高文梁 胡 璉/中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司

?

Φ6280mm復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)盾體吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力對比分析

高文梁 胡 璉/中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司

【摘 要】本文通過對盾構(gòu)機(jī)盾體四種形式的吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，并對這四種吊耳的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，指導(dǎo)施工現(xiàn)場工人針對不同需求選擇相應(yīng)吊耳，盾構(gòu)機(jī)吊耳進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機(jī)吊耳；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

引言

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)［1］是一種專門用于開挖隧道的大型成套工程設(shè)備，由于具有快速施工、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，作為安全高效的隧道施工機(jī)械在城市地下鐵道、管線等隧道隧洞工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

盾構(gòu)技術(shù)復(fù)雜，單件重量大，盾構(gòu)機(jī)在制造、組裝、拆機(jī)、運(yùn)輸以及始發(fā)過程中對吊裝技術(shù)要求高［2］。因此，合理選擇吊裝設(shè)備是安全施工的重要保證。本文我們對盾構(gòu)機(jī)常用的幾種吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，總結(jié)出這幾種吊耳的優(yōu)缺點(diǎn)，便于指導(dǎo)現(xiàn)場工人選擇。

1.盾構(gòu)機(jī)吊耳力學(xué)模型

盾構(gòu)機(jī)前盾總成（含設(shè)備）110T，前盾起吊吊耳四個，并關(guān)于盾體重心對稱布置，每個吊耳設(shè)計(jì)載荷40T。吊裝鋼絲繩［3］長度在6米～11米之間，鋼絲繩直徑40mm以上。所有吊耳焊縫焊接質(zhì)量評定按《GB/T 12469》執(zhí)行，焊縫外形尺寸應(yīng)按《GB/T7949》執(zhí)行，并按《GB 11345-2013超聲波探傷記錄表》填寫有關(guān)探傷報(bào)告。

圖1　 吊耳吊裝示意圖

盾構(gòu)機(jī)在吊裝時如圖1所示，鋼絲繩按照6m選取，鋼絲繩與豎直方向成39°角，吊耳具體受力如圖2所示。

圖2　 吊耳受力簡化模型圖

2.盾構(gòu)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析

2.1 筋板型焊接式吊耳

2.1.1吊耳結(jié)構(gòu)形式。

主吊耳焊接在盾殼上，兩件筋板（與主吊耳和盾殼焊接，如圖3所示。

圖3　 筋板型焊接式吊耳結(jié)構(gòu)圖

2.1.2吊耳有限元分析。

吊裝吊耳按照受力40T，約束盾殼端面，建立1∶1吊耳幾何模型。分析時耳板受力按照圖2中F向建立等效受力模型，并進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖4、圖5所示，吊耳最大等效應(yīng)力為203mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應(yīng)力在150mPa左右，最大變形1.07mm。

吊裝吊耳基體材料為Q345B，材料的屈服強(qiáng)度345mPa，故該形式吊耳基本滿足要求。

圖4　 筋板型吊耳應(yīng)力圖

圖5　筋板型吊耳形變圖

2.2.護(hù)板型焊接式吊耳

2.2.1吊耳結(jié)構(gòu)形式。

主吊耳焊接在盾殼上，兩件筋板焊接在主吊耳兩側(cè)，如圖6所示。

圖6　 護(hù)板型焊接式吊耳結(jié)構(gòu)圖

2.2.2吊耳有限元分析。

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖7、圖8所示，吊耳最大等效應(yīng)力為161mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應(yīng)力在100mPa左右，最大變形0.57mm。

可以看出，該形式吊耳基本滿足要求。

圖7　 護(hù)板型吊耳應(yīng)力圖

圖8　護(hù)板型吊耳形變圖

2.3.螺栓連接式吊耳

2.3.1吊耳結(jié)構(gòu)形式。

主吊耳焊接在法蘭上，一側(cè)用筋板支撐。吊耳整體焊接完畢后，通過使用10顆M36-10.9螺栓將盾體和法蘭栓接起來，詳細(xì)如圖9所示。

2.3.2吊耳結(jié)構(gòu)校核及有限元分析。

a）螺栓分析校核

可查M 3 6 - 1 0.9螺栓最小拉力載荷：F拉力m i n= 8 5 T、F預(yù)緊m i n= 5 1.5 T；每個吊耳承載能力：F吊耳承載= 4 0 T；

