超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)翻身平吊裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

戴超人

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

近年來，隨著國(guó)家城市建設(shè)的不斷發(fā)展和隧道規(guī)模的不斷擴(kuò)充，促使盾構(gòu)行業(yè)迅速向著大型化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，超大直徑盾構(gòu)機(jī)成為研究熱點(diǎn)[1-2]。在超大直徑盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)過程中，各部件的組裝工藝技術(shù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)制造的進(jìn)度和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[3]。超大直徑盾構(gòu)機(jī)組裝工藝和普通直徑盾構(gòu)機(jī)相比具有較大差異，巨大的直徑帶來的是巨大的部件重量和巨大的部件尺寸，對(duì)工廠和現(xiàn)場(chǎng)的起吊重量、起吊高度都是巨大的挑戰(zhàn)。因此，超大直徑盾構(gòu)機(jī)中大質(zhì)量大尺寸部件總成的吊裝成為組裝過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-6]。主驅(qū)動(dòng)總成作為超大直徑盾構(gòu)整機(jī)中單體最重的核心部件之一，其吊裝成為組裝階段的關(guān)鍵工序[7-8]。針對(duì)超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)吊裝，業(yè)內(nèi)已研發(fā)出安全可行的大型螺栓聯(lián)接式吊裝工裝，可通過廠房?jī)?nèi)大噸位起重機(jī)和安裝在主驅(qū)動(dòng)總成的上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架的配合，完成主驅(qū)動(dòng)總成的翻身工序，并通過單臺(tái)大噸位橋式起重機(jī)裝配至盾體分塊上。但該吊裝工裝依托國(guó)內(nèi)自主研制12.14 m直徑盾構(gòu)項(xiàng)目，主驅(qū)動(dòng)總重約250 t，單臺(tái)150 t+150 t行車滿足主驅(qū)動(dòng)翻身后的吊裝工序[9]。但隨盾構(gòu)機(jī)直徑的增大，主驅(qū)動(dòng)總重亦會(huì)增重，一般工廠內(nèi)裝配車間的起重能力配備就會(huì)難以滿足超大直徑盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)起吊，重新投資更大噸位的橋式起重機(jī)會(huì)增加成本且浪費(fèi)現(xiàn)有起重資源，租用大型汽車吊則會(huì)因裝配車間空間受限且亦增加成本；而如果將現(xiàn)有的2臺(tái)橋式起重機(jī)一起配合吊裝即可滿足要求。由于2臺(tái)橋式起重機(jī)的吊鉤之間距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主驅(qū)動(dòng)及翻身工裝尺寸，因此需要在基于大型螺栓聯(lián)接翻身工裝的基礎(chǔ)上，改進(jìn)優(yōu)化該吊具，可使該吊具用于主驅(qū)動(dòng)翻身及2臺(tái)橋式起重機(jī)同時(shí)作業(yè)吊裝[10-11]。因此，設(shè)計(jì)一種方便、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用性廣的新型吊裝裝置，可節(jié)省資源，降低吊裝成本，對(duì)超大直徑盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)具有重要意義。

針對(duì)此問題，本文在充分研究各類型盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)翻身工裝的基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)自主研制的開挖直徑為15 020 mm的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)項(xiàng)目為依托，結(jié)合廠房裝配車間起重能力配備情況，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了新型的超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)翻身吊裝裝置，并在項(xiàng)目中成功應(yīng)用。該翻身吊裝裝置主要由翻身使用的上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和平吊使用的懸臂梁組成，運(yùn)用該吊裝裝置可將超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)總成翻身并使用雙臺(tái)橋式起重機(jī)吊裝至盾體分塊上，吊裝裝置安全度高，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣。

