深中通道工程超大型構(gòu)件輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董洪靜, 艾榮軍, 趙國(guó)臻, 王曉東

(1. 中交四航工程研究院有限公司， 廣東 廣州 510230； 2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)， 廣東 珠海 519000； 3. 中交四航局江門航通船業(yè)有限公司， 廣東 江門 529145； 4. 中交四航局第二工程有限公司， 廣東 廣州 510230)

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土現(xiàn)澆式建筑存在資源消耗大、影響環(huán)境、施工過(guò)程中安全事故頻發(fā)等諸多問(wèn)題，而裝配式建筑采用預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化的生產(chǎn)方式，將預(yù)制構(gòu)件通過(guò)連接部位搭接后采用漿錨或疊合方式進(jìn)行組合，形成新的滿足承載要求的結(jié)構(gòu)，具有提高施工質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、提高建筑品質(zhì)、保證文明安全施工等優(yōu)勢(shì)[1-2]。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，工程建設(shè)正在走向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展之路，使構(gòu)件預(yù)制化成為主流，且隨著裝備和工藝的提升，構(gòu)件的尺寸和質(zhì)量呈現(xiàn)“大型化、工廠化”轉(zhuǎn)變趨勢(shì)，形成了一系列大型構(gòu)件的運(yùn)輸工藝。如劉德進(jìn)等[3]研發(fā)的膠囊臺(tái)車頂升運(yùn)移技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)7 000 t沉箱的出運(yùn)；黃建生等[4]設(shè)計(jì)的液壓頂升電動(dòng)臺(tái)車系統(tǒng)，能成功馱運(yùn)5 000 t級(jí)沉箱；陳沖海等[5]介紹了采用SPMT模塊車搬運(yùn)540 t圓筒和360 t蓋板的工藝，并就該工藝與傳統(tǒng)氣囊工藝進(jìn)行對(duì)比；阮裕和等[6]介紹了采用SPMT模塊車進(jìn)行3 000 t預(yù)制混凝土箱梁的移動(dòng)，并就運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性、動(dòng)力性等進(jìn)行計(jì)算分析；陳國(guó)棟等[7]介紹了一種采用SPMT模塊車運(yùn)輸大型異形鋼結(jié)構(gòu)的工藝；彭曉鵬等[8]介紹了集中頂推、分散頂推和預(yù)應(yīng)力連續(xù)牽引3種可用于大型構(gòu)件移動(dòng)的工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)；陳偉彬等[9]、楊紅等[10]以港珠澳大橋沉管預(yù)制為例，從頂推系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、施工工藝、施工步驟等方面詳細(xì)介紹了管節(jié)頂推技術(shù)；林巍等[11]采用分散頂推的方式進(jìn)行7.6萬(wàn)t管節(jié)的移動(dòng)，并對(duì)摩擦力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該工藝克服了滑動(dòng)摩擦力的缺陷。綜上可知，萬(wàn)t級(jí)構(gòu)件基本都采用滑移方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，被移動(dòng)構(gòu)件采用滑移方式移動(dòng)過(guò)程中的支撐相對(duì)平穩(wěn)，但移動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、軸線偏差控制難度大、施工效率低、運(yùn)行成本較高。

本文針對(duì)現(xiàn)有萬(wàn)t級(jí)構(gòu)件滑移移動(dòng)方式存在的不足及大型沉管移動(dòng)需求，研制出8萬(wàn)t級(jí)超大型構(gòu)件輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)，提出滿足移動(dòng)工效、軸線偏差控制、同步控制和節(jié)能環(huán)保等要求的關(guān)鍵技術(shù)，既克服了滑移方式的缺陷，又保留了其支撐平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

深中通道按照雙向8車道、速度為100 km/h設(shè)計(jì)，隧道段全長(zhǎng)6 845 m。其中，沉管隧道段長(zhǎng)5 035 m，由32節(jié)管節(jié)和1節(jié)最終接頭組成，管節(jié)采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)形式[12-15]，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面如圖1所示。鋼殼混凝土沉管預(yù)制常規(guī)做法為浮態(tài)澆筑，采用工廠法預(yù)制鋼殼混凝土沉管，鋼殼質(zhì)量約1.2萬(wàn)t，完成混凝土澆筑后管節(jié)質(zhì)量約8萬(wàn)t，因此，研發(fā)了8萬(wàn)t級(jí)輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面圖(單位： cm)

