張曉晴，趙振威，董 恰

（1.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；2.中鐵高新工業(yè)股份有限公司，北京 100160）

0 引言

混凝土濕噴臺車是一種將預(yù)拌好的混凝土經(jīng)管道輸送至噴嘴，在噴嘴處由混流有速凝劑的高壓空氣吹出，經(jīng)快速凝結(jié)形成混凝土支護(hù)層的工程機(jī)械［1］。目前，隧道初支濕噴技術(shù)已全面被施工方接受并推廣，國內(nèi)濕噴臺車在引進(jìn)發(fā)達(dá)國家濕噴技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)近些年的迅速發(fā)展，已形成了較為成熟的產(chǎn)品。

隨著“德國工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的出臺，智能化、信息化已明確成為未來的發(fā)展方向，國內(nèi)外一些實(shí)力雄厚的濕噴企業(yè)也把創(chuàng)新的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到智能化、信息化技術(shù)上來，智能濕噴臺車的應(yīng)用和推廣成為發(fā)展的必然趨勢。

1 智能濕噴臺車臂架結(jié)構(gòu)分析

智能化濕噴臺車在常規(guī)濕噴臺車功能的基礎(chǔ)上，需增加隧道輪廓的掃描及檢測、自動定位、濕噴臂架運(yùn)動軌跡規(guī)劃及控制、噴射信息的處理及傳輸、噴射數(shù)據(jù)和姿態(tài)的反饋及優(yōu)化等功能。這些功能要求智能臂架關(guān)節(jié)處能加裝傳感器，完成臂架動作的控制和檢測，因此智能臂架系統(tǒng)是智能濕噴臺車的關(guān)鍵組成部分。

常規(guī)濕噴臺車臂架結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括上支座、大臂系統(tǒng)、中臂系統(tǒng)、小臂系統(tǒng)和噴頭五個部分，具有大臂回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮，中臂俯仰，小臂回轉(zhuǎn)和伸縮，噴嘴旋轉(zhuǎn)、擺動和刷動共九個動作。臺車的最大作業(yè)高度是17m，最大作業(yè)寬度是30m，最大作業(yè)深度是8m，滿足單洞雙線等大型高鐵隧道及部分水工隧道的作業(yè)要求。

目前，常規(guī)濕噴臺車臂架已經(jīng)經(jīng)過長期使用，性能穩(wěn)定，但并不適用在智能濕噴臺車上，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）大臂伸縮臂。大臂內(nèi)外臂截面均為五邊形，如圖2所示，由上下兩部分拼焊而成，加工難度大，焊接后的平面度不好保證，內(nèi)外套間滑塊調(diào)整量小，使得外臂和內(nèi)臂之間的間隙較大。進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)，臂架受到噴射反力的作用，會導(dǎo)致臂架晃動，若用于智能濕噴臺車臂架中，會導(dǎo)致臂架傳感器測量數(shù)據(jù)誤差大，并且不利于對噴嘴的準(zhǔn)確定位。

圖1 常規(guī)濕噴臺車臂架結(jié)構(gòu)

圖2 大臂伸縮臂五邊形截面

（2）小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。常規(guī)濕噴臺車采用直線油缸驅(qū)動，小臂的回轉(zhuǎn)角度為240°（正向40°，負(fù)向180°），由于角度的不對稱，結(jié)構(gòu)中采用了四連桿機(jī)構(gòu)［2］，如圖3所示。由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜并難以保證強(qiáng)度，實(shí)際中此處出現(xiàn)過多次焊縫開裂問題。并且若在小臂回轉(zhuǎn)銷軸上安裝編碼器，運(yùn)動過程中會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)干涉，無法控制和檢測小臂回轉(zhuǎn)角度。

2 智能臺車臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能臺車臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要保證覆蓋范圍不減小，又要保證實(shí)現(xiàn)臂架動作的精確測量和控制。針對上面兩點(diǎn)對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 小臂回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

將中臂和四連桿機(jī)構(gòu)部分改為采用蝸輪蝸桿的回轉(zhuǎn)支撐，如圖4所示，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并且回轉(zhuǎn)支撐可360°回轉(zhuǎn)［3］。

