李劍雄，康寶生，周遠(yuǎn)航，陳乾坤

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，河南洛陽(yáng) 471009）

0 引言

隨著我國(guó)公路及鐵路修建里程的增加，隧道的施工里程逐年攀升，隧道修建的技術(shù)難度逐漸增大，隧道建設(shè)成為一個(gè)工程建設(shè)的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)。我國(guó)隧道建設(shè)主要采用鉆爆法進(jìn)行施工，支護(hù)作業(yè)是鉆爆法施工隧道的主要工序之一[1]，錨桿臺(tái)車(chē)是支護(hù)作業(yè)所使用的關(guān)鍵設(shè)備[2]，錨桿臺(tái)車(chē)性能的優(yōu)劣直接影響施工進(jìn)度與安全。國(guó)外進(jìn)口錨桿臺(tái)車(chē)產(chǎn)品技術(shù)成熟，但其采購(gòu)周期長(zhǎng)、價(jià)格高，配件不易購(gòu)買(mǎi)，在國(guó)內(nèi)隧道錨護(hù)作業(yè)中使用不多。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的隧道錨桿臺(tái)車(chē)價(jià)格合理，采購(gòu)周期短，配件容易購(gòu)買(mǎi)，國(guó)內(nèi)隧道錨護(hù)作業(yè)基本使用國(guó)產(chǎn)錨桿臺(tái)車(chē)。

國(guó)產(chǎn)隧道錨桿臺(tái)車(chē)基本采用一臂一籃結(jié)構(gòu)模式，即1個(gè)吊籃臂和1個(gè)鉆臂通過(guò)臂座與錨桿臺(tái)車(chē)底盤(pán)進(jìn)行連接[3]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈便，符合國(guó)內(nèi)作業(yè)模式習(xí)慣。臂座作為連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其承受著較大的復(fù)雜載荷。臂座設(shè)計(jì)的安全性至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)曾發(fā)生多起因臂座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、強(qiáng)度較低等原因而產(chǎn)生臂座開(kāi)裂或破壞現(xiàn)象，對(duì)施工產(chǎn)生較大安全隱患。為了解決這一問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)主流錨桿臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)一種錨桿臺(tái)車(chē)臂座結(jié)構(gòu)，對(duì)臂架進(jìn)行受力分析，分析臂座最大受力狀態(tài)，采用ANSYS進(jìn)行受力分析，結(jié)果顯示臂座強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

1 臂座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著隧道施工里程和數(shù)量的增多，施做難度越來(lái)越大，錨桿施做越來(lái)越重要，立足國(guó)內(nèi)隧道錨桿臺(tái)車(chē)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種雙三角結(jié)構(gòu)類(lèi)型的錨桿臺(tái)車(chē)臂座[4]。該臂座包含：伸縮梁定位安裝塊、伸縮梁定位銷(xiāo)軸、左定位油缸安裝塊、左定位油缸安裝銷(xiāo)軸、右定位油缸安裝塊、右定位油缸安裝銷(xiāo)軸、臂座底板等結(jié)構(gòu)件。臂座結(jié)構(gòu)如圖1所示，伸縮梁定位銷(xiāo)軸用以安裝伸縮梁鉸接塊，伸縮梁通過(guò)鉸接塊與臂座進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)上下左右4個(gè)方向自由度的運(yùn)動(dòng)；定位油缸通過(guò)定位油缸安裝塊與臂座進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)上下左右4個(gè)方向自由度的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)左右定位油缸的伸縮配合，實(shí)現(xiàn)臂架在覆蓋空間范圍內(nèi)的定位和運(yùn)動(dòng)。

圖1 臂座結(jié)構(gòu)示意圖

錨桿臺(tái)車(chē)工作時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制左右定位油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)臂結(jié)構(gòu)的定位，左右定位油缸可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)伸縮、1根伸出和1根收回、單根伸縮等動(dòng)作，即可以實(shí)現(xiàn)臂架不同姿態(tài)不同運(yùn)動(dòng)軌跡的定位。由于臂架與臂座之間通過(guò)十字鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)油缸行程范圍內(nèi)任意一點(diǎn)位置的定位，臂需要擺動(dòng)至哪個(gè)位置，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制2個(gè)油缸的伸縮即可實(shí)現(xiàn)。

2 理論分析

隧道錨桿臺(tái)車(chē)在實(shí)際工作過(guò)程中，臂架在設(shè)計(jì)的工作角度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)向著任意方向擺動(dòng)，通過(guò)投影圖可以對(duì)其受力變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，其投影示意圖如圖2、圖3所示，其工作簡(jiǎn)圖如圖4所示，臂架工作受力簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖2 臂架正視圖

