胡飞飞黄志辉夏朝国西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都

摘要：介绍了一种新型跨越轨道防护装备的主体结构和搭建流程，重点校核了底架结构的静强度并对底架的中间构架进行了优化分析。有限元计算结果表明：优化计算后底架在个别工况下的最大应力值较优化前有所增大，但仍未超过该类工况下的许用应力值，底架结构在优化后强度满足要求；与此同时，底架结构在优化后减重.50kg，降低了制造成本。

关键词：防护装备；底架结构；有限元；静强度；结构优化

中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：-（）06--05

搭建长距离输电线路时，跨越铁路轨道施工作业的情况屡见不鲜。据有关法律法规要求，在铁路上方施工时必须采取安全防护措施，跨越轨道防护装备的作用即在于此。本文的研究对象为一款新型防护装备的底架，作为防护装备的核心部件之一，计算其静强度是否满足使用要求是非常重要的，而后续对其进行的结构优化则是为了降低制造成本，具有现实的经济意义。

1跨越轨道防护装备1.1防护装备结构传统防护装备采用搭建脚手架，张拉防护网对跨越轨道施工进行防护，但这种方法存在工期长、人力成本高和安全性低等缺点。而新型研发的跨越轨道防护装备自动化程度高，能高效、安全、可靠地实现对跨越轨道施工的安全防护。防护装备结构如图1所示。

1.底架2.回转盘3.主塔起竖液压缸4.主塔5.横梁起升液压缸6.横梁7.副塔驱动架8.副塔变幅液压缸9.副塔10.防护网图1跨越轨道防护装备整体结构

1.2防护装备搭建流程如图2所示，防护装备的搭建流程需要经整备阶段、跨越轨道阶段、副塔下落阶段和最终的展网拉绳阶段才可搭建成功。从防护装备的搭建流程可以看出，在副塔未落地前，整个装置的质量始终由底架承受，底架强度决定了防护装备搭建的成功与否，所以必须对其进行强度校核。

图2防护装备搭建流程

2防护装备底架静强度分析国内对防护装备的静强度并没有形成统一的校核标准，因为防护装备属于工程机械的一种，故本文依据GB/T－《起重机设计规范》[1]采用从上到下的校核方法，得到底架以上部分对底架的作用力和力矩，以此作为载荷输入条件对底架进行静强度分析。

2.1底架有限元模型底架的几何模型如图3所示，底架主要由4条支腿、4根支腿连接梁、一个中间构架、一个回转支承及4根摆杆组成。

1.支腿2.支腿连接梁3.销轴4.回转支承5.中间构架6.摆杆7.支腿辅助液压缸图3跨越轨道防护装备整体结构

建立有限元模型时，在确保关键部位计算精度的情况下，删除对强度和刚度没有影响的结构，如倒角、局部小圆孔、尖角等细小结构[2，3]。底架总体以Shell壳单元进行离散，支腿结构及回转支撑则用Solid实体单元进行离散[4]，销轴和摆杆分别采用Beam和Link单元模拟[5]。最终利用HyperMesh建立的底架有限元模型（见图4），模型信息如表1所示。

图4底架有限元模型

2.2底架载荷及边界条件1）底架载荷工况机构整体坐标原点位于回转中心线与底架下盖板下表面交点处；x轴和z轴与地面平行，方向如图5所示；y轴垂直于xoz面，方向由右手定则确定。根据GB/T－《起重机设计规范》，为底架静强度计算拟定了14个载荷工况，如表2所示。

图5坐标系定义

2）边界条件将每条支腿底面的所有节点耦合于各自底面的中心点处，约束中心点x、y、z方向上的平动自由度。将底架回转支承上表面所有节点的3个平动自由度耦合到回转中心点的辅助质量单元上，然后将作用力及力矩施加于此。载荷及边界条件的施加位置如图6所示。

图6底架边界条件施加位置

2.3底架材料属性底架材料属性如表3所示。按照标准要求，无风工况取安全系数1.34，有风工况安全系数取1.48。

2.4底架强度校核结果由于防护装备结构庞大，故采用自上而下的校核方法分部校核整个装备的强度。将底架以上结构对其产生的作用力及力矩作为载荷输入条件校核底架结构的静强度。利用Ansys作为求解器，HyperView作为后处理软件，计算得到底架各工况下的VonMises应力结果见表4。

由表4可知，A类无风工况下底架的最大应力出现在A6工况，B类有风工况下底架的最大应力出现在B4工况，两类工况下的最大应力值都位于支腿连接梁与中间构架的销轴连接处。两种工况的VonMises应力云图如图7、图8所示。

综合14个工况的强度计算结果，底架结构在各工况下均满足强度要求，底架的最大应力位置均出现在支腿连接梁与中间构架的销轴连接处，中间构架大部分板件应力值偏小，应力分配不均匀。所以，承载较小的板件存在资源浪费的情况，后续有优化减重的空间。

图7A6工况底架应力云图

图8B4工况底架应力云图

3底架中间构架尺寸优化利用OptiStruct软件作为优化计算的求解器，在保证底架强度足够的前提下，尽可能降低底架的质量。从强度校核的结果来看，底架中间构架的大部分区域应力值偏小，故只对此部分结构进行尺寸优化。

3.1建立设计变量根据中间构架应力分布的大小和部件所处的位置，以板厚尺寸为优化目标，共设置了14个优化变量。各变量编号如图9所示。优化分析需要给出变量上、下限值，以各个板件的尺寸为优化变量，各板件变量的具体参数设置如表5所示。

图9优化变量编号情况

3.2优化变量约束条件在A类无风工况下，约束应力上限不超过.86MPa；在B类有风工况下，约束应力上限不超过.93MPa。

3.3优化变量目标函数及优化结果以中间构架区域总体积最小为目标，因为材料密度不变，所以体积最小即质量最小。优化计算后各板件的厚度值如表6所示。

4优化后底架结构强度校核根据优化结果调整板厚，将模型导入Ansys中进行计算。发现有A1、A2、B7等工况的强度不符合要求，必须再次进行优化计算。对腹板群变量进行细分，后续优化结果为：FB1列中间两块腹板厚度值调整位为10mm，FB3列中间腹板也调整为10mm，其余4块板件均为为4mm；除此以外，腹板群其余板件厚度不变。调整结果如图10所示。

给板件重新赋予厚度，将有限元模型导入Ansys再次进行计算。优化前后底架强度计算结果对比如图11所示。

由图11可以看出，除A1工况外，优化前后底架的最大应力值变化不大，优化前后的最大应力均未超过相应工况下的许用应力值，底架结构满足静强度要求。

图10腹板尺寸调整标示

图11优化前后底架静强度计算结果对比

5结论1）优化前底架结构在14个工况下强度均能满足要求，但从结构的应力分布上看，中间构架存在较大的优化减重空间。2）对底架的中间构架进行尺寸优化，并对优化后的底架进行强度校核。最终优化方案下的底架在各工况下均满足强度要求，底架减重.50kg。

参考文献[1]GB/T－起重机设计规范[S].[2]谢鸣.磁浮车辆悬浮架托臂结构强度分析及优化设计[D].成都：西南交通大学，.[3]左维琦.基于ANSYS的大吨位双回转铁路起重机底架的优化设计及研究[J].机械制造与自动化，，45(5)：，.[4]贺李平，肖介平，龙凯.ANSYS14.5与HyperMesh12.0联合仿真有限元分析[M].北京：机械工业出版社，.[5]曾礼平.基于CAE技术的打桩机桩架结构分析及优化设计[D].南京：南京航空航天大学，.