油缸驅(qū)動(dòng)式管片搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

倪鴻斌，楊雪芳，錢文啟，鄧高鈺

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

管片搬運(yùn)系統(tǒng)是整個(gè)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)把平板車上的管片搬運(yùn)到拼裝機(jī)的抓取范圍內(nèi)，再由拼裝機(jī)進(jìn)行管片拼裝作業(yè)。管片搬運(yùn)系統(tǒng)主要由管片搬運(yùn)小車、小車軌道梁和平衡梁組成。這種形式的管片搬運(yùn)小車是目前城市地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)上應(yīng)用最廣泛的一種，其優(yōu)點(diǎn)很明顯［1-2］：安裝簡單、使用便利、雙速起降。缺點(diǎn)是起重葫蘆外形尺寸一般較大，影響小車通過性（特別是配置了真圓器）；還有就是起重葫蘆容易損壞，較常見的是限位損壞、導(dǎo)鏈座磨損嚴(yán)重、電氣短路故障等。起重葫蘆采用環(huán)鏈葫蘆的形式，防護(hù)等級一般是IP55。而隧道施工環(huán)境惡劣，高溫濕度大，泥水砂土很容易覆蓋到管片小車并進(jìn)入起重葫蘆內(nèi)。另外，作業(yè)人員常有操作不規(guī)范，起吊傾角過大的行為，快起快降，而且管片搬運(yùn)小車的起吊作業(yè)亦是非常繁忙，所以管片搬運(yùn)小車的起重葫蘆經(jīng)常發(fā)生故障，需要頻繁的保養(yǎng)和檢修，對施工進(jìn)度產(chǎn)生不利影響。本文針對上述管片搬運(yùn)小車的形式，提出了另一種管片搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)，即利用液壓油缸和鋼絲繩的組合來替換掉環(huán)鏈起重葫蘆。這種新形式的管片搬運(yùn)小車可以明顯降低小車的故障率并減少維保檢修的工作量。

1 油缸驅(qū)動(dòng)式管片搬運(yùn)小車系統(tǒng)的原理

如圖1所示，該搬運(yùn)系統(tǒng)主要由起升油缸、鋼絲繩滑輪繞組、行走小車和平衡梁組成。行走小車?yán)脻L輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)行走在工字型軌道梁上，液壓油缸的伸縮動(dòng)作帶動(dòng)活塞桿頭部的定滑輪移動(dòng)，使得鋼絲繩伸長或收緊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平衡梁的起降，帶動(dòng)掛載在平衡梁之下的管片起降。通過一些列的動(dòng)作，使管片從臺(tái)車部位移動(dòng)到盾尾，實(shí)現(xiàn)管片搬運(yùn)的功能。

圖1 液壓油缸和鋼絲繩組合式管片搬運(yùn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

管片運(yùn)輸系統(tǒng)伸縮油缸通過支架固定在連接橋鋼架上，其活塞桿端部安裝有定滑輪組。定滑輪組上纏繞的鋼絲繩基本水平，油缸所受載荷方向也基本水平，因此負(fù)載不會(huì)對活塞桿形成豎向力，這對長行程的活塞桿是比較有利的受力方向。為保險(xiǎn)起見，在定滑輪下部安裝導(dǎo)軌和導(dǎo)輪，可以抵消活塞桿承受的彎矩，有效保證油缸的使用壽命。鋼絲繩繞過幾組滑輪和平衡梁后穿過小車。小車架分成驅(qū)動(dòng)車架和起重車架兩段，兩段車間鉸接連接，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整時(shí)小車會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)車架安裝了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和同步齒輪及鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈條固定在工字型軌道梁底部。這種鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)非常成熟，6m級盾構(gòu)機(jī)一般都是采用這種傳動(dòng)形式。起重車架最常見的是下掛起重葫蘆，此處則用鋼絲繩和滑輪組替代。

與掛載環(huán)鏈起重葫蘆比較，油缸加鋼絲繩組合式的起重方式，其設(shè)計(jì)和安裝相對復(fù)雜，但是優(yōu)點(diǎn)也很明顯。純機(jī)械結(jié)構(gòu)的耐用性要好于電氣結(jié)構(gòu)的耐用性，且制造成本更低，生產(chǎn)周期也更短。這種搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)載荷安全系數(shù)也要遠(yuǎn)高于采用環(huán)鏈起重葫蘆的小車，所以它的起吊過程非常平穩(wěn)，不會(huì)發(fā)生帶不動(dòng)或者兩邊不同步的情況。在使用過這種管片搬運(yùn)小車的實(shí)際項(xiàng)目中，鮮有故障反饋。

2 液壓驅(qū)動(dòng)式起重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲繩的選型

本文以杭州至海寧城際鐵路工程中所使用的6980mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例。管片加平衡梁的總重約6.2t，平衡梁上掛載的鋼絲繩股數(shù)是8根，那么單根鋼絲繩承受拉力約775kg。考慮到管片起降時(shí)的動(dòng)載，單根鋼絲繩負(fù)額定載取1t即可滿足實(shí)際需要。