1 吊裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 吊裝裝置結(jié)構(gòu)組成

該盾構(gòu)項(xiàng)目中，開挖直徑為15 020 mm，主驅(qū)動(dòng)總成質(zhì)量約為308 t，裝配工位上配備150 t+150 t雙鉤橋式起重機(jī)、100 t+100 t雙鉤橋式起重機(jī)、25 t+25 t雙鉤橋式起重機(jī)和16 t橋式起重機(jī)，其中150 t+150 t雙鉤橋式起重機(jī)和100 t+100 t雙鉤橋式起重機(jī)的吊鉤間距為8 m。本文設(shè)計(jì)的吊裝裝置主要由上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和懸臂梁等結(jié)構(gòu)件組成，上翻轉(zhuǎn)架質(zhì)量約為28 t，下翻轉(zhuǎn)架質(zhì)量約為27 t，4個(gè)懸臂梁總質(zhì)量約為14 t，上翻轉(zhuǎn)架和下翻轉(zhuǎn)架分別通過雙頭螺柱和螺母與主驅(qū)動(dòng)伸縮箱和主驅(qū)動(dòng)法蘭聯(lián)接緊固，懸臂梁通過螺栓螺母和定位銷與上翻轉(zhuǎn)架聯(lián)接緊固，該吊裝裝置與主驅(qū)動(dòng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 吊裝裝置結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合主驅(qū)動(dòng)總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主驅(qū)動(dòng)總成吊裝過程的工序要求，吊裝裝置主要由上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架和懸臂梁3部分組成。

吊裝裝置的3部分結(jié)構(gòu)件分別根據(jù)各自功能需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)：懸臂梁主要用于主驅(qū)動(dòng)總成的豎直吊裝，用于與盾體組裝階段，需承受主驅(qū)動(dòng)總成的全部重量及上翻轉(zhuǎn)架自重，并且設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能滿足2臺(tái)橋式起重機(jī)同時(shí)起吊；上翻轉(zhuǎn)架用于主驅(qū)動(dòng)總成翻身受力和水平吊運(yùn)，應(yīng)設(shè)置接口與懸臂梁連接緊固；下翻轉(zhuǎn)架主要輔助上翻轉(zhuǎn)架完成主驅(qū)動(dòng)總成的翻身及水平吊運(yùn)；為保證整體剛度，上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架以及懸臂梁都應(yīng)設(shè)置橫梁連接。此外，主驅(qū)動(dòng)重量大，翻身時(shí)采用下翻轉(zhuǎn)架在地面鋼板上翻轉(zhuǎn)的方法完成主驅(qū)動(dòng)的翻身工序，下翻轉(zhuǎn)架耳板應(yīng)設(shè)計(jì)過渡圓弧，使主驅(qū)動(dòng)總成翻身隨過渡圓弧緩慢完成。

吊裝裝置結(jié)構(gòu)中的上翻轉(zhuǎn)架和下翻轉(zhuǎn)架分別通過雙頭螺柱與主驅(qū)動(dòng)伸縮箱和主驅(qū)動(dòng)法蘭聯(lián)接，懸臂梁通過螺栓和定位銷與上翻轉(zhuǎn)架聯(lián)接，方便裝置的安裝及重復(fù)利用。由于主驅(qū)動(dòng)法蘭與主驅(qū)動(dòng)伸縮箱裝配時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上、下翻轉(zhuǎn)架安裝之前應(yīng)注意主驅(qū)動(dòng)伸縮箱和主驅(qū)動(dòng)法蘭的相對(duì)位置，保證吊裝裝置準(zhǔn)確完成裝配動(dòng)作。

1.3 吊裝作業(yè)流程

吊裝作業(yè)流程(見圖2)如下。

1)主驅(qū)動(dòng)在部件裝配車間完成部裝工序，擺放狀態(tài)為法蘭面朝下，變速箱朝上。

2)裝配主驅(qū)動(dòng)吊裝裝置中上翻轉(zhuǎn)架、下翻轉(zhuǎn)架，使用上、下翻轉(zhuǎn)架上吊點(diǎn)將主驅(qū)動(dòng)總成水平吊運(yùn)至整機(jī)裝配車間，裝配車間地面應(yīng)鋪設(shè)鋼板，主驅(qū)動(dòng)總成使用合適支承墩架高。

3)使用150 t+150 t橋式起重機(jī)作為主鉤連接上翻轉(zhuǎn)架兩邊吊點(diǎn)，100 t+100 t橋式起重機(jī)作為副鉤連接下翻轉(zhuǎn)架兩邊吊點(diǎn)，2臺(tái)橋式起重機(jī)水平起吊主驅(qū)動(dòng)總成至一定高度后，移除鋼板上支承墩，然后主鉤繼續(xù)緩慢上升，副鉤緩慢下降至下翻轉(zhuǎn)架落于地面鋼板，摘除副鉤，主鉤繼續(xù)緩慢上升，同時(shí)橋式起重機(jī)朝副鉤方向緩慢駛動(dòng)，至主驅(qū)動(dòng)總成翻身90°。

