 钢 间 的相 对宽 度尺 寸 比直 线段 有 所增 加 。 因 此 车 架 安 装 走 行 轮 组 的 前 后 横 梁 均 设 计 为 伸 缩 套 结 构形 式 ， 以便 浇筑 机 在走 行过 程 中能够调 整 两 侧 轮组 的轮距 顺利 通过 曲线段 伸缩 量 由施 工 线路 的最 小 曲率 半 径计 算 ， 伸 缩机 构选 用 手动 螺旋 调 整机 构 。 驾 驶 室 前 端 通 过 液 压 缸 悬 挂 在 z字 形 支 架 的 下 部 ， 后 端 的 轮 组 走 行 于 工 具 轨 上 ，而 主 车 架 的 走 行 轮 组 走 行 于模 板 槽钢 中 由于驾 驶 室和 主浇 筑车 行 走在 不 同 的轨 道 上 导 致 浇 筑 机 在 桥 梁 和 隧 道 的 上 部 超 高 曲 线 段 施 工 时 驾 驶 室 和 主 浇 筑 车 在 水 平 方 向 出 现 相 对 转 动 的 现 象 ， 最终 使 布料 器 的 中心偏 离轨 道板 的浇筑 中心 。为 了避 免 这 一 现象 或 尽量 减 小 转 动 角 ，将z 字 形 支架 与主 车 架 的 连接 设计 为铰 接 并在 一 侧设 计偏 转油 缸 。工 作 时通 过油 缸 的驱 动 使z 字 形 支架 偏 摆 ，调 整 布 料器 的 中心 使 其 与 轨 道 板 的 中 心 保 持 一 致 。 在 车架 两侧 纵梁 的腹板 外 侧还 设计 有 液压 油缸 辅 助 支 腿 ， 便 于 浇 筑 机 的 安 装 、 维 护 和 调 整 。 基 于 上 述 基 本 功 能和 调整 功 能 的分析 ， 所设 计 的车 架结 构 如 图2 所 示 。 2 工 况 分 析 客运 专 线 的线路 有路 基 、 桥 梁和 隧 道三 种 基础 支承 ， 线 路 设 计 有 直 线 段 和 曲 线 段 。 在 路 基 曲 线 段 ， 轨 道 结 构 设 计 为 下部 超高 ，轨 道 内外 侧 的高 度差 由支 承层 的施 工完 成 浇筑 机 浇筑 道床 板 时 处于倾 斜状 态 ， 浇筑 的道 床板 横 断 面 为 矩 形 在 桥 梁 和 隧 道 的 曲 线 段 轨 道 结 构 设 计 为 上 部 超 高 轨道 内外侧 的 高度 差 由道 床板 的施 工完 成 ， 浇筑 7 6 崮 2车 梁 有 限 模 型 道 床板 时 主 浇筑 车 处于 水平 状 态 ，但 浇筑 的道床 板 横 断 面 为 梯 形 浇筑 机 的螺旋 输 送器 设 计 有 回转机 构 ，在 水平 面 内 可 以 向 两 侧 转 动 ， 实 现 浇 筑 机 的 两 侧 接 料 ， 同 时 可 以 人 工 对 ； 隹与混 凝土 罐 车 出料 口的水平 位 置 。在下 部超 高 曲线 段 接 f -4n ， 由 于 支 承 层 已浇 筑 出 斜 面 ， 浇 筑 机 工 作 时 会 出 现 整 体 倾 斜 造 成 垂 直 面 内 的 螺 旋 输 送 器 接 料 口高 度 的 变化 。这 些变 化都 会 使螺 旋输 送 器施 加 在车 架 上 的载荷 的位 置发 生较 大 变化 ，所 以根 据 送料 便道 与 浇筑 线 路 的 相 对位 置 会 出现 从 高侧 反 向接 料和 低 侧正 向接料 两种 接 料工 作状 态 为 了提高 施工 效 率 浇筑 机 工作 时 允许 边接 料 边 浇 筑 因此浇 筑 机 工作 时 会 出现 路 基 、 桥 梁 、 隧 道 浇筑 和 正 向 、 反 向接料 的 多种 组合 工 况 。 其 中在 路 基 曲线段 正 向接 料 时 浇筑 机 处于 倾斜 状 态 ( 线路 曲率 半径 最 小 时 ， 倾斜 状 态 最严 重) ， 对 于 车 架结 构 和整 机 稳定 性 都 属于 最 恶 劣 的 工 况 故 车架 的 强度 、 刚度 和整 机 的稳 定 性计 算均 以此类 工 况 的最 高超 高量 进 行建 模和 计 算 。 