鋼絲繩直徑［3］

式中 d——直徑（mm）；

S—— 鋼絲繩最大工作靜壓力（N），本例中根據(jù)現(xiàn)場工況按10000N考慮。

其中C是選擇系數(shù)（mm/N1/2）

式中 n—— 安全系數(shù)，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)作業(yè)環(huán)境，取M6的工作級別，安全系數(shù)為6；

K——鋼絲繩捻制折減系數(shù)，取0.82；

ω——鋼絲繩充滿系數(shù)，取0.46；

σt——鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，取1700MPa。

將參數(shù)帶入公式（1）與（2）計(jì)算可得C=0.109，d=10.9mm，即鋼絲繩直徑取11mm即可滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到鋼絲繩小半徑轉(zhuǎn)向折彎較多和減小鋼絲繩從滑輪槽內(nèi)脫落的可能性，應(yīng)采用柔度性較大的多股鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》選型標(biāo)準(zhǔn)，選用較常規(guī)的6x37S+FC形式的鋼絲繩，最小直徑是12mm，公稱抗拉強(qiáng)度取1570MPa，對應(yīng)最小破斷拉力達(dá)74.6kN，按10kN設(shè)計(jì)載荷計(jì)算，鋼絲繩安全系數(shù)高達(dá)7.4倍。

2.2 滑輪與軸承的選型

滑輪直徑計(jì)算公式［4］D≥hd，h根據(jù)工作級別M6取22.4，d是鋼絲繩直徑取12mm，計(jì)算得到D≥268.8，可取D=270mm。

根據(jù)JBT 9005.3《起重機(jī)用鑄造滑輪形式、輪轂和軸承尺寸》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境，選擇B型帶滾動(dòng)軸承嚴(yán)密密封的滑輪。材質(zhì)預(yù)選鑄鋼ZG270-500，屈服強(qiáng)度270MPa。

軸承選用6212-Z防塵軸承，其額定靜載荷Cor為32.8kN，2個(gè)軸承共可承受65.6kN額定靜載荷。

滑輪上鋼絲繩合拉力可根據(jù)下式計(jì)算

其中 F——鋼絲繩拉力，按10kN?。?/p>

γ—— 繩索在滑輪上包角的圓心角度，取180°。

將參數(shù)帶入公式（3），計(jì)算得到Fp=20kN，小于軸承65.6kN額定靜載荷，軸承強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。單、雙滑輪外形設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)滑輪設(shè)計(jì)圖，校核滑輪強(qiáng)度。

滑輪最大彎曲應(yīng)力公式如下

其中 L—— 兩輪輻間輪緣弧長（mm），等于0.5×270π，計(jì)算得424；

W—— 輪緣抗彎截面模數(shù)（mm3），根據(jù)輪緣截面尺寸計(jì)算得193206。

將參數(shù)帶入式（4），得到σmax=2.7MPa，遠(yuǎn)小于預(yù)選鑄鋼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度?；啿馁|(zhì)可用Q235B低碳鋼替代鑄鋼。

圖2 單、雙滑輪組外形設(shè)計(jì)圖

2.3 油缸的選型

油缸選擇單級的直推型，支座形式是單耳固定，中部加支撐。油缸頭部定滑輪是個(gè)雙滑輪組共4根鋼絲繩，所以油缸的額定負(fù)載可取40kN拉力，推力不用考慮。

根據(jù)管片提升高度需求，油缸的行程取2500mm。最終選取油缸規(guī)格125/70/2500-21MPa，最大工作拉力是176.9kN，安全系數(shù)4.4倍，油缸拉力滿足使用要求。

3 結(jié)論

在一般盾構(gòu)法隧道施工中，管片搬運(yùn)小車基本采用電動(dòng)環(huán)鏈起重葫蘆來提升管片。電動(dòng)環(huán)鏈葫蘆是一套模塊化機(jī)電設(shè)備，安裝和使用簡單，使用范圍廣泛。不過由于施工環(huán)境的惡劣和施工強(qiáng)度大，一旦起重葫蘆疏于保養(yǎng)和檢修，就非常容易發(fā)生故障，所以本文提出了一種液壓油缸和鋼絲繩組合式管片搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)方案。這種利用液壓油缸和鋼絲繩來提升管片的運(yùn)作系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)非常明顯，就是耐用、起吊能力大、免維護(hù)，供油管路加裝節(jié)流閥還能調(diào)節(jié)管片起升速度。其不足之處就是不夠集約，設(shè)計(jì)難度相對較大，安裝較麻煩，盾構(gòu)機(jī)制造廠家就不太愿意采用，所以也影響了這種形式應(yīng)用的普及性。但是毋庸置疑，該系統(tǒng)是完全可以替代常規(guī)管片搬運(yùn)小車的。目前從采用過該管片搬運(yùn)系統(tǒng)的施工現(xiàn)場反饋的使用情況來看，它的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。這種搬運(yùn)系統(tǒng)給盾構(gòu)機(jī)管片搬運(yùn)作業(yè)提供了另一種可靠的技術(shù)方案，使得盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件和施工工藝下有更多的可用于管片搬運(yùn)的方案選擇，同時(shí)也可以應(yīng)用到其它相似的起重搬運(yùn)作業(yè)上去。