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        盾構(gòu)機(jī)喂片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

        2021-12-13 07:31:26梁龍
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年33期
        關(guān)鍵詞:側(cè)翼架體管片

        梁龍

        (北方重工集團(tuán)有限公司隧道裝備設(shè)計(jì)研究所,遼寧沈陽 110020)

        近年來,隨著城市軌道交通和地下綜合管廊工程的迅速發(fā)展,具有施工快速、安全、環(huán)保、自動化程度高等特點(diǎn)的盾構(gòu)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道掘進(jìn)專用工程機(jī)械設(shè)備,具有開挖切削土體、輸送渣土,拼裝隧道襯砌管片,測量導(dǎo)向糾偏等功能,用于隧道暗挖施工,利用鋼結(jié)構(gòu)盾體進(jìn)行臨時支護(hù),盾體內(nèi)裝配有主驅(qū)動裝置、推進(jìn)油缸、鉸接油缸、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、喂片機(jī)等部件,并拖拽后配套設(shè)備共同前進(jìn),在盾體的掩護(hù)下,各部件緊密配合,使隧道一次成形,實(shí)現(xiàn)了隧道快速、安全、環(huán)保施工的工廠化作業(yè)。喂片機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行管片運(yùn)輸?shù)闹饕考?,?fù)責(zé)管片自動喂送,供管片拼裝機(jī)抓取使用,決定著管片運(yùn)輸,拼裝隧道襯砌的效率,進(jìn)而決定整臺盾構(gòu)機(jī)的工作效率。

        1 喂片機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

        喂片機(jī)主要由底部架體、滑動裝置、舉升裝置、行走裝置、側(cè)翼等組成。底部架體為鋼板焊接結(jié)構(gòu),是喂片機(jī)的主體結(jié)構(gòu);滑動裝置包括滑動架、伸縮油缸等件,通過油缸的伸縮運(yùn)動實(shí)現(xiàn)滑動裝置的水平運(yùn)動;舉升裝置包括舉升梁、舉升油缸等件,通過油缸的舉升運(yùn)動實(shí)現(xiàn)舉升裝置的縱向運(yùn)動;行走裝置包含行走輪、行走輪軸、軸套等件,通過與底部架體進(jìn)行裝配實(shí)現(xiàn)喂片機(jī)在管片上的運(yùn)動;側(cè)翼為帶有滾輪的鋼結(jié)構(gòu)焊接件,通過與盾構(gòu)機(jī)連接橋相連使喂片機(jī)跟隨盾構(gòu)機(jī)主機(jī)共同運(yùn)動。

        圖1 喂片機(jī)

        2 喂片機(jī)的工作原理

        在盾構(gòu)施工中,喂片機(jī)的作用是將由管片吊機(jī)卸下的管片通過伸縮油缸的水平伸縮運(yùn)動和舉升油缸的縱向舉升運(yùn)動轉(zhuǎn)運(yùn)到管片拼裝機(jī)抓取范圍內(nèi)。

        在盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時,喂片機(jī)通過側(cè)翼與盾構(gòu)機(jī)連接橋連接,由盾構(gòu)機(jī)主機(jī)拖拽喂片機(jī)前進(jìn),在管片拼裝時,管片吊機(jī)從管片運(yùn)輸車吊起管片放置在喂片機(jī)滑動裝置尾部,然后喂片機(jī)伸縮油缸推動滑動架向前運(yùn)動,將管片前推至指定位置,舉升油缸頂起舉升梁,將管片頂起,伸縮油缸完全縮回帶動滑動架回收至初始位置,舉升油缸完全縮回,管片落回滑動架上,放置下一個管片,以此往復(fù)將用于組成隧道的管片依次運(yùn)送到管片拼裝機(jī)的抓取范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)管片快速、安全、穩(wěn)定的自動化運(yùn)輸。

        3 喂片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

        喂片機(jī)在盾構(gòu)施工中負(fù)責(zé)運(yùn)輸管片,工作負(fù)載大,使用頻率高,功能實(shí)現(xiàn)要求高,工作中極易損壞,喂片機(jī)若損壞將造成整個盾構(gòu)施工無法進(jìn)行,下面對喂片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析,以保證喂片機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

