焦　爽

（中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南　新鄉(xiāng)　453000）

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管片車結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

焦爽

（中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

摘要：管片車是盾構(gòu)法施工中不可缺少的設(shè)備之一，主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸混凝土管片。為適應(yīng)國內(nèi)市場管片車低廉的價(jià)格競爭，簡化管片車生產(chǎn)工藝，優(yōu)化管片車結(jié)構(gòu)，減少鋼材成本十分重要?；诖耍饕柚抡孳浖olidworks Simulation對管片車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)，提高利潤。

關(guān)鍵詞：管片車；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；Solidworks Simulation；仿真分析

地鐵隧道、通信及地下電纜的日益建設(shè)，盾構(gòu)也在國內(nèi)得到全速發(fā)展，盾構(gòu)法施工相應(yīng)的后配套設(shè)備也隨之發(fā)展，管片車作為隧道施工后配套設(shè)備的一種，迫于國內(nèi)市場低廉價(jià)格的壓力，為保證銷售利潤保持不變甚至略有提高，管片車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化就顯得特別重要。此優(yōu)化主要改進(jìn)管片車車體結(jié)構(gòu)，以減少管片車制作成本為目的，通過優(yōu)化管片車車體結(jié)構(gòu)，減少其所耗鋼材重量，改善其制作工藝，從而降低制作工時(shí)，從材料成本與人工成本兩方面節(jié)約成本［1］。優(yōu)化前車體三維模型優(yōu)化后車體三維模型見圖1。將管片車中部異形板和面板拼接結(jié)構(gòu)更改為型鋼結(jié)構(gòu)，簡化拼接工藝，減小焊接時(shí)間，節(jié)約材料，利于生產(chǎn)。

1　15T管片車優(yōu)化后長度方向受力分析計(jì)算

本文以15T管片車為主題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。15T管片車參數(shù)如表1所示。

15T管片車軸距為2 600mm，輪軸與橡膠墊的距離為280 mm，如圖2所示。15T管片車主要承載管片的重量，按15T管片重量計(jì)算，對管片車車體進(jìn)行受力分析，作用于橡膠墊處兩作用力分別為F，在力作用下，車體主要承受彎曲應(yīng)力。

表1　管片車參數(shù)

圖1　優(yōu)化前車體三維模型優(yōu)化后車體三維模型

圖2　管片車長度

將管片車車體簡化為簡支梁，兩輪軸處為固定支點(diǎn)，橡膠墊處為受力點(diǎn)，如圖3所示。

圖3　管片梁受力

圖4　車體所受彎矩

根據(jù)圖示計(jì)算如下：根據(jù)載重為15T計(jì)算

此管片車軸距方向?yàn)樽兘孛妫颂庍x取A-A、B-B、C-C 3個(gè)截面進(jìn)行計(jì)算，這3個(gè)截面分別代表軸距方向各段截面（即0-280；280；280-2320段）的簡化截面，A-A即HW200X200型鋼抗彎截面模數(shù)，由GB/T 11263-2005查得單根HW200X200型鋼抗彎截面模Wx=472cm3。

B-B與C-C如圖5所示，利用caxa軟件求得兩截面抗彎截面系數(shù)分別為3 838cm3與1 817cm3，此處計(jì)算時(shí)忽略管片車結(jié)構(gòu)因焊接后空間三維所造成的各截面中性面與計(jì)算所取中性面的差異，故簡化計(jì)算存在一定誤差。

圖5　B-B與C-C截面

最大彎曲應(yīng)力：

拉伸應(yīng)力：

從結(jié)構(gòu)上簡單分析可知，彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力方向?yàn)檎?，拉伸?yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力方向、載荷彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力分布為：F—15T管片對橡膠墊力；F1—F垂直于地面的分力；F2—F平行于地面的分力；Mmax—載重15T時(shí)車體所受最大彎矩，即車體兩橡膠墊之間；σmax—載重15T時(shí)車體所受最大彎曲應(yīng)力，即車體HW型鋼段；σF—載重15T時(shí)車體所受拉伸應(yīng)力；Wmin—各變截面最小截面抗彎模數(shù)［2］。

由以上分析可知，取2根HW200X200型鋼抗彎截面模數(shù)Wmin=944cm3，Smin—車體軸距方向各變截面最小截面面積，即HW200X200型鋼截面面積，由GB/T 11263-2005查得HW200X200型鋼截面面積為S=63.63cm2；σS—Q235的屈服應(yīng)力，由GB/T700-2006查得材料Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa，即σS=235MPa；[σ]—Q235的許用應(yīng)力，由可知，當(dāng)n取2時(shí)，[σ]=235/2=117.5MPa。其n中，n為安全系數(shù)，當(dāng)材料為塑性材料時(shí)，n=1.5～2.5，此處n取2。