具體施工工藝為： 1.2萬(wàn)t鋼殼在船廠加工完成后，采用駁船運(yùn)送至沉管預(yù)制廠并卸駁上岸至卸駁區(qū)，由臺(tái)車系統(tǒng)支撐并將鋼殼從卸駁區(qū)移動(dòng)至澆筑區(qū)；在澆筑區(qū)完成混凝土澆筑后，再將完成澆筑的8萬(wàn)t鋼殼沉管管節(jié)運(yùn)輸至淺塢區(qū)進(jìn)行一次舾裝作業(yè)。管節(jié)移動(dòng)工藝示意如圖2所示。

圖2 管節(jié)移動(dòng)工藝示意圖

2 輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)組成

成套輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)主要由承載能力為400 t的輪軌式臺(tái)車、支撐系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。在鋼殼混凝土管節(jié)的側(cè)墻、中隔墻正下方位置縱向布置4列輪軌式臺(tái)車，每列50輛，共200輛，均勻布置于鋼軌上。每輛臺(tái)車上設(shè)置液壓千斤頂和楔形支撐，用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)下管節(jié)的支撐。每輛臺(tái)車上布置電機(jī)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)車前進(jìn)或后退，構(gòu)建電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輪軌式臺(tái)車系統(tǒng)的同步控制。臺(tái)車布置示意如圖3所示。輪軌式臺(tái)車總體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

(a) 橫斷面圖

表1 輪軌式臺(tái)車總體技術(shù)參數(shù)

2.1 輪軌式臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成

輪軌式臺(tái)車主體由車輪、車輪架、平衡梁、液壓千斤頂、楔形支撐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱組成。平衡梁與2個(gè)四輪車輪架之間的連接，一邊采用銷軸連接，另一邊采用球頭球碗的連接方式。該結(jié)構(gòu)使平衡梁的受力為3點(diǎn)支撐，使臺(tái)車對(duì)軌道的適應(yīng)性更好，同時(shí)能使臺(tái)車8個(gè)車輪均勻受載，更具穩(wěn)定性。每輛臺(tái)車配置2套三合一減速電機(jī)，每套減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)1組車輪(每組2個(gè))，整車4個(gè)主動(dòng)輪、4個(gè)被動(dòng)輪。輪軌式臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 輪軌式臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成

2.2 支撐系統(tǒng)

鋼殼混凝土管節(jié)移動(dòng)過(guò)程采用“液壓千斤頂+臺(tái)車系統(tǒng)”的支撐方式(見(jiàn)圖5(a))，千斤頂為柱塞式單作用油缸，臺(tái)車的200個(gè)液壓千斤頂構(gòu)成了鋼殼管節(jié)支撐系統(tǒng)，以3點(diǎn)支撐、A/B油路、自平衡3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)保證鋼殼管節(jié)的水平姿態(tài)、支撐安全及平衡[11]。鋼殼及澆筑后成品管節(jié)在澆筑區(qū)的支撐系統(tǒng)采用“楔形支撐+臺(tái)車系統(tǒng)”的支撐方式(見(jiàn)圖5(b))。

(a) “液壓千斤頂+臺(tái)車系統(tǒng)”支撐方式

A/B油路是將單個(gè)支撐點(diǎn)內(nèi)的單雙數(shù)(編號(hào))千斤頂分別串聯(lián)起來(lái)形成獨(dú)立油路，單數(shù)千斤頂串聯(lián)油路為A油路，雙數(shù)千斤頂串聯(lián)油路為B油路。2條獨(dú)立油路串聯(lián)的千斤頂共同支撐管節(jié)。采用單雙數(shù)千斤頂分別串聯(lián)形成獨(dú)立油路，是為了使單個(gè)獨(dú)立油路所串聯(lián)千斤頂均勻分布于所在區(qū)域，保證受力均勻。A/B油路示意如圖6所示。