        3.1 運(yùn)動部件的驅(qū)動方式

        喂片機(jī)的主要運(yùn)動部件包含滑動架、舉升梁等,滑動架在底部架體內(nèi)進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動,舉升梁在底部架體內(nèi)進(jìn)行豎直往復(fù)運(yùn)動,將兩個方向運(yùn)動相互配合實(shí)現(xiàn)喂片機(jī)對管片的運(yùn)輸。

        針對喂片機(jī)工作負(fù)載大,使用頻率高,功能實(shí)現(xiàn)要求高的特點(diǎn),喂片機(jī)主要運(yùn)動部件均采用液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是可以輸出大的推力,實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動;方便實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,調(diào)速范圍大,且可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)速;液壓驅(qū)動裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,液壓元件之間可采用管路連接,布局、安裝具有很大的靈活性;液壓驅(qū)動能使部件的運(yùn)動十分均勻穩(wěn)定,可使運(yùn)動部件換向時無換向沖擊,反應(yīng)速度快,實(shí)現(xiàn)頻繁換向;操作簡單,調(diào)整控制方便,易于實(shí)現(xiàn)自動化;液壓系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù),使用安全、可靠;液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,便于設(shè)計(jì)、制造、維修。綜合以上液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)可以完美保證喂片機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

        3.2 主要部件的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度

        底部架體、滑動架、舉升梁作為喂片機(jī)主要承重構(gòu)件,其變形量是否滿足要求,應(yīng)力分布是否合理決定了喂片機(jī)是否能長期安全穩(wěn)定的運(yùn)行,下面基于ANSYS WORKBENCH 對各部件在不同工況條件下進(jìn)行有限元分析,確定各部件是否滿足強(qiáng)度要求。

        底部架體的工作工況主要分為喂片機(jī)承載管片(伸縮油缸與舉升油缸均不伸出)、滑動架向前喂送管片(伸縮油缸完全伸出)以及舉升梁舉升管片(舉升油缸完全伸出)三種情況。針對不同工況分別對底部架體施加邊界條件和載荷,三種情況的載荷主要區(qū)別于管片重力的施加位置,通過有限元分析得出變形量分布云圖和等效應(yīng)力分布云圖,結(jié)果顯示底部架體變形量很小,應(yīng)力分布、最大應(yīng)力位置滿足強(qiáng)度要求,可以保證喂片機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行(圖2)。

        圖2 喂片機(jī)承載管片工況下底部架體變形量與應(yīng)力分布云圖

        滑動架的工作工況主要分為喂片機(jī)承載管片(伸縮油缸與舉升油缸均不伸出)和滑動架向前喂送管片(伸縮油缸完全伸出)兩種情況,舉升梁舉升管片的情況滑動架無外部載荷無需分析。針對兩種不同工況分別對滑動架施加邊界條件和載荷,通過有限元分析得出變形量分布云圖和等效應(yīng)力分布云圖,結(jié)果顯示滑動架變形量很小,應(yīng)力分布、最大應(yīng)力位置滿足強(qiáng)度要求,可以保證喂片機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

        舉升梁的工作工況僅有舉升梁舉升管片(舉升油缸完全伸出)的情況,喂片機(jī)承載管片(伸縮油缸與舉升油缸均不伸出)和滑動架向前喂送管片(伸縮油缸完全伸出)兩種情況舉升梁均無外部載荷無需分析。針對舉升梁舉升管片的工況對舉升梁施加邊界條件和載荷,通過有限元分析得出變形量分布云圖和等效應(yīng)力分布云圖,結(jié)果顯示舉升梁變形量很小,應(yīng)力分布、最大應(yīng)力位置滿足強(qiáng)度要求,可以保證喂片機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

        3.3 滑動架與底部架體相對運(yùn)動位置的設(shè)計(jì)

        喂片機(jī)的滑動架與底部架體是喂片機(jī)相對運(yùn)動最頻繁,也是較易發(fā)生損壞的部位,所以此處的設(shè)計(jì)是喂片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn),是保證喂片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素(圖3)。