3 强 度 和 刚 度 的 有 限 元 计 算 3 1 有 限 元 模 型 车架 的有 限元 计 算模 型 采 用AN S Y S 的b e a ml 8 9 单 元 建模 A NS YS 有 限元 计算 软 件 中 的b e a m8 9 是 二 次3 D 梁 元 素 适 合 于 细 长 的 梁 结 构 ， 元 素 基 于 Ti mo s h e n k o梁 理 论 ， 包 含切 应 变 ， 适 用于 浇筑 机 车 架 的结构 计 算 。 根 据 结 构 设 计 、 型 钢 尺 寸 、 曲 线 段 超 高 量 和 铰 接 处 的 耦 合 处理 等 因 素 建 立 的 有 限 元 模 型 见 图 2 。 对 于 螺 旋 输 送 器 按 照 单 位 质 量 ( 包 括 混 凝 土 ) 相 当 的 型钢 作 为 车 架 结 构 的 组 成 部 分 来 处理 ， 并 且 使 其 处 于 正 向 最 大 倾 斜 状 态 ， 这样 就 避免 了将 螺 旋输 送 器 自重 及 混凝 土 的质 量 向回 转 支 承 处 进 行 转 化 的 问 题 。 3 2 载 荷 和 约 束 计算 时模 型 施加 载 荷位 置 和 约束 情 况如 图3 所 示 ， 选 取 车 架 的4个 轮 组 所 在 的 销 轴 连 接 处 作 为 约 束 点 ， 其 中 一 侧 的 两 个 车 轮 处 限 制 三 个 方 向 的 移 动 自 由 度 和 除 销 轴 以 外 的 其 余 两 个 转 动 自 由度 ， 另 一 侧 的 两 个 车 轮 处 限 制 除 轴 线 方 向 以 外 的 两 个 移 动 自 由度 和 两 个 转 动 自 由度 。 施 加 的 荷 载 分 为均 布 载 荷 和 集 中 载 荷 ，能 够 按 照 结 构 自 重 或 可 以转化 为结构 自重 的载荷 均 按均 布 载荷 施 加 ，其 余 的 载 荷 可 以 平 均 分 配 在 相 关 的 节 点 上 按 照 集 中 载 荷 施 加 。 具 体 各 部 分 的 载 荷 如 下 。 l 圭 I 3载 衙 和 约 束 ( 1 )主 车 架 结 构 自 重 、 螺 旋 输 送 器 的 自重 、 尾 部 配 重 均 按均 布 载荷 分 别施 加 ，两 个清 水 箱和 一个 污 水 箱 的质 量 按 安 装 的 节 点 位 置 施 加 集 中 载 荷 ( 2 ) 螺旋 输 送 器 中混 凝 土分 为两 部 分 接 料 口按 体 积 值 施加 集 中载荷 ，螺旋 输送 器 中 混凝 土在 考 虑 了填 充 系 数后 按 均布 载荷 施 加 。 ( 3 )布料 器 自重 和 其 中 的混凝 土 及 驾 驶 室 的部 分 自 重均 集 中施加 在z 字 形支 架 的两 个油 缸 的悬挂 点 Eq ui pm e nt M a na ge me 设 n t M 管 a i n 理 t e n a & nce 维 T e 修 c h n 技 o l o 术 g y RM CM & _ 3 3 计 算 结 果 有 限 元 计 算 的 主 车 架 应 力 及 应 变 云 图 如 图 4 和 图 5 所 示 根据 应 力 云 图和位 移 云 图可 以看 出， 主 车架 结 构危 险 处 的 最 大 应 力 为 2 3 2 MPa 最 大 应 力 出 现 在 z字 形 支 架 前 部 销 轴 处 最 大 位 移 为 6 0 mm( 变 形 较 小 ) ， 当 车 架 材 料 选 用 Q3 4 5时 ， 强 度 和 刚 度 均 满 足 设 计 要 求 。 图 4车 架 的应 力云 图 图5车 架 的 位 移 云 图 4 整 机 稳 定 性 分 析 有 限 元 模 型 用 于 稳 定 性 分 析 时 ， 需 要 分 为 非 工 作 状 态 稳 定 性 和 工 作 状 态 稳 定 性 两 个 模 型 来 研 究 。 非 工 作 状 态 稳 定 性 分 析 时 ， 模 型 中 的 螺 旋 输 送 器 应 处 于 纵 向 位 置 且 三 个水 箱均 不加水 ： 工作 状 态 稳定 性 分析 时 ， 模 型 中的 螺 旋 输 送 器 处于 工 作 的横 置状 态 且 在 最 低 位 置 正 向 接 料 ， 同时 反 向侧 的水 箱 不加 水 。 