兩臂一籃式鋼拱架安裝機(jī)研究及有限元分析

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(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，隧道施工越來越多，軟圍巖施工也隨之增加，在軟圍巖施工中通常會(huì)進(jìn)行鋼拱架支護(hù)來提高軟圍巖的穩(wěn)定性，以防止坍塌。鋼拱架有鋼拱和格柵拱兩種，鋼拱一般采用工字鋼彎制而成，格柵拱采用工程用鋼筋拼接焊接而成，配合錨桿、鋼筋網(wǎng)和混凝土噴射進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。目前國(guó)內(nèi)一般采用人工安裝為主，簡(jiǎn)易機(jī)械為輔，施工中不僅強(qiáng)度大、效率低，而且危險(xiǎn)性大、安裝質(zhì)量低[1-2]。采用國(guó)外的安裝機(jī)，不僅價(jià)格昂貴而且不適用于我國(guó)作業(yè)環(huán)境和施工要求。因此急需研發(fā)一種適用于我國(guó)隧道施工的新型拱架安裝機(jī)，配合其隧道機(jī)械施工，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)隧道機(jī)械化配套作業(yè)具有重要意義[3]。

1 國(guó)內(nèi)外拱裝機(jī)研制發(fā)展、現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研制、發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外隧道施工技術(shù)發(fā)展較早，機(jī)械化自動(dòng)化程度較高，各作業(yè)設(shè)備較為齊全，鋼拱架安裝機(jī)在軟圍巖支護(hù)過程中廣泛使用。國(guó)外鋼拱架安裝機(jī)產(chǎn)品形式豐富，生產(chǎn)拱架安裝設(shè)備的廠家較多，主要有芬蘭Normet、日本古河以及日本愛知等[4]。其中日本愛知公司生產(chǎn)的HYL5073JGKA 型高空作業(yè)平臺(tái)車、芬蘭Normet公司的UTILIFT2000四臂鋼拱架安裝機(jī)(圖1)和日本古河機(jī)械金屬株式會(huì)社的支護(hù)架設(shè)和混凝土噴漿組合機(jī)MCH1220Z (圖2)最為典型[5]。

圖1 UTILIFT2000 圖2 MCH1220Z

1.2 國(guó)內(nèi)研制、發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)隧道施工技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)拱架安裝的設(shè)備還在研究之中。鋼拱架支護(hù)一般由人工進(jìn)行(圖3)，人工安裝勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全系數(shù)低、危險(xiǎn)性高。

國(guó)內(nèi)最具代表性的鋼拱架安裝機(jī)是由中鐵隧道集團(tuán)專用設(shè)備中心設(shè)計(jì)開發(fā)的，該設(shè)備以神鋼SK200型液壓挖掘機(jī)為平臺(tái)，在其小臂上安裝翻轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝吊籃機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其次，最為典型的屬洛陽聚科特種工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的J0C0-01鋼拱架安裝機(jī)(圖4)，采用液壓挖掘機(jī)為底盤，工作裝置為小臂，把小臂末端改裝成一個(gè)可實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的夾緊裝置，此外在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上加裝了吊籃機(jī)構(gòu)，以輔助安裝。

圖3 人工安裝 圖4 J0C0-01鋼拱架安裝機(jī)

通過對(duì)比國(guó)外鋼拱架安裝設(shè)備可以看出來，我國(guó)鋼拱架安裝設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用與國(guó)外還有較大的差距。在作業(yè)范圍和作業(yè)多功能化方面與國(guó)外專用設(shè)備有著較大的差距，因此研發(fā)一種適用于我國(guó)的拱架運(yùn)輸及安裝的專用機(jī)械十分必要[6]。

2 兩臂一籃式鋼拱架安裝機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

兩臂一籃式鋼拱架安裝機(jī)主要由底盤、工作平臺(tái)、工作裝置、吊籃系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)六大部分組成。工作裝置和吊籃系統(tǒng)安裝于工作平臺(tái)上，具體結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 安裝機(jī)主要組成部分

兩臂一籃式鋼拱架安裝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)拱架的運(yùn)輸以及安裝等功能，圖6中底座1安裝在工作平臺(tái)上能夠使整個(gè)工作裝置實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整整個(gè)工作裝置的位置；動(dòng)臂2支撐斗桿以及加持機(jī)構(gòu)；斗桿調(diào)節(jié)油缸3能夠上下調(diào)節(jié)斗桿以及加持機(jī)構(gòu)；斗桿4支撐整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)以及鋼拱架；夾持油缸5能夠?qū)崿F(xiàn)加持機(jī)構(gòu)的左右微調(diào)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6能夠?qū)崿F(xiàn)夾持器360°旋轉(zhuǎn)；夾持油缸8實(shí)現(xiàn)鋼拱架的夾持；夾持機(jī)構(gòu)油缸10實(shí)現(xiàn)加持機(jī)構(gòu)的上下微調(diào)；動(dòng)臂油缸11支撐整個(gè)工作裝置的上下擺動(dòng)；整個(gè)工作裝置的動(dòng)作由7部分組成，分別包括：動(dòng)臂俯仰、動(dòng)臂偏擺、斗桿俯仰、加持機(jī)構(gòu)俯仰、夾持器偏擺、夾持器旋轉(zhuǎn)；七個(gè)動(dòng)作聯(lián)合運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)鋼拱架的安裝，前端微調(diào)機(jī)構(gòu)能夠精確的調(diào)整鋼拱架位置，使鋼拱架的安裝更加快捷、方便、高效等。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖6 工作裝置主要組成部分

