中空軸式管片拼裝機平移梁機構(gòu)的安全性評估

陳鼎

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

1.引言

管片拼裝機是盾構(gòu)機的重要組成部分。盾構(gòu)機在實際掘進過程中，必須在掘進完成后，立即使用預(yù)制好的鋼筋混凝土管片進行隧道襯砌，以防止地下水土的滲透和地表的沉降，對已經(jīng)開挖好的隧道進行有效支護。管片拼裝機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行平穩(wěn)、快速、準確地拼裝，形成襯砌環(huán)，最終達到支護隧道開挖面的作用。管片拼裝機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的性能對提高整機性能和施工質(zhì)量都有積極的意義。

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

在目前常見的中空軸式管片拼裝機中，管片拼裝機的整體載荷是通過管片拼裝機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縱向移動的導軌。針對這兩根平移梁在拼裝機使用過程中的重要性，本文提出該結(jié)構(gòu)受力的安全性評估方法，以便在設(shè)計的過程中給出該機構(gòu)的優(yōu)化方案，從而提高該機構(gòu)的可靠性和安全性。

2.管片拼裝機結(jié)構(gòu)及工作過程

本文所討論中空軸式管片拼裝機，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；6-平移油缸；7-抓舉裝置。整個管片拼裝機的工作順序如下：由平移油缸推動固定環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)和抓舉裝置沿平移梁移動至平移梁末端的抓取位置，提升油缸帶動抓舉裝置伸出，對已經(jīng)運輸?shù)轿坏墓芷M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，由液壓馬達帶動旋轉(zhuǎn)環(huán)和抓舉裝置進行圓周方向的旋轉(zhuǎn)，在管片到達預(yù)定的拼裝位置時，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，依次重復預(yù)制管片的拼裝動作，直至完成整環(huán)管片的拼裝。

管片拼裝機的整套系統(tǒng)由液壓提供動力，驅(qū)動液壓馬達及油缸進行預(yù)制管片的拼裝動作。

3 平移梁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)

管片拼裝機的兩根平移梁機構(gòu)安裝在支撐環(huán)的H形支架上，不僅要支撐整個拼裝機的盤體，還要作為管片拼裝機的平移軌道。管片拼裝機的平移油缸使整個拼裝機通過滾輪沿著平移梁前后移動，使拼裝機能夠移動到管片儲運區(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，需要在加工時對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整個平移梁的加載情況進行結(jié)構(gòu)強度的計算。

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，主要由左右對稱的兩根主梁組成。兩根主梁之間由連接梁進行連接，其長度根據(jù)管片拼裝機的平移行程以及盾構(gòu)機內(nèi)部空間確定。在兩根主梁的兩側(cè)分別設(shè)計滾輪的軌道，使管片拼裝機整體在平移油缸的作用下進行沿隧道軸向方向的縱向平移動作。

1）管片拼裝機沿平移梁移動的工作狀態(tài)；在這個狀態(tài)下，管片拼裝機不會做旋轉(zhuǎn)拼裝的動作，因此，平移梁機構(gòu)受到的載荷與整個管片拼裝機的重量和管片的重量有關(guān)；

2）管片拼裝機旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)；在這個狀態(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，平移梁受到的載荷與整個管片拼裝機產(chǎn)生的扭矩及管片之間接縫的密封壓力有關(guān)；

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

管片拼裝機產(chǎn)生的載荷將通過兩側(cè)的四只滾輪傳到平移梁機構(gòu)上。滾輪和平移梁之間的接觸在受到載荷前都是點接觸或線接觸，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）進行計算：

圖5 赫茲公式計算模型

3.管片拼裝平移梁機構(gòu)的安全性評估

為了保證設(shè)計的可靠性，利用SolidWords軟件建立管片拼裝機的三維模型，并根據(jù)之前的受力狀態(tài)模擬各工作狀態(tài)下管片拼裝機平移梁機構(gòu)的受力情況，對平移梁機構(gòu)進行安全性評估。

針對軟件的有限元分析計算，隨著網(wǎng)格不斷的細化，計算值和之前赫茲公式計算的數(shù)值趨近于相等。因此，可以使用赫茲公式中計算出的接觸面半寬作為平移梁主梁的受力面對平移梁機構(gòu)進行安全性評估。

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

1）管片拼裝機沿平移梁機構(gòu)移動的工作狀態(tài)

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

2）管片拼裝機旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)

管片拼裝機在拼裝襯砌環(huán)時，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。在管片拼裝機進行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，平移梁機構(gòu)將受到管片拼裝機產(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，平移梁機構(gòu)受到的載荷對平移梁機構(gòu)產(chǎn)生的力矩最大。此時，將平移梁機構(gòu)凹面與H形支架焊接的部分作為平移梁機構(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)計一臺直徑為14m的盾構(gòu)機，該盾構(gòu)機采用中空軸式拼裝機。針對該拼裝機平移梁的設(shè)計，按照之前的方法進行安全性評估。

在新設(shè)計的拼裝機中，兩根平移梁中各安裝直徑為800mm的滾動軸承，根據(jù)赫茲公式和Analysis軟件對該平移梁兩側(cè)的滾輪進行計算，計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)拼裝機的總負載和拼裝機抓取管片之后所產(chǎn)生的扭矩作為計算的邊界條件，根據(jù)上文的方法對該平移梁進行有限元分析，得出結(jié)果：1）管片拼裝機沿平移梁移動工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力153.7MPa，小于平移梁材料的屈服強度，滿足設(shè)計和使用要求；2）管片拼裝機旋轉(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度，滿足設(shè)計和使用要求。

管片拼裝機作為盾構(gòu)機的一個重要部件，可持續(xù)的穩(wěn)定工作具有重要的意義。平移梁機構(gòu)作為管片拼裝機的重要受力部件，其可靠性和安全性尤為突出。合理的評估管片拼裝機平移梁機構(gòu)的安全性，是管片拼裝機設(shè)計的基本前提。實踐表明，管片拼裝機能否達到施工要求和保證施工安全，關(guān)鍵在于管片拼裝機平移梁的可靠性和合理性設(shè)計，本文針對平移梁的受力進行了分析，并且建立了一種針對平移梁機構(gòu)安全性評估的方法，提高了平移梁設(shè)計的安全性和可靠性，為管片拼裝機設(shè)計節(jié)約更多的時間。