圖6 A/B油路示意圖[11]

2.3 電控系統(tǒng)

移動(dòng)臺(tái)車設(shè)計(jì)為輪軌式小車，單輛移動(dòng)臺(tái)車配置2個(gè)減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制200輛臺(tái)車同步前進(jìn)/后退、加速/減速等，即控制400個(gè)減速電機(jī)同步運(yùn)行；同時(shí)，接收來(lái)自每輛臺(tái)車的狀態(tài)信息，包括電機(jī)電流、功率、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，并設(shè)置集中控制臺(tái)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有臺(tái)車的工況。臺(tái)車電控系統(tǒng)原理圖如圖7所示。

圖7 臺(tái)車電控系統(tǒng)原理圖

1)臺(tái)車行走系統(tǒng)通過(guò)同一個(gè)操作手柄控制，保證命令的統(tǒng)一性。為保證各控制單元開(kāi)關(guān)控制、變頻器控制高度同步，根據(jù)控制時(shí)序，發(fā)出的命令同時(shí)到達(dá)所有臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)和變頻器控制，每輛臺(tái)車接收到信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)無(wú)極同步調(diào)速。

2)每個(gè)減速電機(jī)都由獨(dú)立的變頻器控制，對(duì)每臺(tái)減速電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。

3)臺(tái)車與臺(tái)車之間采用連桿進(jìn)行硬連接，以及沉管底與臺(tái)車頂板也進(jìn)行硬連接，加強(qiáng)臺(tái)車運(yùn)行的同步性。

4)每列臺(tái)車均安裝了絕對(duì)值編碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)每列臺(tái)車的行走定位，對(duì)出現(xiàn)行程偏差的列車進(jìn)行加速或減速控制，完成自動(dòng)糾偏，保證臺(tái)車行走的同步性。

5)臺(tái)車系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)了雙環(huán)網(wǎng)冗余，臺(tái)車通訊在單點(diǎn)掉線后可以快速重新連接，以提高同步行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

臺(tái)車結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需遵循以下原則：

1)鋼殼混凝土管節(jié)底面高度為+3.5 m(取決于深淺塢高度和管節(jié)起浮要求，無(wú)法調(diào)整)，軌道梁頂面最低標(biāo)高為+2.0 m，若更低，則需增加場(chǎng)地開(kāi)挖量,施工困難且成本較高(因地基面為中風(fēng)化巖層，需通過(guò)爆破的方式進(jìn)行場(chǎng)地開(kāi)挖)，因此，臺(tái)車高度不應(yīng)大于1.5 m；

2)單輛臺(tái)車的極限承載荷載為8 000 kN，標(biāo)準(zhǔn)荷載為4 000 kN，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需滿足要求，應(yīng)避免應(yīng)力集中，同時(shí),還要考慮臺(tái)車在行走過(guò)程中的不均衡受力(單輪懸空或雙輪懸空);

3)應(yīng)考慮在行進(jìn)過(guò)程中臺(tái)車結(jié)構(gòu)對(duì)軌道不平整的適應(yīng)性，以及對(duì)軌道上微小物體的越障能力；

4)管節(jié)為鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，需增加鋼殼上防腐油漆的保護(hù)措施；

5)4列臺(tái)車均勻布置于管節(jié)墻體正下方，間距較大，行走需確保同步；

6)臺(tái)車行進(jìn)過(guò)程中要有一定的橫向糾偏能力；

7)作業(yè)環(huán)境年平均相對(duì)濕度為78%～80%，電氣設(shè)備應(yīng)考慮防潮措施。

3.2 總體設(shè)計(jì)

臺(tái)車采用平衡梁結(jié)構(gòu)將力平均傳遞到梁下方的輪架結(jié)構(gòu)上。輪架通過(guò)銷軸和球形鉸與平衡梁連接，提高車輪架對(duì)路軌的適應(yīng)性，并使得每個(gè)車輪負(fù)荷均布。每輛臺(tái)車由車架橫梁與2個(gè)車輪架組成。車輪架通過(guò)銷軸和球形鉸與平衡梁連接，使得2個(gè)車輪架能均勻受力，2個(gè)車輪架的受力點(diǎn)在車架橫梁上對(duì)稱分布，力平均分配到車輪架上，車輪架通過(guò)滾動(dòng)軸承與車軸相連接，受力均勻(見(jiàn)圖8)。