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵零部件力學(xué)性能分析

夾持機(jī)構(gòu)是整個(gè)工作裝置的核心部位，有3個(gè)自由度，在鋼拱架安裝過程中對(duì)鋼拱架進(jìn)行夾持、微調(diào)等作用，是鋼拱架安裝質(zhì)量的重要保障。動(dòng)臂是整個(gè)工作裝置的重要部分，支撐斗桿、加持機(jī)構(gòu)以及鋼拱架，是鋼拱架安裝的前提。此兩個(gè)部件一旦出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致鋼拱架無法安裝，所以有必要針對(duì)以上兩個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證鋼拱架安全、高效、高質(zhì)量安裝[7-8]。

3.1 夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析

1)材料屬性：牌號(hào)Q295A，材料屈服點(diǎn)σs因板厚不同而屈服極限值也不同，夾持裝置最大板厚為固定板圓孔連接處25 mm，故統(tǒng)一最小屈服極限值275 MPa；

2)邊界條件：固定連接圓孔部分，即與斗桿連接的圓孔部分；

3)施加載荷：取最大受力狀態(tài)分析，即夾頭處于水平抓取狀態(tài)。該狀態(tài)下整個(gè)夾持裝置受力情況為：夾頭處受工字鋼重力為F1，工字鋼抓取偏置對(duì)夾頭部分產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T2，夾頭擺動(dòng)油缸對(duì)夾頭有一對(duì)作用力與反作用力F5。夾持油缸對(duì)夾頭上下板產(chǎn)生一對(duì)作用力與反作用力F4；

4)夾持裝置具體相關(guān)參數(shù)為：一般工字鋼重量：300～600 kg，設(shè)計(jì)時(shí)按600 kg算；工字鋼總長(zhǎng)8 m，夾持位置為中間位置偏右3 m處。夾頭擺動(dòng)油缸與夾持油缸缸徑腔面積均為28.27 mm，工作壓力300 bar；

F1=6000 N，垂直作用于抓頭下板處；

T2=1800 N/m，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向；

F3×300×10=84810 N=F4，作用力方向沿液壓缸軸向方向。

5)把模型導(dǎo)入hyperworks中，施加相應(yīng)載荷，分析結(jié)果如圖7。

圖7 夾頭應(yīng)力應(yīng)變分布圖

結(jié)論：由圖7可知在夾頭張角部位和軸銷孔連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為19.92 MPa；

校核結(jié)果：最大應(yīng)力值19.92 MPa小于所選低合金高強(qiáng)度鋼Q295A的最小屈服極限值275 MPa。

即σ(19.92 MPa)≤σs(275 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 工作裝置動(dòng)臂應(yīng)力應(yīng)變分析

圖8 動(dòng)臂三維模型圖

動(dòng)臂三維模型圖如圖8。

1)材料屬性：選用牌號(hào)Q295B的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，動(dòng)臂最大板厚為底板30 mm，故統(tǒng)一最小屈服極限值275 MPa；

2)邊界條件：固定下方連接底盤的旋轉(zhuǎn)軸心處；

3)施加載荷：大臂受力情況為，動(dòng)臂油缸對(duì)它的支持推力F1，斗桿油缸對(duì)它的反推力F2以及前端斗桿，夾持裝置等對(duì)其前端兩耳的壓力F3；

4)具體機(jī)構(gòu)參數(shù)：前端斗桿以上部分重量：751 kg，工字鋼重400 kg，動(dòng)臂油缸缸徑腔面積95.03 mm2，油缸工作壓力300bar，斗桿油缸缸徑腔面積95.03 mm2，油缸工作壓力300bar。

計(jì)算得：

F1=285090 N，與上文工作臂底盤下耳受力為作用力與反作用力，上文力大小為167143 N，有167143 N<285090 N，滿足強(qiáng)度要求，則F1=167143 N。

F2=57019 N<285 090 N，滿足強(qiáng)度要求。則F2=57 019 N；

方向：F1與水平方向夾角28.1003°，F(xiàn)2與水平方向夾角4.277°；

F3=59283 N，均布與兩側(cè)耳上。方向與水平夾角36.524°。

5)應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

單純考慮兩油缸作用于整個(gè)大臂時(shí)的情況，考慮極端情況下大臂的受力情況，特別考慮上下兩耳及周邊的應(yīng)力情況。即約束大臂兩端，加載力F1，F(xiàn)2至上下兩耳，F(xiàn)1=F2=285090 N，方向不變。

結(jié)論：由圖9可知在上下耳板與動(dòng)臂連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為59.04 MPa。

圖9 動(dòng)臂應(yīng)力分布圖

校核結(jié)果：最大應(yīng)力值59.04 MPa小于所選低合金高強(qiáng)度鋼Q295B的最小屈服極限值275 MPa，即σ≤σs，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

本文主要介紹了兩臂一籃新型鋼拱架安裝機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)其工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，此外還對(duì)工作裝置的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，并且都滿足強(qiáng)度要求。

新型拱架安裝機(jī)在隧道鋼拱架支護(hù)過程中能夠解決人工安裝強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)性高、 安裝質(zhì)量低等問題，實(shí)現(xiàn)鋼拱架安裝機(jī)械化作業(yè)，是隧道機(jī)械化配套施工的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)隧道建設(shè)有著重要意義。

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