拱架安裝臺(tái)車施工作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

高 越

（中鐵十九集集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，我國高速鐵路里程數(shù)已躍居世界第一[1-3]。在高速鐵路修建過程中，隧道的建設(shè)至關(guān)重要，隧道的修建速度將直接影響整個(gè)工程的施工進(jìn)度[4-6]。拱架安裝臺(tái)車是隧道施工中用于安裝拱架的專用設(shè)備，扮演著支梁的重要作用，隨著隧道施工機(jī)械化和高效化的進(jìn)展，拱架安裝臺(tái)車的應(yīng)用也越來越廣泛[7]。針對(duì)隧道修建過程中鋼拱架的安裝與拼接問題展開研究，設(shè)計(jì)一種抓舉式隧道拱架安裝臺(tái)車，給出該設(shè)備的相關(guān)作業(yè)要求與結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)該設(shè)備的工作原理進(jìn)行分析，并根據(jù)施工作業(yè)需求確定其主要工作參數(shù)，從設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、工作原理及施工方案設(shè)計(jì)4 個(gè)方面對(duì)該設(shè)備進(jìn)行總結(jié)。

對(duì)于工程機(jī)械的研發(fā)首先要考慮其功能需求與作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而確定設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與作業(yè)性能參數(shù)，對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行整體規(guī)劃，最終確定設(shè)計(jì)方案。主要針對(duì)隧道施工過程中拱架安裝臺(tái)車拼裝時(shí)出現(xiàn)的費(fèi)人力、安全性差這一問題，預(yù)期研制一套能夠協(xié)助人力拼接隧道安裝臺(tái)車的設(shè)備，通過CATIA 軟件構(gòu)建拱架安裝臺(tái)車三維數(shù)值仿真模型，為后續(xù)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及施工過程中的受力情況計(jì)算奠定基礎(chǔ)。該設(shè)備將大大減少施工作業(yè)人員危險(xiǎn)性，提升拱架臺(tái)車的作業(yè)效率，加快整個(gè)隧道工程的施工進(jìn)度。

1 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

擬設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車如圖1 所示，該設(shè)備主要包括施工作業(yè)平臺(tái)、輪式底盤、平臺(tái)托舉系統(tǒng)及拱架安裝系統(tǒng)4 部分組成。

圖1 中施工作業(yè)平臺(tái)主要是將拱架臺(tái)車安裝技術(shù)工人運(yùn)送至指定位置進(jìn)行作業(yè)。平臺(tái)托舉系統(tǒng)主要將施工作業(yè)平臺(tái)抬至一定高度，同時(shí)調(diào)整施工作業(yè)平臺(tái)的空間位置，使其能夠有充足的施工空間。拱架安裝系統(tǒng)主要是對(duì)保持平臺(tái)托舉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障托舉系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，能夠?yàn)榧夹g(shù)人員提供安全保護(hù)。輪式底盤主要是將設(shè)備整體運(yùn)移至隧道內(nèi)指定施工位置，機(jī)動(dòng)性較好，且施工效率高，能夠隨時(shí)進(jìn)行隧道拱架臺(tái)車的安裝與拆卸。

圖1 拱架安裝臺(tái)車設(shè)備簡圖

2 設(shè)備主要參數(shù)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車設(shè)計(jì)方案的合理性，為后續(xù)設(shè)備整體施工作業(yè)性能提供可靠的基礎(chǔ)模型，決定采用CATIA軟件對(duì)設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車進(jìn)行建模。

設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車最大托舉重量為2800～3000 kg，機(jī)械臂底座采用回旋式線性馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速為2 r/min，最大排量為170 mL/r，動(dòng)力油缸包括機(jī)械主臂調(diào)幅油缸、調(diào)平油缸、水平油缸、上下油缸、抓手伸縮油缸、抓手上下油缸、抓手左右油缸、抓手緊鎖油缸以及主臂伸縮油缸，各動(dòng)力油缸設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 各動(dòng)力油缸設(shè)計(jì)參數(shù)

3 設(shè)備工作原理

設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車施工作業(yè)流程如下：

（1）拱架安裝臺(tái)車運(yùn)移時(shí)需通過夾持設(shè)備來攜帶臺(tái)車配件，且以相對(duì)較高的運(yùn)移效率將臺(tái)車配件運(yùn)至指定工位。運(yùn)送過程中，拱架安裝臺(tái)車應(yīng)保持自身的安全穩(wěn)定性，同時(shí)還應(yīng)確保安裝的準(zhǔn)確性，因此安裝臺(tái)車整體處于水平收縮狀態(tài)，機(jī)械抓手夾持配件運(yùn)移。

（2）當(dāng)配件運(yùn)至安裝指定工位后，調(diào)節(jié)各主動(dòng)油缸，通過伸縮機(jī)構(gòu)來調(diào)整拱架臺(tái)車的位姿，并緩慢提升施工作業(yè)平臺(tái)，使平臺(tái)處于合理的施工作業(yè)位置，以便于隧道施工臺(tái)車配件的安裝。