螺旋 输 送 器 处于横 向接 料位 置 时 ，主浇筑 车 靠 近驾 驶 室 一 端 的 载 荷 较 大 有 可 能 会 出 现 纵 向 和 横 向 不 稳 定 的情 况 。车 架 有 限元模 型 在建 立 时 ， 以 主车4 个轮 组所 在 的 位 置 作 为 约 束 点 那 么 约 束 点 的 垂 向 反 力 就 能 够 直 接 反 应 整机 的稳定 性 问题 。 根据 有 限 元计 算结 果 如 果是 在 下 部 超 高( 小 于 1 8 0 m m) 的路 基 曲线 段 施 工且 为正 向接 料 ( 下 转 第 8 1 页) 搅拌 车 晴 天在 平 地 行 驶 时 不会 发 生 先 滑后 翻 的情 况 ， 翻 车 是 突 然 发 生 的 。 2 3 1 右 旋 车 左 转 弯 右 旋 车 左 转 弯 时 e = 31 8， 则 有 效 稳 定 幅 曰 =1 2 3 5 一 e = 1 2 3 5 3l 8 = 91 7 n l m= O 91 7 n l ， 将 曰 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ：V =7 8 2 m = 2 8 2 k m h 安 全 车 速 V= 7 0 V u1 9 8 k m h - 。 2 3 2 右 旋 车 右 转 弯 右 旋 车 右 拐 弯 时 P = 3 4 2， 则 有 效 稳 定 幅 曰 =1 2 3 5 一 e = 1 2 3 5 3 4 2 = 8 9 3 IT l 1 fl = O 8 9 3 m， 将 B 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ：V =7 7 2 I lfl s= 2 7 8 k m h 一， 安 全 车 速 ： 7 0 1 9 4 k m h 一 。 2 3 3 左 旋 车 左 转 弯 左旋 车左 拐弯 时根据 图3 和 图8 ( a ) 得e 2 3 押 = 4 l + 5 3 + 7 6 + 2 5 4 = 4 2 6 mm， 则 有 效 稳 定 幅 B =1 2 3 5 一 e =1 2 3 5 4 2 6 = 8 0 9 mll l = 0 8 0 9 n l ， 将 B4 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ： V = 7 3 5 m s i = 2 6 5 k m h 安 全 车 速 V= 7 0 x Vr =1 8 6 k m h 。 2 3 4 左 旋 车 右 转 弯 左 旋 车 右 拐 弯 时 根 据 图 3 5 n图 8 ( b ) 得 e = e ， + e + e + e = 一 4 1 5 3 + 7 6 +2 5 4 = 2 7 2 n l n 1 有 效 稳 定 幅 B4 =1 2 3 5 一 e =1 2 3 5 2 3 6 = 9 9 9 mm= O 9 9 9 IT I ， 将 日 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ： = 8 1 7 IT I - S 1= 2 9 4 k m- h 安 全车 速 V = 7 0 x V r= 2 0 6 k m h 。 由此 可见 ： 在拐 弯 半径 约 1 5 n l 的条件 下 ， 左 旋 车 左拐 弯最 易 翻车 ， 其 安 全 车速 较 小 ， 右 旋 车 右拐 弯 其 次 ， 拐 弯 时 均 应 低 速 且 在 安 全 车 速 范 围 内 行 驶 。 Equ i pme nt M a na ge me 设 nt M 管 a i n 理 t e na nce RM CM & I e c h n O lO g y 3 结 语 混凝 土 搅 拌 运 输 车 车 身 重 心 较 高 ， 且 边 行 驶 边 搅 拌 ， 搅拌 筒 内混合 料流 动造 成 重 心位 置 的偏 心振 动 ，使 得 不 同旋 向的车 辆 无 论是在 直 线 行驶 还 是拐 弯行 驶 的状 况 下 稳定 性都 较 差 尤其 是 在拐 弯 行驶 时 ， 造 成车 辆 两侧 轮胎 的承 载严 重 不均 ， 失 稳角 也 不 为定值 ， 对 车辆 的行 驶 稳定 性 影 响 很 大 。 