圖8 臺(tái)車受力簡(jiǎn)圖

3.3 臺(tái)車輪徑選擇

臺(tái)車在初步設(shè)計(jì)時(shí)，在車輪與軌道的尺寸選擇方面做了選型比較。根據(jù)比選情況，直徑為200 mm的車輪數(shù)量多，臺(tái)車越障能力弱，且故障率較高，臺(tái)車的同步性和安裝難度較大；直徑為800 mm的車輪對(duì)地基荷載要求高，且臺(tái)車高度與現(xiàn)場(chǎng)總體布置不匹配。從車身高度、故障率及加工工藝等方面綜合考慮，采用直徑為630 mm的車輪較為合適。車輪輪徑比選見(jiàn)表2。

表2 車輪輪徑比選

3.4 臺(tái)車結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

3.4.1 平衡梁結(jié)構(gòu)復(fù)核

平衡梁的主要作用是將液壓千斤頂和楔形支撐所承受的荷載通過(guò)銷軸和球頭結(jié)構(gòu)均勻傳遞到下方的2個(gè)四輪車輪架上。臺(tái)車結(jié)構(gòu)計(jì)算中，8萬(wàn)t沉管作用在200輛臺(tái)車上，單輛臺(tái)車平衡梁正常工作荷載為4 000 kN，按照極限荷載8 000 kN進(jìn)行計(jì)算，采用箱梁結(jié)構(gòu)型式，材料以Q345B為主，應(yīng)用有限元軟件對(duì)平衡梁進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，8 000 kN工作荷載工況下，平衡梁結(jié)構(gòu)主體中間底部位置應(yīng)力最大，σ=131.4 MPa<[σ]=215 MPa，剪應(yīng)力τ=67.07 MPa<[τ]=172 MPa，最大位移計(jì)算值為0.7 mm。平衡梁的強(qiáng)度和剛度滿足GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]的要求。

(a) 平衡梁結(jié)構(gòu)受力云圖(單位: MPa)

3.4.2 車輪架結(jié)構(gòu)復(fù)核

四輪車輪架通過(guò)銷軸和球形鉸與平衡梁連接，將千斤頂所承載的荷載均衡地分布到前后2個(gè)四輪車輪架上，再通過(guò)車輪架將荷載分布到車輪上?？紤]路軌的不平整對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的荷載，在臺(tái)車結(jié)構(gòu)計(jì)算中，設(shè)定輪軸間距內(nèi)有2 mm的突變值。采用有限元軟件對(duì)平衡梁進(jìn)行仿真模擬，車輪架在車輪懸空狀態(tài)下的受力云圖見(jiàn)圖10，受力分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，最大應(yīng)力σ=121.4 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力τ=37.1 MPa<[τ]=172 MPa，最大結(jié)構(gòu)變形計(jì)算值為1.11 mm。車輪架的強(qiáng)度和剛度滿足GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]的要求。

(a) 單輪懸空

表3 車輪架數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果

3.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及軸承選型

臺(tái)車的行走系統(tǒng)中包含2套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)1組開(kāi)式減速齒輪驅(qū)動(dòng)1組輪子，為了電機(jī)安裝方便，增加了中間齒輪。小齒輪的齒數(shù)為19個(gè)，中間齒輪的齒數(shù)為36個(gè)，輪軸大齒輪的齒數(shù)為59個(gè)，模數(shù)為10 mm，齒寬為135 mm，按照單輛臺(tái)車極限承載為8 000 kN校核傳動(dòng)構(gòu)件強(qiáng)度。其中,中間齒輪材質(zhì)為40Cr，小齒輪材質(zhì)為42CrMo調(diào)質(zhì)處理，中間齒輪軸及鍵材質(zhì)為45#鋼。