4)使用合適的型鋼將下翻轉(zhuǎn)架與地面鋼板進(jìn)行焊接牢固，下翻轉(zhuǎn)架橫梁處增加支承，確保主驅(qū)動(dòng)總成保持90°姿態(tài)穩(wěn)固無傾翻后，松鉤。

5)使用小噸位橋式起重機(jī)裝配懸臂梁與橫梁，并將150 t+150 t橋式起重機(jī)、100 t+100t橋式起重機(jī)換鉤至懸臂梁前后共4個(gè)吊點(diǎn)上，橋式起重機(jī)承載受力后拆除下翻轉(zhuǎn)架，試吊穩(wěn)定后，將主驅(qū)動(dòng)豎直吊運(yùn)至盾構(gòu)機(jī)前中盾底部分塊上。

2 吊裝工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

建立吊裝裝置三維模型并導(dǎo)入ABAQUS軟件。將模型中所有的焊縫、螺栓孔刪除并將整個(gè)吊裝裝置合并為一個(gè)整體，減少整個(gè)模型的網(wǎng)格劃分和計(jì)算難度。整個(gè)模型采用C3D8網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，對(duì)于吊耳附件進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。對(duì)懸臂梁處的4個(gè)吊耳處約束6個(gè)自由度，裝置與主驅(qū)動(dòng)連接處施加均勻力載荷355 t，載荷方向與重力方向重合，其網(wǎng)格劃分和施加約束如圖3所示?？紤]到在整個(gè)翻身過程中所有的動(dòng)作都是緩慢進(jìn)行，其加速、振動(dòng)等都極小，故可以近似地認(rèn)為吊裝過程是一個(gè)靜力學(xué)問題，故本次仿真計(jì)算采用ABAQUS/Standard進(jìn)行分析。

懸臂梁組件應(yīng)力和位移仿真分析云圖如圖4所示，仿真結(jié)果見表1。懸臂梁組件最大外形尺寸約為9 060 mm×4 590 mm×3 750 mm，通過仿真分析結(jié)果表明，最大形變量為10.09 mm，對(duì)懸臂梁組件整體吊裝功能無影響；吊裝裝置材料使用Q345低合金鋼，其相關(guān)性能參數(shù)見表2，通過仿真分析結(jié)果表明，吊裝裝置最大應(yīng)力為280 MPa，在合理范圍內(nèi)，對(duì)懸臂梁組件整體強(qiáng)度無影響。

表1 懸臂梁組件仿真結(jié)果表

表2 低合金鋼Q345相關(guān)性能參數(shù)表

3 吊裝工裝實(shí)際應(yīng)用

超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)吊裝翻身裝置在廠房的使用過程如圖5所示。該翻身吊裝裝置在實(shí)際應(yīng)用中可以順利完成主驅(qū)動(dòng)總成的翻身和翻身后的豎直平吊，作業(yè)過程中安全度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，整體使用效果良好；并且吊裝裝置各部件通過螺栓聯(lián)接，方便吊裝裝置的拆裝、運(yùn)輸及重復(fù)使用。

4 結(jié)語

結(jié)合主驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配工序要求和裝配工位起重條件，設(shè)計(jì)了便捷、安全、經(jīng)濟(jì)、適用的翻身平吊裝置，可適用于超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)使用雙臺(tái)橋式起重機(jī)翻身平吊。

根據(jù)實(shí)際裝配工況，應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)吊裝裝置三維建模施加載荷和約束進(jìn)行了受力模擬仿真分析，分析結(jié)果顯示：吊裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。按吊裝作業(yè)流程設(shè)計(jì)實(shí)際使用該吊裝裝置，順利便捷地完成了主驅(qū)動(dòng)裝配工序，驗(yàn)證了該吊裝裝置的可行性和安全性。該吊裝裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為后續(xù)超大直徑主驅(qū)動(dòng)吊裝裝置的設(shè)計(jì)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，對(duì)超大直徑盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)有著重要意義。