满 载 行 驶 时 车 辆 先 发 生 侧 翻 后 发 生 侧 滑 ， 特别 是在 干 燥 的 良好路 面 下行 驶 ， 横 向行 驶 稳定 性 差 ， 转 弯 时 必 须 降 低 到 安 全 车 速 范 围 内 ， 保 证 安 全 驾 驶 ， 千 万 不 能 以为路 面 情 况好 ， 就 随 便提 高 车速 ， 在没 有侧 滑 提 醒下 极 容 易 发 生 侧 翻 。 叁耋窒 ； 1 刘丽华 ， 杨建 军 混凝土机械 日常使 用与维护 M 北京 ： 机械 工 业 出版 社 2 0 1 0 2 黄跃申 混凝土搅拌车稳定性分析_ J 建筑机械技术与管理， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 9 ) ： 8 2 - 8 8 3 陈志军， 罗永前 一 种混凝 土运 输车横 向行 驶稳定性研 究 -I 重 庆 电子工程职业学院学报 ， 2 0 0 9 ， 1 8 ( 4 ) ： 9 8 1 0 0 4 贺 劲 ， 周润珈 ， 帅 国菊， 等 论混凝 土搅拌 运输车的行驶速度 限 制 D 建 筑机械 ， 2 0 0 3 ( 0 7 ) ： 3 6 3 8 收 稿 日期 ： 2 01 0 - 0 4- 2 9 责 任 编 辑 ： 谭 忠 华 ( 上 接 第7 7页) 的工 况 下 对 应车 架 的4 个 轮组 处 的垂 向反 力中远 离 驾驶 室 的 一 处 出 现 负 值 这 就 说 明 浇 筑 机 工 作 时 会 出 现 整 体 倾 翻 的情 况 ( 包 括 横 向 和 纵 向) 。 因 此 车 架 的 设 计 中 ， 在 远 离 驾 驶 室 的 横 梁 上 方 增 加 2 4 t 的 矩 形 配 重 块 ，在 螺 旋 输 送 器 的 后 端 设 计 了0 9 5 t 的 配 重 块 ， 这 样 就 保 证 了 混 凝 土 浇 筑 机 在 工 作 状 态 不 会 出 现 整 机 横 向 或 纵 向倾 覆 的 现 象 了。 螺旋 输 送器 的后端 悬 臂布 置 了配 重块 后 ， 会使 浇筑 机 车 架 的 重 心 后 移 ， 纵 向抗 倾 覆 能 力 减 弱 。 通 过 有 限 元 模 型 分 析 加 了 配 重 后 的 非 工 作 状 态 下 整 机 的 纵 向 稳 定 性 能 够 满足 要 求 。上述 关 于强 度和 刚度 的计 算均 是 在考 虑 了 配 重后 的计 算 结果 5 结 语 ( 1 )通 过 对 浇 筑 机 施 工 过 程 和 制 约 因 素 的 分 析 ， 设 计 了合 理 的 混 凝 土 浇 筑 机 车 架 结 构 。 f 2 ) 在 对 各种 工 况分析 的基 础 上 ， 应 用 有 限元计 算软 件 ANS YS 建 立 了 最 恶 劣 工 况 下 的 浇 筑 机 车 架 的 有 限 元 模 型 精确 地 计 算 了车架 结 构 的强度 和 刚度 ， 验证 了结构 设 计 的 合理 性 。 ( 3 ) 利用 有 限 元模 型约 束 处 的垂 向反 力结 果 ， 对 整 机 的 稳 定 性 进 行 了 分 析 并 采 取 了 车 架 和 螺 旋 输 送 器 两 处 加 配 重 的 措 施 保 证 了 浇 筑 机 在 工 作 状 态 和 非 工 作 状 态 下 的纵 向和横 向稳定 性 。 f 4 )混凝 土 浇 筑 机 已在 武 广 客 运 专 线 建 设 中 普 遍 应 用 ， 施 工 中 车 架 未 出 现 裂 缝 和 大 变 形 整 机 在 各 种 施 工 环 境 中 均 运 行 平 稳 ， 浇筑 的道 床 板 的 质 量 满 足 设 计 要 求 。 参 考 文 献 ： 1 刘声扬 钢结构 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 2 任重 A NS Y S 实用分析教程 M 北京： 北京 大学出版社， 2 0 0 3 收 稿 日 期 ： 2 01 0 -0 2 -11 责 任 编 辑 ： 谭 忠 华