（3）微調(diào)有待拼裝的臺(tái)車拱架，使配件與隧道施工臺(tái)車良好對(duì)接，施工技術(shù)人員在施工作業(yè)平臺(tái)上完成隧道施工臺(tái)車配件的安裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)隧道施工臺(tái)車的準(zhǔn)確安裝。

設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車主要由伸縮主臂、調(diào)整臂、抓手臂及抓手組成，配套的動(dòng)力系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)及電子控制系統(tǒng)。拱架托舉及空中姿態(tài)需要多個(gè)機(jī)械臂聯(lián)合調(diào)整，該方法使得整個(gè)拱架臺(tái)車的施工自由度增多，進(jìn)而使得臺(tái)車能夠更加準(zhǔn)確的將配件運(yùn)移至指定位置。不同機(jī)械臂的調(diào)動(dòng)主要由各機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的動(dòng)力油缸來實(shí)現(xiàn)，其中，主臂調(diào)幅油缸主要驅(qū)動(dòng)伸縮主臂，主臂伸縮油缸主要驅(qū)動(dòng)主臂的伸縮，調(diào)平油缸主要驅(qū)動(dòng)連接左臂的俯仰與調(diào)平，抓手內(nèi)部伸縮油缸主要驅(qū)動(dòng)抓手上臂伸縮，抓手左右油缸主要驅(qū)動(dòng)抓手臂的水平移動(dòng)，抓手緊鎖油缸主要驅(qū)動(dòng)抓手使其抓手夾緊。

4 設(shè)備施工方案設(shè)計(jì)

作為一種特殊的隧道工程施工機(jī)械，拱架安裝臺(tái)車主要負(fù)責(zé)運(yùn)移隧道施工臺(tái)車配件及配件安裝任務(wù)。由于隧道施工環(huán)境相對(duì)較差，作業(yè)空間有限，因此對(duì)拱架安裝臺(tái)車的整機(jī)設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高，具體要求如下：

（1）適用范圍：受圍巖等級(jí)的影響，拱架安裝臺(tái)車對(duì)IV、V 類圍巖的三臺(tái)階開挖法并不適用。設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車主要適用于高鐵雙線隧道的全斷面開挖法，以及兩臺(tái)階開挖法的拱架安裝要求。

（2）功能要求：設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車要能夠?qū)崿F(xiàn)配件的抓取、配件的運(yùn)移、配件的托舉及姿態(tài)的調(diào)整等基本功能的同時(shí)，還需要保證配件被托舉到一定的高度后要達(dá)到安裝精度及穩(wěn)定性，以便于連接螺栓的安裝及拱架與配件之間的拼接。此外，拱架安裝臺(tái)車在確?；景惭b功能前提下，還能展開其他功能的探索，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）尺寸要求：在隧道施工過程中，配套的機(jī)械車輛較多，包括三臂鑿巖臺(tái)車、挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)渣車、裝載機(jī)、自卸汽車等，設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車應(yīng)與上述施工機(jī)械和車輛兼容，即與上述設(shè)備配合使用。因此，拱架安裝臺(tái)車對(duì)外形尺寸有一定要求，原則是必須滿足與上述設(shè)備中最小尺寸的設(shè)備之間留有一定的安全剩余量，以確保安全有效的與其他設(shè)備配合施工。

（4）安全可靠要求：受施工環(huán)境影響，隧道內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)高溫、高濕及大量灰塵，此種環(huán)境下，拱架安裝臺(tái)車的液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)需進(jìn)行特殊處理，以滿足此類惡劣的作業(yè)環(huán)境，提升設(shè)備該類似環(huán)境下的長期安全性與可靠性。

（5）經(jīng)濟(jì)要求：經(jīng)濟(jì)費(fèi)用作為整個(gè)安裝臺(tái)車的核心問題貫穿始末，應(yīng)盡可能的使安裝臺(tái)車的設(shè)計(jì)與制造成本低，但需要在保證安全穩(wěn)定及生產(chǎn)效率的前提下。

5 結(jié)語

針對(duì)已建及在建隧道施工過程中鋼拱架的安裝與拼接等相關(guān)工藝進(jìn)行簡單總結(jié)，設(shè)計(jì)研發(fā)一種新型的拱架安裝臺(tái)車，設(shè)計(jì)方案給出該設(shè)備的相關(guān)作業(yè)要求與結(jié)構(gòu)組成，分析該設(shè)備的工作原理，并根據(jù)施工作業(yè)需求確定其主要工作參數(shù)，通過CATIA 軟件構(gòu)建拱架安裝臺(tái)車三維數(shù)值仿真模型，為后續(xù)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及施工過程中的受力情況計(jì)算奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的拱架安裝臺(tái)車能夠推動(dòng)今后隧道施工的高效率、低成本的發(fā)展趨勢(shì)趨勢(shì)。