2　15T管片車優(yōu)化后輪軸方向受力分析計(jì)算

簡化為簡支梁，兩軸承座為固定支撐點(diǎn)，橡膠墊理論上受均布力，但此處計(jì)算按受力最大情況進(jìn)行計(jì)算，即受中間集中載荷，按此便可將輪軸方向結(jié)構(gòu)簡化為如圖6所示。其中，支點(diǎn)為兩軸承座中心，F(xiàn)作用于橡膠墊中點(diǎn)處。

圖6　輪軸方向結(jié)構(gòu)簡化圖

圖7　車體所受彎矩

優(yōu)化后車體主要承力結(jié)構(gòu)如圖8所示，根據(jù)caxa軟件計(jì)算，此結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)Wx=96.8×104mm3。

圖8　車體主要承力結(jié)構(gòu)

故兩支點(diǎn)間最大彎矩：

此結(jié)構(gòu)所受最大彎曲應(yīng)力為：

3　管片車行駛中受力分析

管片車行駛時(shí)拉伸應(yīng)力：

其中，F(xiàn)拉為行駛時(shí)管片車所受拉力；G管片車為行駛時(shí)的自重，即2 129kg；G管片為行駛時(shí)管片重量，即15T；μ為許用粘著系數(shù)（交流機(jī)車為0.20～0.33，取0.26）。由簡化計(jì)算可知，15T管片車車體能夠承受15T載重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，亦能夠承受行駛時(shí)的拉伸力，管片車結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行［3］。

4　Solidworks Simulation對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析

為更清楚管片車在均布受力的應(yīng)力情況，以下利用Solidworks Simulation對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果見表2～8和圖9～14。

4.1模型信息

車體結(jié)構(gòu)的算例屬性、單位、材料屬性等信息分別見表2、3、4和表5。

表2　算例屬性

表3　單位

表4　材料屬性

表5　模型的具體屬性

4.2載荷和約束

約束和載荷情況分別見表6、7和圖9。

表6　車體的約束

4.3網(wǎng)格信息

網(wǎng)格信息見圖10和表8。

圖9　載荷和約束圖

4.4算例結(jié)果

算理結(jié)果見圖11～14。

表8　算例2網(wǎng)格信息表

圖10　算例2網(wǎng)格信息圖

圖11　新型管片車體-算例2-應(yīng)力

圖13　新型管片車體-算例2-應(yīng)變

圖14　新型管片車體-算例2-安全系數(shù)

由以上仿真結(jié)果可以看出：所受最大應(yīng)力為1.670 9e+ 007N/m2，即16.7Mpa；最大變形量為0.069mm，最大應(yīng)變?yōu)?.031e-005，最小安全系數(shù)為13.2。仿真最大應(yīng)力與簡化應(yīng)力不同原因在于將車體簡化為簡支梁計(jì)算時(shí)，車體結(jié)構(gòu)與受力均作簡化，在一定程度上將結(jié)構(gòu)簡化，將力作集中力，故簡化計(jì)算時(shí)所求應(yīng)力大于仿真分析應(yīng)力。但兩者結(jié)論一致，優(yōu)化后強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)使用要求，優(yōu)化方案可行。

5　工業(yè)實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用過程中，鑒于國內(nèi)項(xiàng)目常將管片車作為材料車使用，故在優(yōu)化后的管片車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在中部型鋼結(jié)構(gòu)處增加扁豆花紋板，作為材料存放處。優(yōu)化后的管片結(jié)構(gòu)在中鐵一局、電氣化局等多個(gè)項(xiàng)目上使用。（如圖15）

圖15　管片車的使用

6　結(jié)語

通過力學(xué)分析可以看出，優(yōu)化后管片車強(qiáng)度、剛度均滿足使用要求，并有一定安全系數(shù)。優(yōu)化后的管片車減少耗用鋼材重量，改善其制作工藝，從而降低制作費(fèi)用，從材料成本與人工成本兩方面節(jié)約成本，利于車間的加工制作。

參考文獻(xiàn)：

［1］王喬能.Solidworks simulation結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用淺析［C］.全國機(jī)械裝備先進(jìn)制造技術(shù)（廣州）高峰論壇，第十一屆粵港機(jī)械與電子工程技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)［A］，2010.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］喻和春.地鐵盾構(gòu)施工后蓄電池礦用機(jī)車選型與車輛編組［J］.山西建筑，2009，35（28）：340-341.

中圖分類號：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0076-04

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：焦爽（1987-），女，本科，助理工程師，研究方向：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及隧道專用設(shè)備。

The Car Segment Structure Optimization Technology

Jiao Shuang
（China Railway Tunnel Engineering Equipment Group Equipment Manufacturing Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract:Segment car is one of indispensable equipment in shield construction,it is mainly used to transport con?crete segment.In order to adapt to low price competition in the domestic market,it is very important to optimize seg?ment car production process and structure and reduce the cost of steel.Based on this,this paper was optimized the structure of segment with the aid of simulation software,in order to guide the production and increase profits.

Keywords:car segment；structure optimization；solidworks Simulation；simulation analysis