超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動翻身平吊裝置的設(shè)計及應(yīng)用

戴超人

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

近年來，隨著國家城市建設(shè)的不斷發(fā)展和隧道規(guī)模的不斷擴充，促使盾構(gòu)行業(yè)迅速向著大型化、規(guī)模化的方向發(fā)展，超大直徑盾構(gòu)機成為研究熱點[1-2]。在超大直徑盾構(gòu)機的研發(fā)生產(chǎn)過程中，各部件的組裝工藝技術(shù)對盾構(gòu)機制造的進度和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[3]。超大直徑盾構(gòu)機組裝工藝和普通直徑盾構(gòu)機相比具有較大差異，巨大的直徑帶來的是巨大的部件重量和巨大的部件尺寸，對工廠和現(xiàn)場的起吊重量、起吊高度都是巨大的挑戰(zhàn)。因此，超大直徑盾構(gòu)機中大質(zhì)量大尺寸部件總成的吊裝成為組裝過程中的重點和難點[4-6]。主驅(qū)動總成作為超大直徑盾構(gòu)整機中單體最重的核心部件之一，其吊裝成為組裝階段的關(guān)鍵工序[7-8]。針對超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動吊裝，業(yè)內(nèi)已研發(fā)出安全可行的大型螺栓聯(lián)接式吊裝工裝，可通過廠房內(nèi)大噸位起重機和安裝在主驅(qū)動總成的上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架的配合，完成主驅(qū)動總成的翻身工序，并通過單臺大噸位橋式起重機裝配至盾體分塊上。但該吊裝工裝依托國內(nèi)自主研制12.14 m直徑盾構(gòu)項目，主驅(qū)動總重約250 t，單臺150 t+150 t行車滿足主驅(qū)動翻身后的吊裝工序[9]。但隨盾構(gòu)機直徑的增大，主驅(qū)動總重亦會增重，一般工廠內(nèi)裝配車間的起重能力配備就會難以滿足超大直徑盾構(gòu)機的主驅(qū)動起吊，重新投資更大噸位的橋式起重機會增加成本且浪費現(xiàn)有起重資源，租用大型汽車吊則會因裝配車間空間受限且亦增加成本；而如果將現(xiàn)有的2臺橋式起重機一起配合吊裝即可滿足要求。由于2臺橋式起重機的吊鉤之間距離遠遠超過主驅(qū)動及翻身工裝尺寸，因此需要在基于大型螺栓聯(lián)接翻身工裝的基礎(chǔ)上，改進優(yōu)化該吊具，可使該吊具用于主驅(qū)動翻身及2臺橋式起重機同時作業(yè)吊裝[10-11]。因此，設(shè)計一種方便、可靠、經(jīng)濟、適用性廣的新型吊裝裝置，可節(jié)省資源，降低吊裝成本，對超大直徑盾構(gòu)機的研發(fā)與生產(chǎn)具有重要意義。

針對此問題，本文在充分研究各類型盾構(gòu)機主驅(qū)動翻身工裝的基礎(chǔ)上，以國內(nèi)自主研制的開挖直徑為15 020 mm的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)項目為依托，結(jié)合廠房裝配車間起重能力配備情況，創(chuàng)新性地設(shè)計了新型的超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動翻身吊裝裝置，并在項目中成功應(yīng)用。該翻身吊裝裝置主要由翻身使用的上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和平吊使用的懸臂梁組成，運用該吊裝裝置可將超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動總成翻身并使用雙臺橋式起重機吊裝至盾體分塊上，吊裝裝置安全度高，操作簡單，適應(yīng)性廣。