車輪架與輪軸之間使用調(diào)心滾子軸承24044CC/W33[17]，按照單輛臺(tái)車極限8 000 kN計(jì)算，單個(gè)軸承所需承受的軸向力為Fa=24 t(摩擦因數(shù)取為0.12)，承受的徑向荷載為Fr=75 t。按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于10 r/min時(shí)，滾動(dòng)軸承不必校驗(yàn)其動(dòng)載承受能力，因此，僅校驗(yàn)靜載承受能力。此時(shí)，軸承的徑向當(dāng)量靜荷載p0r=Fr+Y0Fa=1 254 kN(軸向靜荷載計(jì)算系數(shù)Y0=2.1[17])，所選軸承的基本額定荷載C0r=2 680 kN[17]，其安全系數(shù)為2.14。

中間齒輪軸上使用2個(gè)圓錐滾子軸承[18]，按照單輛臺(tái)車極限荷載8 000 kN計(jì)算，中間齒輪軸上所受的力與中間齒輪分度圓上的力是一致的，為62 kN。中間齒輪軸僅受徑向力，此時(shí)軸承的徑向靜荷載p0r=0.5×Fr+Y0Fa=61.5 kN(Fr=0，軸向靜荷載計(jì)算系數(shù)Y0=1[18])，所選軸承的基本額定荷載C0r=165 kN[18]，其安全系數(shù)為2.6。

3.6 頂板設(shè)計(jì)

為增大頂板與管節(jié)的接觸面積，采用2輛臺(tái)車共同頂升1個(gè)頂板的設(shè)計(jì)，頂板尺寸為1.395 m×4.61 m(長(zhǎng)×寬)，按照正常工作荷載為4 000 kN計(jì)算，其抗壓強(qiáng)度為1.3 MPa，而鋼殼管節(jié)表面玻璃鱗片漆的抗壓強(qiáng)度為7 MPa，即頂板面積足夠大，不至破壞油漆。同時(shí)，為了降低對(duì)鋼殼表面的影響，在頂板上增加1塊25 mm厚的橡膠墊板，橡膠墊板的承載力約為5 MPa，承受4 000 kN荷載時(shí)壓縮量為2～3 mm。頂板與臺(tái)車布置示意如圖11所示。

圖11 頂板與臺(tái)車布置示意圖

為增加臺(tái)車的橫向糾偏能力，在頂板底部與千斤頂接觸位置安裝一橢圓擋圈，擋圈限制前后方向位移，橫向位移有±15 mm的間隙，頂板俯視圖見(jiàn)圖12。使用過(guò)程中，擋圈內(nèi)需涂黃油，以減小千斤頂與頂板之間的摩擦。為防止頂板在空載運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，在頂板與車輪架之間使用花籃螺絲固定，頂升作業(yè)前需將花籃螺絲松開(kāi)，避免出現(xiàn)拉斷螺絲現(xiàn)象。

圖12 頂板俯視圖(單位： mm)

3.7 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.7.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇

在臺(tái)車的驅(qū)動(dòng)型式選擇方面，目前可供選用的2種驅(qū)動(dòng)方式分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。綜合考慮管節(jié)移動(dòng)同步性要求、環(huán)境保護(hù)以及維護(hù)保養(yǎng)難度等多方面因素，最終選定采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，并采用變頻電機(jī)。2種驅(qū)動(dòng)方式的比選如表4所示。

表4 驅(qū)動(dòng)方式比選

3.7.2 管節(jié)移動(dòng)阻力計(jì)算

按單輛臺(tái)車極限承載8 000 kN、臺(tái)車質(zhì)量約15 t(含頂板、電箱及電纜等其他附屬設(shè)施)以及10級(jí)風(fēng)荷載為管節(jié)移動(dòng)阻力計(jì)算的基本參數(shù)，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，臺(tái)車在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力Fj由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw組成，即Fj=Fm+Fp+Fw。由于軌道標(biāo)高相同，所以不考慮坡道阻力，故Fp=0。

1)摩擦阻力

(1)

式中：G1為臺(tái)車承載能力，取7 840 kN；G2為臺(tái)車質(zhì)量，取147 kN；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.8；μ為車輪軸承摩擦因數(shù)，取0.004；d為與軸承相配合處車輪軸的直徑，取240 mm；D為車輪踏面直徑，取630 mm；β為附加摩擦阻力系數(shù)，取1.5。

