中空軸式管片拼裝機(jī)平移梁機(jī)構(gòu)的安全性評(píng)估

陳鼎

上海隧道工程有限公司機(jī)械制造分公司 設(shè)計(jì)技術(shù)科 上海 200137

1.引言

管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分。盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過程中，必須在掘進(jìn)完成后，立即使用預(yù)制好的鋼筋混凝土管片進(jìn)行隧道襯砌，以防止地下水土的滲透和地表的沉降，對(duì)已經(jīng)開挖好的隧道進(jìn)行有效支護(hù)。管片拼裝機(jī)的主要功能就是將每一塊預(yù)制好的鋼筋混凝土管片按照預(yù)定的拼裝位置和拼裝順序進(jìn)行平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確地拼裝，形成襯砌環(huán)，最終達(dá)到支護(hù)隧道開挖面的作用。管片拼裝機(jī)的性能好壞將直接影響到預(yù)制管片拼裝的質(zhì)量，因此提高管片拼裝機(jī)的性能對(duì)提高整機(jī)性能和施工質(zhì)量都有積極的意義。

管片拼裝機(jī)必須根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的組成形式和直徑大小、渣土處理方法、工作循環(huán)等因素來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證能夠準(zhǔn)確、高效地對(duì)管片進(jìn)行拼裝。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，管片拼裝機(jī)需要滿足兩個(gè)方面的要求：一是在抓取拼裝管片后，能夠?qū)崿F(xiàn)管片的全自由度運(yùn)動(dòng)，即管片拼裝機(jī)應(yīng)該具有抓取裝置、伸縮機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)；二是應(yīng)該能夠滿足拼裝過程中的動(dòng)力要求，即在抓取管片后要能夠安全、高效地完成各個(gè)動(dòng)作。

在目前常見的中空軸式管片拼裝機(jī)中，管片拼裝機(jī)的整體載荷是通過管片拼裝機(jī)的平移滾輪施加在兩根平移梁上，因此該平移梁既要承重又要作為管片拼裝機(jī)縱向移動(dòng)的導(dǎo)軌。針對(duì)這兩根平移梁在拼裝機(jī)使用過程中的重要性，本文提出該結(jié)構(gòu)受力的安全性評(píng)估方法，以便在設(shè)計(jì)的過程中給出該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案，從而提高該機(jī)構(gòu)的可靠性和安全性。

2.管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

本文所討論中空軸式管片拼裝機(jī)，主要的關(guān)鍵部件為：1-平移梁；2-提升油缸；3-旋轉(zhuǎn)環(huán)；4-固定環(huán)；5-液壓馬達(dá)；6-平移油缸；7-抓舉裝置。整個(gè)管片拼裝機(jī)的工作順序如下：由平移油缸推動(dòng)固定環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)和抓舉裝置沿平移梁移動(dòng)至平移梁末端的抓取位置，提升油缸帶動(dòng)抓舉裝置伸出，對(duì)已經(jīng)運(yùn)輸?shù)轿坏墓芷M(jìn)行抓取并將其提升；平移油缸回縮至襯砌環(huán)預(yù)定的拼裝位置，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)環(huán)和抓舉裝置進(jìn)行圓周方向的旋轉(zhuǎn)，在管片到達(dá)預(yù)定的拼裝位置時(shí)，提升油缸伸出并配合抓舉裝置將管片安裝到位，縮回提升油缸并將抓舉裝置回轉(zhuǎn)至抓取管片的位置，依次重復(fù)預(yù)制管片的拼裝動(dòng)作，直至完成整環(huán)管片的拼裝。

管片拼裝機(jī)的整套系統(tǒng)由液壓提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)及油缸進(jìn)行預(yù)制管片的拼裝動(dòng)作。

3 平移梁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)