1 吊裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 吊裝裝置結(jié)構(gòu)組成

該盾構(gòu)項目中，開挖直徑為15 020 mm，主驅(qū)動總成質(zhì)量約為308 t，裝配工位上配備150 t+150 t雙鉤橋式起重機、100 t+100 t雙鉤橋式起重機、25 t+25 t雙鉤橋式起重機和16 t橋式起重機，其中150 t+150 t雙鉤橋式起重機和100 t+100 t雙鉤橋式起重機的吊鉤間距為8 m。本文設(shè)計的吊裝裝置主要由上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和懸臂梁等結(jié)構(gòu)件組成，上翻轉(zhuǎn)架質(zhì)量約為28 t，下翻轉(zhuǎn)架質(zhì)量約為27 t，4個懸臂梁總質(zhì)量約為14 t，上翻轉(zhuǎn)架和下翻轉(zhuǎn)架分別通過雙頭螺柱和螺母與主驅(qū)動伸縮箱和主驅(qū)動法蘭聯(lián)接緊固，懸臂梁通過螺栓螺母和定位銷與上翻轉(zhuǎn)架聯(lián)接緊固，該吊裝裝置與主驅(qū)動整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 吊裝裝置結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

結(jié)合主驅(qū)動總成的結(jié)構(gòu)特點及主驅(qū)動總成吊裝過程的工序要求，吊裝裝置主要由上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和懸臂梁3部分組成。

吊裝裝置的3部分結(jié)構(gòu)件分別根據(jù)各自功能需要進行特殊設(shè)計：懸臂梁主要用于主驅(qū)動總成的豎直吊裝，用于與盾體組裝階段，需承受主驅(qū)動總成的全部重量及上翻轉(zhuǎn)架自重，并且設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點能滿足2臺橋式起重機同時起吊；上翻轉(zhuǎn)架用于主驅(qū)動總成翻身受力和水平吊運，應(yīng)設(shè)置接口與懸臂梁連接緊固；下翻轉(zhuǎn)架主要輔助上翻轉(zhuǎn)架完成主驅(qū)動總成的翻身及水平吊運；為保證整體剛度，上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架以及懸臂梁都應(yīng)設(shè)置橫梁連接。此外，主驅(qū)動重量大，翻身時采用下翻轉(zhuǎn)架在地面鋼板上翻轉(zhuǎn)的方法完成主驅(qū)動的翻身工序，下翻轉(zhuǎn)架耳板應(yīng)設(shè)計過渡圓弧，使主驅(qū)動總成翻身隨過渡圓弧緩慢完成。

吊裝裝置結(jié)構(gòu)中的上翻轉(zhuǎn)架和下翻轉(zhuǎn)架分別通過雙頭螺柱與主驅(qū)動伸縮箱和主驅(qū)動法蘭聯(lián)接，懸臂梁通過螺栓和定位銷與上翻轉(zhuǎn)架聯(lián)接，方便裝置的安裝及重復(fù)利用。由于主驅(qū)動法蘭與主驅(qū)動伸縮箱裝配時會發(fā)生相對運動，上、下翻轉(zhuǎn)架安裝之前應(yīng)注意主驅(qū)動伸縮箱和主驅(qū)動法蘭的相對位置，保證吊裝裝置準確完成裝配動作。

1.3 吊裝作業(yè)流程

吊裝作業(yè)流程(見圖2)如下。

1)主驅(qū)動在部件裝配車間完成部裝工序，擺放狀態(tài)為法蘭面朝下，變速箱朝上。

2)裝配主驅(qū)動吊裝裝置中上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架，使用上、下翻轉(zhuǎn)架上吊點將主驅(qū)動總成水平吊運至整機裝配車間，裝配車間地面應(yīng)鋪設(shè)鋼板，主驅(qū)動總成使用合適支承墩架高。

3)使用150 t+150 t橋式起重機作為主鉤連接上翻轉(zhuǎn)架兩邊吊點，100 t+100 t橋式起重機作為副鉤連接下翻轉(zhuǎn)架兩邊吊點，2臺橋式起重機水平起吊主驅(qū)動總成至一定高度后，移除鋼板上支承墩，然后主鉤繼續(xù)緩慢上升，副鉤緩慢下降至下翻轉(zhuǎn)架落于地面鋼板，摘除副鉤，主鉤繼續(xù)緩慢上升，同時橋式起重機朝副鉤方向緩慢駛動，至主驅(qū)動總成翻身90°。