圖9　 螺栓連接式吊耳結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，吊耳焊接位置所形成角度α=56°，則：

F吊耳正拉力= F吊耳承載×sinα=40T×sin56°=33T；

F吊耳剪切力= F吊耳承載×cosα=40T×cos56 =22T；

經(jīng)校核可得各方向上的安全系數(shù)：

ns= n×F預(yù)緊min/F吊耳正拉力=15.6；

nb= πr2×σ屈服極限×η×n/F吊耳剪切力=25；

式中：

ns—吊耳正應(yīng)力安全系數(shù)；

nb—吊耳剪切力安全系數(shù)；

n—螺栓數(shù)量，此形式吊耳有10顆螺栓；

σ—螺栓屈服極限，屈服極限σ=900mPa；

η—剪應(yīng)力系數(shù)，現(xiàn)取剪應(yīng)力系數(shù)0.6。

故螺栓有一定的安全系數(shù)儲備，滿足要求。

b）吊耳有限元分析

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖10、圖11所示，吊耳最大等效應(yīng)力為109.9 mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均應(yīng)力在75mPa左右，最大變形0.28mm。

圖10　螺栓式吊耳應(yīng)力圖

圖11　螺栓式吊耳形變圖

可以看出，該形式吊耳基本滿足要求。

2.4箱式吊耳

2.4.1吊耳結(jié)構(gòu)形式。

先用板材拼焊成箱體，用銷軸將吊臂與箱體穿接起來。將箱體整體焊裝在盾體內(nèi)部，周圍焊接筋板支撐，吊耳在使用時可以將吊臂旋轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)，如圖12、13所示。

圖12　箱式吊耳結(jié)構(gòu)圖

圖13　箱式吊耳使用示意圖

2.4.2吊耳校核及有限元分析。

銷軸分析校核

經(jīng)分析箱式吊耳在盾體豎直起吊狀態(tài)時受力最差。箱式吊耳結(jié)構(gòu)及受力狀況如圖14所示：

圖14　 箱式吊耳起吊狀態(tài)受力圖

銷子受剪切力，計(jì)算得：

剪切力：Q剪切力=F/2=40T/2=20T；

剪切面面積：A=πd2/4=4534.16mm2；

剪應(yīng)力：τ=Q剪切力/A=44mPa。

銷子的直徑為D=76mm，材料20Cr，其屈服強(qiáng)度是520mPa，現(xiàn)取剪應(yīng)力系數(shù)0.6。

所以，安全系數(shù)n=520×0.6/33.1=9.4。

因此，銷軸滿足盾體最大吊裝安全性能儲備要求。

吊耳有限元分析

邊界條件同筋板型焊接吊耳，進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖15、圖16所示，吊耳最大等效應(yīng)力為213.5mPa，吊耳耳板的平均應(yīng)力在94mPa左右，最大變形0.12mm?？梢钥闯?，該形式吊耳基本滿足要求。

圖15　 箱式吊耳應(yīng)力圖

圖16　箱式吊耳形變圖

3.四種類型吊耳有限元分析結(jié)果對比

經(jīng)計(jì)算分析，這四種吊耳均能滿足吊裝要求，但是在吊裝使用時各有優(yōu)劣，如表格1所示：

4.結(jié)束語

本文經(jīng)過對以上四種吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算分析，可以看出這四種形式的吊耳均可以滿足施工現(xiàn)場使用要求，但是這四種吊耳在使用時均存在一定的優(yōu)劣點(diǎn)，我們在這里進(jìn)行詳細(xì)對比，可以指導(dǎo)現(xiàn)場工人根據(jù)不同需求進(jìn)行選擇使用。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國鐵道總公司.隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］黃芹朋.盾構(gòu)吊裝設(shè)備選擇與工藝計(jì)算［J］.建筑機(jī)械（下半月），2014（3）：45-47.

［3］朱森林.李慧敏.談塔機(jī)用鋼絲繩的選用［J］.建筑機(jī)械化，2009，30（3）：61-63.