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(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國基礎設施建設迅速發(fā)展，隧道施工越來越多，軟圍巖施工也隨之增加，在軟圍巖施工中通常會進行鋼拱架支護來提高軟圍巖的穩(wěn)定性，以防止坍塌。鋼拱架有鋼拱和格柵拱兩種，鋼拱一般采用工字鋼彎制而成，格柵拱采用工程用鋼筋拼接焊接而成，配合錨桿、鋼筋網(wǎng)和混凝土噴射進行聯(lián)合支護。目前國內(nèi)一般采用人工安裝為主，簡易機械為輔，施工中不僅強度大、效率低，而且危險性大、安裝質(zhì)量低[1-2]。采用國外的安裝機，不僅價格昂貴而且不適用于我國作業(yè)環(huán)境和施工要求。因此急需研發(fā)一種適用于我國隧道施工的新型拱架安裝機，配合其隧道機械施工，對實現(xiàn)我國隧道機械化配套作業(yè)具有重要意義[3]。

1 國內(nèi)外拱裝機研制發(fā)展、現(xiàn)狀

1.1 國外研制、發(fā)展現(xiàn)狀

國外隧道施工技術發(fā)展較早，機械化自動化程度較高，各作業(yè)設備較為齊全，鋼拱架安裝機在軟圍巖支護過程中廣泛使用。國外鋼拱架安裝機產(chǎn)品形式豐富，生產(chǎn)拱架安裝設備的廠家較多，主要有芬蘭Normet、日本古河以及日本愛知等[4]。其中日本愛知公司生產(chǎn)的HYL5073JGKA 型高空作業(yè)平臺車、芬蘭Normet公司的UTILIFT2000四臂鋼拱架安裝機(圖1)和日本古河機械金屬株式會社的支護架設和混凝土噴漿組合機MCH1220Z (圖2)最為典型[5]。

圖1 UTILIFT2000 圖2 MCH1220Z

1.2 國內(nèi)研制、發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)隧道施工技術遠遠落后于其他發(fā)達國家，對拱架安裝的設備還在研究之中。鋼拱架支護一般由人工進行(圖3)，人工安裝勞動強度大、安全系數(shù)低、危險性高。

國內(nèi)最具代表性的鋼拱架安裝機是由中鐵隧道集團專用設備中心設計開發(fā)的，該設備以神鋼SK200型液壓挖掘機為平臺，在其小臂上安裝翻轉夾持機構，在回轉臺上安裝吊籃機構實現(xiàn)。其次，最為典型的屬洛陽聚科特種工程機械有限公司生產(chǎn)的J0C0-01鋼拱架安裝機(圖4)，采用液壓挖掘機為底盤，工作裝置為小臂，把小臂末端改裝成一個可實現(xiàn)六個自由度的夾緊裝置，此外在回轉平臺上加裝了吊籃機構，以輔助安裝。

圖3 人工安裝 圖4 J0C0-01鋼拱架安裝機

通過對比國外鋼拱架安裝設備可以看出來，我國鋼拱架安裝設備的研發(fā)和應用與國外還有較大的差距。在作業(yè)范圍和作業(yè)多功能化方面與國外專用設備有著較大的差距，因此研發(fā)一種適用于我國的拱架運輸及安裝的專用機械十分必要[6]。

2 兩臂一籃式鋼拱架安裝機整機結構與工作原理

兩臂一籃式鋼拱架安裝機主要由底盤、工作平臺、工作裝置、吊籃系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)六大部分組成。工作裝置和吊籃系統(tǒng)安裝于工作平臺上，具體結構如圖5。

圖5 安裝機主要組成部分

兩臂一籃式鋼拱架安裝機能夠?qū)崿F(xiàn)拱架的運輸以及安裝等功能，圖6中底座1安裝在工作平臺上能夠使整個工作裝置實現(xiàn)左右擺動，進而調(diào)整整個工作裝置的位置；動臂2支撐斗桿以及加持機構；斗桿調(diào)節(jié)油缸3能夠上下調(diào)節(jié)斗桿以及加持機構；斗桿4支撐整個夾持機構以及鋼拱架；夾持油缸5能夠?qū)崿F(xiàn)加持機構的左右微調(diào)；回轉機構6能夠?qū)崿F(xiàn)夾持器360°旋轉；夾持油缸8實現(xiàn)鋼拱架的夾持；夾持機構油缸10實現(xiàn)加持機構的上下微調(diào)；動臂油缸11支撐整個工作裝置的上下擺動；整個工作裝置的動作由7部分組成，分別包括：動臂俯仰、動臂偏擺、斗桿俯仰、加持機構俯仰、夾持器偏擺、夾持器旋轉；七個動作聯(lián)合運動以實現(xiàn)鋼拱架的安裝，前端微調(diào)機構能夠精確的調(diào)整鋼拱架位置，使鋼拱架的安裝更加快捷、方便、高效等。主要技術參數(shù)見表1。

圖6 工作裝置主要組成部分

表1 主要技術參數(shù)