求得Fm=4.87×104N。

2)風(fēng)阻力

Fw=CpA。

(2)

式中：C為風(fēng)力系數(shù)，取1.55；p為工作狀態(tài)最大計(jì)算風(fēng)壓(10級(jí)風(fēng))=0.625v2(v為風(fēng)速，按10級(jí)風(fēng)計(jì)算，風(fēng)速為28.4 m/s)；A為垂直于風(fēng)向的實(shí)體引風(fēng)面積，取487.6 m2；

求得Fw=3.81×105N，分配到每輛臺(tái)車上的風(fēng)阻力Fw1=Fw/200=0.19×104N。

3)單輛臺(tái)車在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力

Fj=Fm+Fw1=5.06×104N。

(3)

3.7.3 電機(jī)選型

按照總體工效要求，臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)的速度需達(dá)到1 m/min的平均運(yùn)行速度，因此，以此速度要求進(jìn)行電機(jī)的選型。

1)電機(jī)的靜功率

(4)

式中：Fj為臺(tái)車運(yùn)行靜阻力,N；v0為運(yùn)行速度，取1 m/min；η為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，取0.95；m為電機(jī)個(gè)數(shù)，單輛臺(tái)車配置2個(gè)電機(jī)。

求得Pj=5.2×102W。

2)電機(jī)實(shí)際所需功率

Ps=KdPj。

(5)

式中Kd為考慮到電機(jī)啟動(dòng)時(shí)慣性影響的功率增大系數(shù)，取1.1。

求得Ps=5.72×102W。

3)電機(jī)選型

臺(tái)車額定運(yùn)行速度為1 m/min時(shí)，選擇電機(jī)的工作頻率約為25 Hz，基于恒轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算，對(duì)應(yīng)50 Hz電機(jī)的選型功率約為1.15 kW。結(jié)合電機(jī)廠商的選型計(jì)算結(jié)果，選用額定功率為1.5 kW的三合一減速電機(jī)，臺(tái)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)富余系數(shù)為1.5/0.572=2.62。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 工藝流程

萬(wàn)t級(jí)構(gòu)件的移動(dòng)一直是困擾大型構(gòu)件預(yù)制的難題，以往采用的滑移方式雖然平穩(wěn)，但是效率較低。在深中通道鋼殼沉管預(yù)制中研發(fā)的輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)，大大提高了大型構(gòu)件的移動(dòng)工效，有效控制了移動(dòng)過(guò)程中的軸線偏差?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了15 m環(huán)段試驗(yàn)，目前已完成9個(gè)鋼殼混凝土管節(jié)的移動(dòng)，管節(jié)移動(dòng)總體工藝流程圖和現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖13和圖14?，F(xiàn)場(chǎng)情況顯示，移動(dòng)工效總體穩(wěn)定，軸線偏差滿足±5 mm設(shè)計(jì)要求。選取5個(gè)管節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。

圖13 管節(jié)移動(dòng)工藝流程圖

(a) 15 m環(huán)段

表5 部分管節(jié)移動(dòng)工效和軸線偏差數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 體系轉(zhuǎn)換

管節(jié)到達(dá)澆筑區(qū)后， 首先測(cè)量鋼殼管節(jié)的底標(biāo)高，針對(duì)不滿足要求的位置利用液壓千斤頂進(jìn)行調(diào)整，直至調(diào)平鋼殼管節(jié)；然后關(guān)閉所有的液壓千斤頂截止閥，進(jìn)行千斤頂支撐體系轉(zhuǎn)換作業(yè)。

1)第1步。緊固臺(tái)車無(wú)源支撐楔形端頭螺栓，使臺(tái)車的無(wú)源支撐與千斤頂頂板完全接觸，并保證無(wú)源支撐兩側(cè)采用雙螺栓止推，同時(shí)確保斜面接觸面積，對(duì)所有無(wú)源支撐驗(yàn)收合格后即可進(jìn)行液壓千斤頂卸載作業(yè)。