管片拼裝機(jī)的兩根平移梁機(jī)構(gòu)安裝在支撐環(huán)的H形支架上，不僅要支撐整個(gè)拼裝機(jī)的盤體，還要作為管片拼裝機(jī)的平移軌道。管片拼裝機(jī)的平移油缸使整個(gè)拼裝機(jī)通過滾輪沿著平移梁前后移動(dòng)，使拼裝機(jī)能夠移動(dòng)到管片儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域和插入封頂塊。

凹凸連接板：凹面連接板和凸面連接板之間通過螺栓鉸接裝配，需要在加工時(shí)對(duì)兩面連接板需要鉸接和焊接的貼合面采用精加工保證兩個(gè)面之間的貼合度，并配作螺紋孔。凹面連接板的另一側(cè)則與盾構(gòu)的H形支架焊接，在受力分析中作為固定面的約束來對(duì)整個(gè)平移梁的加載情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算。

平移梁結(jié)構(gòu)件：平移梁結(jié)構(gòu)件為平移梁的主要受力部件，主要由左右對(duì)稱的兩根主梁組成。兩根主梁之間由連接梁進(jìn)行連接，其長度根據(jù)管片拼裝機(jī)的平移行程以及盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間確定。在兩根主梁的兩側(cè)分別設(shè)計(jì)滾輪的軌道，使管片拼裝機(jī)整體在平移油缸的作用下進(jìn)行沿隧道軸向方向的縱向平移動(dòng)作。

1）管片拼裝機(jī)沿平移梁移動(dòng)的工作狀態(tài)；在這個(gè)狀態(tài)下，管片拼裝機(jī)不會(huì)做旋轉(zhuǎn)拼裝的動(dòng)作，因此，平移梁機(jī)構(gòu)受到的載荷與整個(gè)管片拼裝機(jī)的重量和管片的重量有關(guān)；

2）管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)；在這個(gè)狀態(tài)下，平移油缸縮回至襯砌環(huán)預(yù)拼裝位置，由液壓馬達(dá)調(diào)整旋轉(zhuǎn)環(huán)至管片預(yù)拼裝位置，提升油缸伸出并配合抓舉裝置將管片安裝到位。此時(shí)，平移梁受到的載荷與整個(gè)管片拼裝機(jī)產(chǎn)生的扭矩及管片之間接縫的密封壓力有關(guān)；

平移梁機(jī)構(gòu)中的主梁作為整個(gè)管片拼裝機(jī)的承載梁，在設(shè)計(jì)上采用了箱型結(jié)構(gòu)。為了保證管片拼裝機(jī)在整個(gè)平移的運(yùn)動(dòng)過程中更加的平穩(wěn)，兩側(cè)均安裝有兩只滾輪在主梁的滾輪軌道中運(yùn)動(dòng)。

管片拼裝機(jī)產(chǎn)生的載荷將通過兩側(cè)的四只滾輪傳到平移梁機(jī)構(gòu)上。滾輪和平移梁之間的接觸在受到載荷前都是點(diǎn)接觸或線接觸，而在承受載荷之后，滾輪和平移梁的材料都發(fā)生彈性形變，之前的點(diǎn)接觸或線接觸終將轉(zhuǎn)變成為了面接觸。將平移梁視為直徑無窮大的圓柱體，則接觸面的寬度可以通過赫茲公式（如圖5所示）進(jìn)行計(jì)算：

圖5 赫茲公式計(jì)算模型

3.管片拼裝平移梁機(jī)構(gòu)的安全性評(píng)估

為了保證設(shè)計(jì)的可靠性，利用SolidWords軟件建立管片拼裝機(jī)的三維模型，并根據(jù)之前的受力狀態(tài)模擬各工作狀態(tài)下管片拼裝機(jī)平移梁機(jī)構(gòu)的受力情況，對(duì)平移梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估。

針對(duì)軟件的有限元分析計(jì)算，隨著網(wǎng)格不斷的細(xì)化，計(jì)算值和之前赫茲公式計(jì)算的數(shù)值趨近于相等。因此，可以使用赫茲公式中計(jì)算出的接觸面半寬作為平移梁主梁的受力面對(duì)平移梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估。