4)使用合適的型鋼將下翻轉(zhuǎn)架與地面鋼板進行焊接牢固，下翻轉(zhuǎn)架橫梁處增加支承，確保主驅(qū)動總成保持90°姿態(tài)穩(wěn)固無傾翻后，松鉤。

5)使用小噸位橋式起重機裝配懸臂梁與橫梁，并將150 t+150 t橋式起重機、100 t+100t橋式起重機換鉤至懸臂梁前后共4個吊點上，橋式起重機承載受力后拆除下翻轉(zhuǎn)架，試吊穩(wěn)定后，將主驅(qū)動豎直吊運至盾構(gòu)機前中盾底部分塊上。

2 吊裝工裝結(jié)構(gòu)強度分析

建立吊裝裝置三維模型并導(dǎo)入ABAQUS軟件。將模型中所有的焊縫、螺栓孔刪除并將整個吊裝裝置合并為一個整體，減少整個模型的網(wǎng)格劃分和計算難度。整個模型采用C3D8網(wǎng)格對模型進行劃分，對于吊耳附件進行局部網(wǎng)格加密。對懸臂梁處的4個吊耳處約束6個自由度，裝置與主驅(qū)動連接處施加均勻力載荷355 t，載荷方向與重力方向重合，其網(wǎng)格劃分和施加約束如圖3所示。考慮到在整個翻身過程中所有的動作都是緩慢進行，其加速、振動等都極小，故可以近似地認為吊裝過程是一個靜力學(xué)問題，故本次仿真計算采用ABAQUS/Standard進行分析。

懸臂梁組件應(yīng)力和位移仿真分析云圖如圖4所示，仿真結(jié)果見表1。懸臂梁組件最大外形尺寸約為9 060 mm×4 590 mm×3 750 mm，通過仿真分析結(jié)果表明，最大形變量為10.09 mm，對懸臂梁組件整體吊裝功能無影響；吊裝裝置材料使用Q345低合金鋼，其相關(guān)性能參數(shù)見表2，通過仿真分析結(jié)果表明，吊裝裝置最大應(yīng)力為280 MPa，在合理范圍內(nèi)，對懸臂梁組件整體強度無影響。

表1 懸臂梁組件仿真結(jié)果表

表2 低合金鋼Q345相關(guān)性能參數(shù)表

3 吊裝工裝實際應(yīng)用

超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動吊裝翻身裝置在廠房的使用過程如圖5所示。該翻身吊裝裝置在實際應(yīng)用中可以順利完成主驅(qū)動總成的翻身和翻身后的豎直平吊，作業(yè)過程中安全度高，工人勞動強度低，整體使用效果良好；并且吊裝裝置各部件通過螺栓聯(lián)接，方便吊裝裝置的拆裝、運輸及重復(fù)使用。

4 結(jié)語

結(jié)合主驅(qū)動總成結(jié)構(gòu)特點、裝配工序要求和裝配工位起重條件，設(shè)計了便捷、安全、經(jīng)濟、適用的翻身平吊裝置，可適用于超大直徑盾構(gòu)機主驅(qū)動使用雙臺橋式起重機翻身平吊。

根據(jù)實際裝配工況，應(yīng)用ABAQUS軟件對吊裝裝置三維建模施加載荷和約束進行了受力模擬仿真分析，分析結(jié)果顯示：吊裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求。按吊裝作業(yè)流程設(shè)計實際使用該吊裝裝置，順利便捷地完成了主驅(qū)動裝配工序，驗證了該吊裝裝置的可行性和安全性。該吊裝裝置的設(shè)計與應(yīng)用，為后續(xù)超大直徑主驅(qū)動吊裝裝置的設(shè)計提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，對超大直徑盾構(gòu)機的研發(fā)設(shè)計有著重要意義。