3 關鍵零部件力學性能分析

夾持機構是整個工作裝置的核心部位，有3個自由度，在鋼拱架安裝過程中對鋼拱架進行夾持、微調(diào)等作用，是鋼拱架安裝質(zhì)量的重要保障。動臂是整個工作裝置的重要部分，支撐斗桿、加持機構以及鋼拱架，是鋼拱架安裝的前提。此兩個部件一旦出現(xiàn)問題，將導致鋼拱架無法安裝，所以有必要針對以上兩個機構進行強度校核，保證鋼拱架安全、高效、高質(zhì)量安裝[7-8]。

3.1 夾持機構應力應變分析

1)材料屬性：牌號Q295A，材料屈服點σs因板厚不同而屈服極限值也不同，夾持裝置最大板厚為固定板圓孔連接處25 mm，故統(tǒng)一最小屈服極限值275 MPa；

2)邊界條件：固定連接圓孔部分，即與斗桿連接的圓孔部分；

3)施加載荷：取最大受力狀態(tài)分析，即夾頭處于水平抓取狀態(tài)。該狀態(tài)下整個夾持裝置受力情況為：夾頭處受工字鋼重力為F1，工字鋼抓取偏置對夾頭部分產(chǎn)生轉矩T2，夾頭擺動油缸對夾頭有一對作用力與反作用力F5。夾持油缸對夾頭上下板產(chǎn)生一對作用力與反作用力F4；

4)夾持裝置具體相關參數(shù)為：一般工字鋼重量：300～600 kg，設計時按600 kg算；工字鋼總長8 m，夾持位置為中間位置偏右3 m處。夾頭擺動油缸與夾持油缸缸徑腔面積均為28.27 mm，工作壓力300 bar；

F1=6000 N，垂直作用于抓頭下板處；

T2=1800 N/m，方向為逆時針方向；

F3×300×10=84810 N=F4，作用力方向沿液壓缸軸向方向。

5)把模型導入hyperworks中，施加相應載荷，分析結果如圖7。

圖7 夾頭應力應變分布圖

結論：由圖7可知在夾頭張角部位和軸銷孔連接處存在應力集中現(xiàn)象，最大應力值為19.92 MPa；

校核結果：最大應力值19.92 MPa小于所選低合金高強度鋼Q295A的最小屈服極限值275 MPa。

即σ(19.92 MPa)≤σs(275 MPa)，滿足強度要求。

3.2 工作裝置動臂應力應變分析

圖8 動臂三維模型圖

動臂三維模型圖如圖8。

1)材料屬性：選用牌號Q295B的低合金高強度結構鋼，動臂最大板厚為底板30 mm，故統(tǒng)一最小屈服極限值275 MPa；

2)邊界條件：固定下方連接底盤的旋轉軸心處；

3)施加載荷：大臂受力情況為，動臂油缸對它的支持推力F1，斗桿油缸對它的反推力F2以及前端斗桿，夾持裝置等對其前端兩耳的壓力F3；

4)具體機構參數(shù)：前端斗桿以上部分重量：751 kg，工字鋼重400 kg，動臂油缸缸徑腔面積95.03 mm2，油缸工作壓力300bar，斗桿油缸缸徑腔面積95.03 mm2，油缸工作壓力300bar。

計算得：

F1=285090 N，與上文工作臂底盤下耳受力為作用力與反作用力，上文力大小為167143 N，有167143 N<285090 N，滿足強度要求，則F1=167143 N。

F2=57019 N<285 090 N，滿足強度要求。則F2=57 019 N；

方向：F1與水平方向夾角28.1003°，F(xiàn)2與水平方向夾角4.277°；

F3=59283 N，均布與兩側耳上。方向與水平夾角36.524°。

5)應力應變分析結果

單純考慮兩油缸作用于整個大臂時的情況，考慮極端情況下大臂的受力情況，特別考慮上下兩耳及周邊的應力情況。即約束大臂兩端，加載力F1，F(xiàn)2至上下兩耳，F(xiàn)1=F2=285090 N，方向不變。

結論：由圖9可知在上下耳板與動臂連接處存在應力集中現(xiàn)象，最大應力值為59.04 MPa。

圖9 動臂應力分布圖

校核結果：最大應力值59.04 MPa小于所選低合金高強度鋼Q295B的最小屈服極限值275 MPa，即σ≤σs，滿足強度要求。

4 結論

本文主要介紹了兩臂一籃新型鋼拱架安裝機整機結構，對其工作原理進行了簡單闡述，此外還對工作裝置的關鍵零部件進行了應力應變分析，并且都滿足強度要求。

新型拱架安裝機在隧道鋼拱架支護過程中能夠解決人工安裝強度大、效率低、危險性高、 安裝質(zhì)量低等問題，實現(xiàn)鋼拱架安裝機械化作業(yè)，是隧道機械化配套施工的發(fā)展趨勢，對我國隧道建設有著重要意義。

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[5] 株式會社トンネルのレンタル.SCORPION TTER6-R10S-TN[EB/OL]，2008.

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