利用SolidWords軟件內(nèi)部集成的COSMOSWorks有限元分析子程序，以管片拼裝機(jī)受載荷為外部激勵(lì)條件，簡化平移梁模型結(jié)構(gòu)，并忽略圓角、切槽、焊縫等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，然后建立計(jì)算模型，劃分網(wǎng)格，添加載荷約束，最后分別在兩種工作狀態(tài)下對(duì)平移梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析計(jì)算。

1）管片拼裝機(jī)沿平移梁機(jī)構(gòu)移動(dòng)的工作狀態(tài)

管片拼裝機(jī)的平移梁機(jī)構(gòu)是通過其凹凸面懸臂固定，當(dāng)平移油缸伸出至極限值時(shí)，平移梁機(jī)構(gòu)受到的載荷對(duì)平移梁機(jī)構(gòu)的固定端產(chǎn)生的力矩最大。因此，將平移梁機(jī)構(gòu)凹面與H形支架焊接的部分作為平移梁機(jī)構(gòu)的固定面，將力矩最大處的載荷作為遠(yuǎn)程載荷加載在滾輪和平移梁主梁的接觸面上。

2）管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)

管片拼裝機(jī)在拼裝襯砌環(huán)時(shí)，沿隧道軸向方向的位置為襯砌環(huán)即將拼裝的環(huán)形區(qū)域。在管片拼裝機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，平移梁機(jī)構(gòu)將受到管片拼裝機(jī)產(chǎn)生的扭矩與管片之間密封壓力所產(chǎn)生的扭矩之和。將預(yù)制管片伸出至預(yù)拼裝位置時(shí)，平移梁機(jī)構(gòu)受到的載荷對(duì)平移梁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力矩最大。此時(shí)，將平移梁機(jī)構(gòu)凹面與H形支架焊接的部分作為平移梁機(jī)構(gòu)的固定面，將最大扭矩作為載荷加載在滾輪和平移梁主梁的接觸面上。

4.結(jié)論

根據(jù)市場需要，現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)直徑為14m的盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)采用中空軸式拼裝機(jī)。針對(duì)該拼裝機(jī)平移梁的設(shè)計(jì)，按照之前的方法進(jìn)行安全性評(píng)估。

在新設(shè)計(jì)的拼裝機(jī)中，兩根平移梁中各安裝直徑為800mm的滾動(dòng)軸承，根據(jù)赫茲公式和Analysis軟件對(duì)該平移梁兩側(cè)的滾輪進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出其接觸面積寬度約為60mmx150mm，將平移梁兩側(cè)的接觸面積設(shè)定為受力區(qū)域，再根據(jù)拼裝機(jī)的總負(fù)載和拼裝機(jī)抓取管片之后所產(chǎn)生的扭矩作為計(jì)算的邊界條件，根據(jù)上文的方法對(duì)該平移梁進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果：1）管片拼裝機(jī)沿平移梁移動(dòng)工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力153.7MPa，小于平移梁材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)和使用要求；2）管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力164MPa，小于平移梁材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

管片拼裝機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)重要部件，可持續(xù)的穩(wěn)定工作具有重要的意義。平移梁機(jī)構(gòu)作為管片拼裝機(jī)的重要受力部件，其可靠性和安全性尤為突出。合理的評(píng)估管片拼裝機(jī)平移梁機(jī)構(gòu)的安全性，是管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)的基本前提。實(shí)踐表明，管片拼裝機(jī)能否達(dá)到施工要求和保證施工安全，關(guān)鍵在于管片拼裝機(jī)平移梁的可靠性和合理性設(shè)計(jì)，本文針對(duì)平移梁的受力進(jìn)行了分析，并且建立了一種針對(duì)平移梁機(jī)構(gòu)安全性評(píng)估的方法，提高了平移梁設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，為管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)約更多的時(shí)間。