2)第2步。將支撐油泵加壓至與液壓千斤頂支撐系統(tǒng)相同的壓力，打開(kāi)油泵與支撐系統(tǒng)之間的截止閥，將支撐千斤頂加壓，直到所有支撐千斤頂?shù)沫h(huán)形螺母可以轉(zhuǎn)動(dòng)，將環(huán)形螺母向上轉(zhuǎn)動(dòng)5 mm(如有必要，螺母可向上多調(diào)整一些)。

3)第3步。啟動(dòng)油泵進(jìn)行卸壓，先卸壓3 MPa，靜置5 min，觀察無(wú)源支撐與頂板接觸情況，同時(shí)檢查千斤頂螺母是否脫離千斤頂頂板,檢查確認(rèn)無(wú)故障后繼續(xù)泄壓。

4)第4步。以每步5 MPa的壓力逐漸減少全部千斤頂?shù)膲毫?千斤頂?shù)穆菽覆辉试S與千斤頂外缸體接觸),在無(wú)支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)下保持5 MPa的壓力1 h。

5)第5步。檢查支撐結(jié)構(gòu)，調(diào)整螺母至自由狀態(tài)，完全釋放液壓支撐系統(tǒng)的壓力，使液壓千斤頂與頂板完全脫離，處于不受力狀態(tài)。

鋼殼支撐體系轉(zhuǎn)換示意如圖15所示。鋼殼管節(jié)在澆筑區(qū)完成混凝土澆筑且強(qiáng)度滿足移動(dòng)要求后，即可進(jìn)行管節(jié)縱移工作，管節(jié)從澆筑區(qū)到淺塢區(qū)移動(dòng)作業(yè)時(shí)，臺(tái)車支撐體系轉(zhuǎn)換工藝流程見(jiàn)圖16。

圖15 鋼殼支撐體系轉(zhuǎn)換示意圖(單位： m)

圖16 支撐體系轉(zhuǎn)換工藝流程圖(澆筑區(qū)—淺塢區(qū))

4.3 效率及經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比

目前在國(guó)內(nèi)進(jìn)行8萬(wàn)t管節(jié)移動(dòng)的案例僅有港珠澳大橋管節(jié)預(yù)制項(xiàng)目[8,10-11]。如前所述，深中通道的管節(jié)移動(dòng)工效基本控制在4 h以內(nèi)，相較港珠澳大橋管節(jié)移動(dòng)的5 d工效有較大提升，單個(gè)管節(jié)移動(dòng)工期大大縮短，提高了經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)相較于港珠澳大橋管節(jié)移動(dòng)，移動(dòng)系統(tǒng)不耗費(fèi)液壓油，僅耗費(fèi)電能，同時(shí)，不耗費(fèi)滑板(港珠澳大橋管節(jié)每進(jìn)行1次管節(jié)移動(dòng)，需耗費(fèi)576塊滑板)，僅滑板費(fèi)用按本項(xiàng)目管節(jié)數(shù)量初步估算，可節(jié)省成本950萬(wàn)元。

5 結(jié)論與建議

1)本文介紹的輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)是采用克服滾動(dòng)摩擦的形式進(jìn)行8萬(wàn)t級(jí)大型構(gòu)件的移動(dòng)，是目前較為先進(jìn)的大型構(gòu)件移動(dòng)方式，特別是在提高構(gòu)件移動(dòng)工效、軸線偏差控制、同步控制和節(jié)能環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2)通過(guò)多因素綜合比選，確定采用直徑為630 mm的車輪輪徑和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的總體方案。

3)采用數(shù)值分析方法對(duì)平衡梁和車輪架的受力狀況進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)證了車輪架在單輪懸空和雙輪懸空狀態(tài)下的受力安全性。

4)以管節(jié)移動(dòng)過(guò)程中的阻力分析結(jié)果為依據(jù)，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型，其實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

5)輪軌式臺(tái)車移動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)源支撐與液壓支撐體系轉(zhuǎn)換對(duì)人員操作水平要求較高，且耗費(fèi)較大的人力資源和時(shí)間成本，建議進(jìn)一步研究自動(dòng)化楔形無(wú)源支撐系統(tǒng)，以減少體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中勞動(dòng)力和時(shí)間的投入，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。