鋼拱架安裝機(jī)花拱夾持裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧 靜，張家放，陳祚進(jìn)

(中鐵五局集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

當(dāng)前時(shí)期，中國范圍內(nèi)的交通運(yùn)輸行業(yè)，正處于迅猛前進(jìn)當(dāng)中，公路及鐵路建設(shè)中對(duì)于隧道施工的機(jī)械化程度亟需提升。如果于隧道施工過程中，發(fā)現(xiàn)軟弱巖層，則通常需要借助鋼拱架的力量支護(hù)，這樣才可提高圍巖結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，有效預(yù)防坍塌事故的發(fā)生。現(xiàn)如今，中國范圍內(nèi)的鋼拱架安裝往往選用人工傳統(tǒng)方式，即依托于裝載機(jī)，以人工的形式進(jìn)行安裝[1-4]。

拱架安裝機(jī)需要夾持兩種不同的拱架，一個(gè)是型鋼拱架，另外一個(gè)是格柵拱架(俗稱花拱架)[5]，如圖1所示。它們之間的各種區(qū)別，使得型鋼拱架夾持裝置和花拱拱架夾持裝置不完全一樣。

圖1 格柵拱架和型鋼拱架

國外對(duì)于鋼拱架安裝機(jī)的研究起步，早投入大，已取得一定進(jìn)展。當(dāng)前時(shí)期，某些西方發(fā)達(dá)國家的隧道施工技術(shù)，已充分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。例如 ：日本愛知成功研發(fā)出HYL5073JGKA臺(tái)車，不僅如此，芬蘭Normet也成功研發(fā)出了UTILIFT2000臺(tái)車[6-8]。這些臺(tái)車多為夾持型鋼拱架的機(jī)械手或帶混凝土噴射的多功能機(jī)械手。

該階段中國正致力于完善拱架安裝設(shè)備。例如：洛陽聚科特種工程機(jī)械企業(yè)，成功研發(fā)出JOCO-01安裝機(jī)，其將底盤設(shè)定為挖掘機(jī)，主要工作臂是小臂，在小臂其末安裝一個(gè)夾緊裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)將拱架夾取到所需的工作位置[9]，具體見圖2。

圖2 JOCO-01系列鋼拱架安裝機(jī)

國內(nèi)有幾家專業(yè)的隧道建設(shè)施工企業(yè)在近兩年內(nèi)也開始研制鋼拱架安裝機(jī)械手。

重慶城建控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司研發(fā)了附著型隧道拱架快速安裝機(jī)械手，該機(jī)械手施工時(shí)需要施工人員在安裝前將型鋼拱架一片一片的連接成一個(gè)完整的拱架；然后在混凝土噴射手的前臂上安裝機(jī)械手臂架；液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿，得到一個(gè)向前的動(dòng)力，使活動(dòng)夾掐住需要安裝的型鋼拱架，操作混凝土噴射手，使其安裝到位。

湖南五新隧道智能裝備股份有限公司研發(fā)了一種隧道拱架作業(yè)車上使用的夾持裝置[11]。該夾持裝置包括L形支架，支架上活動(dòng)連接著支撐板。支撐板上方用來安裝工作平臺(tái)，并且活動(dòng)連接著臂架，抓手包括固定抓手與活動(dòng)抓手。

中鐵五局集團(tuán)機(jī)電有限責(zé)任公司研制了一種GJAZ-12L型隧道施工拱架安裝機(jī)，該機(jī)是以折疊式主臂架與中間伸縮式工作平臺(tái)(吊籃)組合的“兩臂一籃”的結(jié)構(gòu)(圖3)。該裝置設(shè)計(jì)了多自由度拱架夾持機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)拱架夾持、精準(zhǔn)位置調(diào)整、安裝等多項(xiàng)功能。同時(shí)還可以更換夾持頭，實(shí)現(xiàn)型鋼拱架和花拱的夾持[12]。

圖3 GJAZ-12L型隧道施工拱架安裝機(jī)

目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的臺(tái)車夾持裝置,其中對(duì)花拱架的夾持等問題研究較少，夾持機(jī)構(gòu)的可變性、靈活性、防變形能力等方面還有待研究。

