Φ6280mm復合式盾構機盾體吊耳結構設計與受力對比分析

高文梁 胡 璉/中鐵工程裝備集團有限公司

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Φ6280mm復合式盾構機盾體吊耳結構設計與受力對比分析

高文梁 胡 璉/中鐵工程裝備集團有限公司

【摘 要】本文通過對盾構機盾體四種形式的吊耳進行結構設計和強度分析，并對這四種吊耳的優缺點進行對比，指導施工現場工人針對不同需求選擇相應吊耳，盾構機吊耳進一步優化設計提供理論參考依據。

【關鍵詞】盾構機吊耳；結構設計；有限元分析

引言

盾構掘進機［1］是一種專門用于開挖隧道的大型成套工程設備，由于具有快速施工、安全、經濟、環保和勞動強度低等優點，作為安全高效的隧道施工機械在城市地下鐵道、管線等隧道隧洞工程中得到越來越廣泛的應用。

盾構技術復雜，單件重量大，盾構機在制造、組裝、拆機、運輸以及始發過程中對吊裝技術要求高［2］。因此，合理選擇吊裝設備是安全施工的重要保證。本文我們對盾構機常用的幾種吊耳進行結構設計和有限元分析，總結出這幾種吊耳的優缺點，便于指導現場工人選擇。

1.盾構機吊耳力學模型

盾構機前盾總成（含設備）110T，前盾起吊吊耳四個，并關于盾體重心對稱布置，每個吊耳設計載荷40T。吊裝鋼絲繩［3］長度在6米～11米之間，鋼絲繩直徑40mm以上。所有吊耳焊縫焊接質量評定按《GB/T 12469》執行，焊縫外形尺寸應按《GB/T7949》執行，并按《GB 11345-2013超聲波探傷記錄表》填寫有關探傷報告。

圖1　 吊耳吊裝示意圖

盾構機在吊裝時如圖1所示，鋼絲繩按照6m選取，鋼絲繩與豎直方向成39°角，吊耳具體受力如圖2所示。

圖2　 吊耳受力簡化模型圖

2.盾構機吊耳結構設計計算及有限元分析

2.1 筋板型焊接式吊耳

2.1.1吊耳結構形式。

主吊耳焊接在盾殼上，兩件筋板（與主吊耳和盾殼焊接，如圖3所示。

圖3　 筋板型焊接式吊耳結構圖

2.1.2吊耳有限元分析。

吊裝吊耳按照受力40T，約束盾殼端面，建立1∶1吊耳幾何模型。分析時耳板受力按照圖2中F向建立等效受力模型，并進行有限元分析。分析結果如圖4、圖5所示，吊耳最大等效應力為203mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應力在150mPa左右，最大變形1.07mm。

吊裝吊耳基體材料為Q345B，材料的屈服強度345mPa，故該形式吊耳基本滿足要求。

圖4　 筋板型吊耳應力圖

圖5　筋板型吊耳形變圖

2.2.護板型焊接式吊耳

2.2.1吊耳結構形式。

主吊耳焊接在盾殼上，兩件筋板焊接在主吊耳兩側，如圖6所示。

圖6　 護板型焊接式吊耳結構圖

2.2.2吊耳有限元分析。

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進行有限元分析。分析結果如圖7、圖8所示，吊耳最大等效應力為161mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應力在100mPa左右，最大變形0.57mm。

可以看出，該形式吊耳基本滿足要求。

圖7　 護板型吊耳應力圖

圖8　護板型吊耳形變圖

2.3.螺栓連接式吊耳

2.3.1吊耳結構形式。

主吊耳焊接在法蘭上，一側用筋板支撐。吊耳整體焊接完畢后，通過使用10顆M36-10.9螺栓將盾體和法蘭栓接起來，詳細如圖9所示。

2.3.2吊耳結構校核及有限元分析。

a）螺栓分析校核

可查M 3 6 - 1 0.9螺栓最小拉力載荷：F拉力m i n= 8 5 T、F預緊m i n= 5 1.5 T；每個吊耳承載能力：F吊耳承載= 4 0 T；

圖9　 螺栓連接式吊耳結構圖

如圖1所示，吊耳焊接位置所形成角度α=56°，則：

F吊耳正拉力= F吊耳承載×sinα=40T×sin56°=33T；

F吊耳剪切力= F吊耳承載×cosα=40T×cos56 =22T；

經校核可得各方向上的安全系數：

ns= n×F預緊min/F吊耳正拉力=15.6；

nb= πr2×σ屈服極限×η×n/F吊耳剪切力=25；

式中：

ns—吊耳正應力安全系數；

nb—吊耳剪切力安全系數；

n—螺栓數量，此形式吊耳有10顆螺栓；

σ—螺栓屈服極限，屈服極限σ=900mPa；

η—剪應力系數，現取剪應力系數0.6。

故螺栓有一定的安全系數儲備，滿足要求。

b）吊耳有限元分析

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進行有限元分析。分析結果如圖10、圖11所示，吊耳最大等效應力為109.9 mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應力在75mPa左右，最大變形0.28mm。

圖10　螺栓式吊耳應力圖

圖11　螺栓式吊耳形變圖

可以看出，該形式吊耳基本滿足要求。

2.4箱式吊耳

2.4.1吊耳結構形式。

先用板材拼焊成箱體，用銷軸將吊臂與箱體穿接起來。將箱體整體焊裝在盾體內部，周圍焊接筋板支撐，吊耳在使用時可以將吊臂旋轉成豎直狀態，如圖12、13所示。

圖12　箱式吊耳結構圖

圖13　箱式吊耳使用示意圖

2.4.2吊耳校核及有限元分析。

銷軸分析校核

經分析箱式吊耳在盾體豎直起吊狀態時受力最差。箱式吊耳結構及受力狀況如圖14所示：

圖14　 箱式吊耳起吊狀態受力圖

銷子受剪切力，計算得：

剪切力：Q剪切力=F/2=40T/2=20T；

剪切面面積：A=πd2/4=4534.16mm2；

剪應力：τ=Q剪切力/A=44mPa。

銷子的直徑為D=76mm，材料20Cr，其屈服強度是520mPa，現取剪應力系數0.6。

所以，安全系數n=520×0.6/33.1=9.4。

因此，銷軸滿足盾體最大吊裝安全性能儲備要求。

吊耳有限元分析

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進行有限元分析。分析結果如圖15、圖16所示，吊耳最大等效應力為213.5mPa，吊耳耳板的平均應力在94mPa左右，最大變形0.12mm。可以看出，該形式吊耳基本滿足要求。

圖15　 箱式吊耳應力圖

圖16　箱式吊耳形變圖

3.四種類型吊耳有限元分析結果對比

經計算分析，這四種吊耳均能滿足吊裝要求，但是在吊裝使用時各有優劣，如表格1所示：

4.結束語

本文經過對以上四種吊耳進行結構設計和強度計算分析，可以看出這四種形式的吊耳均可以滿足施工現場使用要求，但是這四種吊耳在使用時均存在一定的優劣點，我們在這里進行詳細對比，可以指導現場工人根據不同需求進行選擇使用。

參考文獻：

［1］中國鐵道總公司.隧道掘進機施工技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］黃芹朋.盾構吊裝設備選擇與工藝計算［J］.建筑機械（下半月），2014（3）：45-47.

［3］朱森林.李慧敏.談塔機用鋼絲繩的選用［J］.建筑機械化，2009，30（3）：61-63.