圖3 小臂回轉(zhuǎn)四連桿機(jī)構(gòu)

圖4 智能臺車小臂回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)

智能臺車小臂總長度是5 425mm，相比于常規(guī)臺車取消了中臂和四連桿，總長度比常規(guī)臺車縮短大約1 700mm。

2.2 大臂設(shè)計(jì)

矩形截面是最經(jīng)典的伸縮臂截面形式，我公司的三臂鑿巖臺車服務(wù)平臺臂架和三臂拱架安裝臺車臂架均采用矩形截面，這種截面相比其他截面制造簡單，具有較好的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)能力，因此在智能臂架設(shè)計(jì)中考慮采用矩形截面［4］。為保證智能臺車覆蓋范圍，確定智能臺車大臂總長度為7.555m。智能臺車大臂伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能臺車大臂伸縮臂結(jié)構(gòu)

3 智能臺車臂架強(qiáng)度校核計(jì)算

3.1 智能濕噴臺車臂架所受載荷確定

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，臂架水平全伸時(shí)為最危險(xiǎn)工況。本文選取其最危險(xiǎn)工況對智能臺車臂架系統(tǒng)進(jìn)行載荷的施加。臂架在工作中所受的主要載荷F包括臂架自身的重量G1、輸送管自身的重量G3、動載荷、混凝土的重量G2和風(fēng)載荷P［5］，即：

其中：Kd為自重動載荷系數(shù)，取Kd＝1.2；K 為振動載荷系數(shù)，取K＝1.3。

對于風(fēng)載荷，在實(shí)際作業(yè)情況下可忽略不計(jì)。表1為計(jì)算得到的臂架各部分所受的載荷。

表1 計(jì)算得到的臂架各部分所受載荷

3.2 臂架強(qiáng)度校核

智能臺車大臂材料為Q690，屈服強(qiáng)度σs為690 MPa，抗拉強(qiáng)度為940MPa；小臂材料為Q345B，屈服極限σs為345MPa，抗拉強(qiáng)度為490MPa。

許用應(yīng)力［σ］＝σs／n＝（n 為安全系數(shù)，取1.7）。經(jīng)計(jì)算，Q690的許用應(yīng)力為406MPa，Q345許用應(yīng)力為203MPa。

采用截面法對臂架進(jìn)行受力分析，如圖6所示。A、B、C、D四個截面是危險(xiǎn)截面，分別對其進(jìn)行校核。圖6中，F(xiàn)1為大臂重量；F2為混凝土管路與混凝土重量；F3為回轉(zhuǎn)支撐重量；F4為小臂重量；F5為噴頭總成重量；Li分別為相應(yīng)力臂長度。

圖6 濕噴臺車臂架受力分析

A—A截面所受彎矩：

A—A截面的抗彎截面系數(shù)：

彎曲應(yīng)力：

安全余量：

同理可得：

B—B截面所受彎矩M2＝57 860 380Nmm，抗彎截面系數(shù)W2＝551 387mm3，彎曲應(yīng)力σ2＝105MPa，安全余量S2＝3.3。

C—C截面所受彎矩M3＝20 398 200Nmm，抗彎截面系數(shù) W3＝206 797mm3，彎曲應(yīng)力σ3＝98.6 MPa，安全余量S3＝2.1。

D—D截面所受彎矩M4＝129 376Nmm，抗彎截面系數(shù)W4＝8 531 250mm3，彎曲應(yīng)力σ4＝66MPa，安全余量S4＝3.1。

通過對智能臺車臂架危險(xiǎn)截面的校核，證明該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，安全余量大于1.5，滿足使用要求。

4 結(jié)論

智能濕噴臺車臂架系統(tǒng)是濕噴臺車的關(guān)鍵部分，臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理直接影響施工作業(yè)質(zhì)量。在常規(guī)濕噴臺車的基礎(chǔ)上，針對智能臂架應(yīng)用中出現(xiàn)的伸縮臂晃動量大和小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無編碼器安裝空間問題對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果表明，智能臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，安全余量合理，為混凝土濕噴臺車臂架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性奠定了基礎(chǔ)。