1 拱架安裝機(jī)花拱夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況結(jié)合工程機(jī)械設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的夾持頭采用液壓驅(qū)動(dòng)，能夠夾持特定尺寸的花拱拱架。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式有以下幾個(gè)部分，主要有回轉(zhuǎn)支撐連接座的設(shè)計(jì)、夾持頭活動(dòng)夾板的設(shè)計(jì)、液壓油缸設(shè)計(jì)、夾持頭固定夾板的設(shè)計(jì)四個(gè)部分組合而成。

在夾持部分的夾持端創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一塊L形的夾持板，用來限制夾持時(shí)的高度，可以使花拱夾持頭在夾持的時(shí)候保證花拱被夾持部位不會(huì)變形很大。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的花拱的夾持功能，設(shè)計(jì)了一種可拆換的L型夾持板，采用螺栓固定L形夾持板；根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)花拱的尺寸規(guī)格，配套設(shè)計(jì)不同大小的L型夾持板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的花拱的夾持安裝功能。本文中設(shè)計(jì)的花拱夾頭可夾持150 mm高度的花拱。具體如圖4所示。

圖4 花拱夾持機(jī)構(gòu)三維模型圖

2 花拱夾持機(jī)構(gòu)的有限元分析

由于ANSYS軟件和常見三維建模軟件有良好的交互，所以，能夠于現(xiàn)有的ANSYS軟件中，引入已構(gòu)建的SolidWorks模型，并據(jù)此展開科學(xué)合理的有限元分析[13-14]。

1)材料屬性：牌號(hào)Q295A，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，其材料屈服點(diǎn)σs因板厚不同屈服極限值也不同，夾持機(jī)構(gòu)最大板厚處為固定板圓孔連接處，為25 mm，所以統(tǒng)一最小屈服極限值，為275 MPa。

2)網(wǎng)格劃分：采用10 mm標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 花拱夾持機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

3)邊界條件設(shè)置

a.固定約束

對(duì)抓手左側(cè)的螺栓孔進(jìn)行完全約束。

b.工件自重

抓手承受工件的重力作用，其大小為2000 N。

c.工件產(chǎn)生的扭矩

拱架總長8 m，為了便于拱架安裝，通常夾持位置選擇在中心位置偏置3 m處。因此，由于夾持位置偏置對(duì)夾頭處產(chǎn)生的扭矩為：

T=F×L=2000×3=6000 N·m

d.汽缸推力

該型號(hào)的液壓油缸的拉力為：

F拉=3.14×(R2-r2)×P=3.14×(252-142)×16=21552.96 N

夾頭所受壓力為氣缸推力在夾頭平面的分力，其力大小：

4)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

圖6 花拱夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖6可知：在拱架夾持頭中間避空位置，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，例如：在圖6的所指區(qū)域，可知其最高可以達(dá)到194.11 MPa，并未高于材料自身的屈服強(qiáng)度275 MPa，即σ(194.11 MPa)≤σs(270 MPa)，故設(shè)計(jì)滿足使用要求。

3 花拱夾持機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

為了測(cè)試拱架安裝機(jī)夾持機(jī)構(gòu)在隧道內(nèi)實(shí)際工作環(huán)境下的性能，將拱架安裝機(jī)運(yùn)送到了蒙華鐵路某隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)。

在試驗(yàn)施工過程中出現(xiàn)了兩方面的問題：一是上下夾持板夾持不密貼而出現(xiàn)拱架松脫；二是夾持機(jī)構(gòu)的夾持力過大而導(dǎo)致格柵拱架變形。

針對(duì)夾持不密貼易松動(dòng)的問題，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，認(rèn)為其原因在于上下夾板焊接固定在轉(zhuǎn)動(dòng)座上，并繞同一個(gè)鉸軸回轉(zhuǎn)，在夾持過程中，兩夾板始終存在一個(gè)角度(該角度隨花拱的大小變化而變化)，不能保持平行狀態(tài)，這就出現(xiàn)了夾持時(shí)不是“面面”接觸，而是“面線”接觸，甚至是“線線”接觸的問題。這使得工作時(shí)接觸面積不足，產(chǎn)生的摩擦力過小，而導(dǎo)致不密貼易松動(dòng)。