圖3 臂架俯視圖

臂架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將臂架和左右定位油缸看做剛性整體，其整體受到重力和臂座給其的作用力，由于臂架可以在定位范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意一點(diǎn)的定位，即在任意位置可以實(shí)現(xiàn)受力平衡，則由圖4可知，當(dāng)臂架整體中心距離臂座最遠(yuǎn)時(shí)臂座受到的作用力最大，即當(dāng)伸縮梁伸出至極限位置、臂架與地面水平時(shí)臂座受到的作用力最大。

圖4 臂架工作簡(jiǎn)圖

圖5 臂架工作受力簡(jiǎn)圖

在臂座受力最大的狀態(tài)，根據(jù)臂架可以靜止可知，此時(shí)臂架受力平衡，由力的平衡方程知（當(dāng)伸縮臂全部伸出時(shí)，針對(duì)懸臂梁而言力矩越大，故分析針對(duì)伸縮臂全部伸出工況；其中假設(shè)桿總長(zhǎng)為L(zhǎng)，AC1=L1，BC1=L2，分析C點(diǎn)支反力）如方程組（1）所示。

L2從下俯到上仰狀態(tài)一直處于變化的趨勢(shì)。

根據(jù)建立的模型知， AB≈300 mm，L1≈1 773 mm，結(jié)合上式知當(dāng)cosθ最大時(shí)，F(xiàn)c最大[5]。

3 ANSYS仿真分析

由于鉆臂質(zhì)量大于吊籃臂的質(zhì)量，即鉆臂臂座所受的載荷較大，對(duì)鉆臂臂座進(jìn)行仿真分析即可。又當(dāng)鉆臂伸縮梁、補(bǔ)償油缸、推進(jìn)油缸伸縮至最遠(yuǎn)端時(shí)，臂架產(chǎn)生的力臂最大，當(dāng)鉆臂處于水平狀態(tài)時(shí)，重心位置距離臂座位置最遠(yuǎn)。綜上所述，當(dāng)鉆臂伸縮梁、補(bǔ)償油缸、推進(jìn)油缸伸縮至最遠(yuǎn)端，鉆臂處于水平狀態(tài)時(shí)鉆臂受到的載荷最大，對(duì)此時(shí)的臂座進(jìn)行靜力學(xué)分析即可。

采用ANSYS workbench自動(dòng)網(wǎng)格劃分生成器并配合一定的網(wǎng)格劃分方法、尺寸控制等，整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，并進(jìn)行了曲率控制，在曲率大的圓角等位置進(jìn)行了加密，如圖6所示。對(duì)鉆臂添加材料屬性，添加Q345B材料，并且施加重力加速度為10 N/kg，考慮油管、接頭、閥塊及液壓油的質(zhì)量，在鉆臂三維模型重心位置再增加300 kg的力，與原鉆臂所受重力方向一致，一起施加至臂座上。運(yùn)行軟件，對(duì)臂座進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果如圖7～9所示。

圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

圖7 總變形情況

臂座整體為焊接結(jié)構(gòu)件，整體尺寸在600 mm左右，結(jié)構(gòu)件整體尺寸較小，在不考慮焊縫質(zhì)量的前提下，只需要觀察整體受力是否出現(xiàn)應(yīng)力集中即可判斷設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足需求，等效應(yīng)變和總變形參數(shù)對(duì)臂座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小，只要不出現(xiàn)大變形即可[7]。根據(jù)仿真結(jié)果可知，臂座的最大等效應(yīng)力為55.296 MPa，遠(yuǎn)小于材料Q345B的強(qiáng)度345 MPa，臂座最大總變形為0.36 mm，等效應(yīng)變最大值為0.000 2 mm，遠(yuǎn)小于材料Q345B的彈性形變，由此可知臂座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖8 等效應(yīng)變情況

圖9 等效應(yīng)力情況

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙三角結(jié)構(gòu)的錨桿臺(tái)車(chē)臂座，介紹了臂座的結(jié)構(gòu)，對(duì)錨桿臺(tái)車(chē)在工作過(guò)程中臂座的受力情況進(jìn)行了理論分析。根據(jù)理論分析可知，臂架在水平狀態(tài)、伸縮梁伸出最長(zhǎng)時(shí)，臂座受力最大，將整體模型導(dǎo)入ANSYS仿真軟件，施加9.8 N/kg的重力加速度，對(duì)臂座進(jìn)行固定[8]，進(jìn)行ANSYS靜力學(xué)分析，由分析結(jié)果可知，臂座各項(xiàng)指標(biāo)均低于材料本身屬性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求[9]。對(duì)臂座進(jìn)行加工制造，應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)隧道錨桿臺(tái)車(chē)并在鄭萬(wàn)現(xiàn)場(chǎng)使用，錨桿臺(tái)車(chē)使用過(guò)程中臂座未發(fā)生變形或開(kāi)裂現(xiàn)象，實(shí)際驗(yàn)證臂座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，保障了施工進(jìn)度和安全，為國(guó)產(chǎn)隧道錨桿臺(tái)車(chē)臂座設(shè)計(jì)提供了參考。