易松脫還存在另一個(gè)因素：原夾持板工作時(shí)的夾持特性是金屬和金屬接觸，其摩擦系數(shù)本身非常小，摩擦力也就不足，受力稍有偏向就容易滑脫。因此需要采取措施增加摩擦系數(shù)。

針對(duì)夾持力過大導(dǎo)致變形的問題，經(jīng)受力分析，認(rèn)為是夾持液壓油缸的推力過大，考慮到更改液壓系統(tǒng)設(shè)置方面比較復(fù)雜，容易引起連鎖問題，最好從結(jié)構(gòu)方面考慮設(shè)置限位機(jī)構(gòu)，防止壓變形。

針對(duì)上述分析結(jié)果，對(duì)夾持機(jī)構(gòu)實(shí)施了多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1)增加了限位裝置

創(chuàng)新設(shè)計(jì)了夾持頭受力限位裝置，該機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺母來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同花拱的夾持功能，相較于原設(shè)計(jì)的多塊L型夾持板，降低了加工制造成本，提高了勞動(dòng)效率；并且采用鉸接形式的鏈接，還能更好地防止夾持花拱時(shí)發(fā)生大的變形。限位裝置如圖7所示，由限位調(diào)節(jié)絲桿、定位板、調(diào)節(jié)螺母和限位座組成。限位塊采用萬向球鉸連接結(jié)構(gòu)形式，可實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，在進(jìn)行夾持限位時(shí)保證與活動(dòng)夾板保持緊密貼合，保證作業(yè)安全。而絲桿和調(diào)節(jié)螺母的組合可以有效調(diào)節(jié)限位距離，夾持不同型號(hào)的花拱。

圖7 限位裝置示意圖

2)設(shè)計(jì)了活動(dòng)夾板鉸軸連接結(jié)構(gòu)

在工況試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，夾頭并不能在保證花拱不變形的情況下，跟隨花拱的位置進(jìn)行夾緊，所以創(chuàng)新設(shè)計(jì)了活動(dòng)夾板鉸軸連接結(jié)構(gòu)，可在夾持不同型號(hào)的拱架時(shí)保持兩夾板始終平行夾緊，防止松脫。如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后花拱夾持機(jī)構(gòu)三維模型圖

3)增加了橡膠墊片

在活動(dòng)夾頭和固定夾頭上增加了橡膠墊片，多一重保護(hù)，更好地防止花拱被夾變形，同時(shí)起到防滑的效果。

圖9 優(yōu)化后花拱夾持機(jī)構(gòu)在工地進(jìn)行試驗(yàn)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，設(shè)備再次進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(圖9)。首次試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，在本次試驗(yàn)中都消除了，甚至還可以很好的夾持超過設(shè)計(jì)規(guī)格的更大尺寸的花拱，試驗(yàn)效果超過預(yù)期。設(shè)備經(jīng)過“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—優(yōu)化設(shè)計(jì)—試驗(yàn)”這個(gè)科學(xué)驗(yàn)證的過程，為今后的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文主要總結(jié)了鋼拱架安裝機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了一種鋼拱架安裝機(jī)并對(duì)其夾取格柵拱架的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立三維模型。

經(jīng)綜合考量，決定選用ANSYS軟件，圍繞夾持機(jī)構(gòu)展開科學(xué)合理的靜力學(xué)分析，基于所得結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)工業(yè)試驗(yàn)完成之后，筆者還圍繞現(xiàn)存的施工問題進(jìn)行了完善，通過增加限位裝置，活動(dòng)夾板鉸軸連接，增加橡膠墊片來實(shí)現(xiàn)夾持不同型號(hào)的花拱，同時(shí)防止夾持花拱時(shí)發(fā)生大的變形，保證夾持時(shí)兩夾板始終平行夾緊，防止松脫，滿足施工要求，在后續(xù)的施工中順利使用。