        圖3 滑動架與底部架體相對運(yùn)動位置截面圖

        喂片機(jī)的滑動架與底部架體采用油缸相連,在底部架體上與滑動架相接觸的面上選用高分子材料制成的耐磨板,減小工件磨損,增加使用壽命。耐磨板的材質(zhì)選用超高分子量聚乙烯,一種線型結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程材料,具有超強(qiáng)的耐磨性、自潤滑性,強(qiáng)度比較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化性能強(qiáng)。這種材料在喂片機(jī)上的應(yīng)用極大地簡化了底部架體內(nèi)部的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并且提高了喂片機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性?;瑒蛹芘c底部架體接觸面采用連續(xù)接觸平面,避免砂石等硬物進(jìn)入接觸面卡住滑動架,從而造成喂片機(jī)的損壞。

        喂片機(jī)向管片拼裝機(jī)喂送管片時,滑動架完全伸出,前部處于懸空狀態(tài),在管片重力的作用下,滑動架后部可能會翹起,造成油缸及架體損壞,在底部架體內(nèi)壁兩側(cè)設(shè)計(jì)限位卡板,限制滑動架后部翹起,可以避免此問題的發(fā)生。

        3.4 行走裝置的設(shè)計(jì)

        喂片機(jī)的行走裝置主要包含行走輪、行走輪軸、軸套等件,支撐喂片機(jī)在管片上向前行走,所以行走裝置的壽命是決定喂片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素(圖4)。

        圖4 行走裝置截面圖

        行走輪采用鋼制加工件外部包膠的形式,外部包膠材料具有高硬度、耐火、抗靜電、抗水解性。這種設(shè)計(jì)形式既可以增加行走輪的強(qiáng)度,又可以加強(qiáng)行走輪外部的耐磨性、抗腐蝕性,延長行走輪的壽命。

        行走輪軸是喂片機(jī)強(qiáng)度要求最大的零件,承受整個喂片機(jī)和管片的壓力,基于ANSYS WORKBENCH 進(jìn)行有限元分析,確定行走輪軸的材料選擇具有高機(jī)械性能的鍛件,并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,其特性是有高的強(qiáng)度、韌度和良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性,滿足喂片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的需求(圖5)。

        圖5 行走輪軸變形量與應(yīng)力分布云圖

        軸套采用熱固性樹脂復(fù)合材料加工而成,用精細(xì)網(wǎng)狀塑料材料增強(qiáng),并添加潤滑劑,此種材料具有非常好的耐磨性,良好的干運(yùn)行能力并能吸收振動,非常適合行走裝置的工況,完美融入行走裝置的設(shè)計(jì),簡單實(shí)用,保證喂片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

        3.5 側(cè)翼的設(shè)計(jì)

        側(cè)翼的主結(jié)構(gòu)由鋼板焊接而成,內(nèi)部裝有側(cè)翼輪,通過銷軸與喂片機(jī)主體相連,盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時,側(cè)翼與連接橋相連,帶動喂片機(jī)跟隨盾構(gòu)機(jī)主體一同前進(jìn),側(cè)翼輪在由管片拼成的隧道內(nèi)側(cè)行走,對側(cè)翼起到支撐作用,防止側(cè)翼與隧道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞,影響喂片機(jī)向前行走。

        側(cè)翼在設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)徑和連接橋喂片機(jī)座的結(jié)構(gòu)確定側(cè)翼的結(jié)構(gòu),并核算管片在喂片機(jī)上運(yùn)輸時管片與側(cè)翼的距離,確保管片在喂片機(jī)上具有足夠的運(yùn)動空間,在側(cè)翼距離隧道內(nèi)壁最近處設(shè)計(jì)側(cè)翼輪,側(cè)翼輪選用高耐磨高承載能力的材料,內(nèi)置軸承,支撐側(cè)翼在隧道內(nèi)壁上行走。

        4 結(jié)論

        總而言之,喂片機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)的重要部件,其驅(qū)動方式的選擇、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度、重要部件材料的選擇是喂片機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,決定了喂片機(jī)的工作壽命,進(jìn)而影響盾構(gòu)施工的效率。未來,喂片機(jī)的設(shè)計(jì)將向著更加智能化、更加安全環(huán)保的方向進(jìn)行發(fā)展,同時,隨著隧道工程領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,盾構(gòu)機(jī)的廣泛應(yīng)用,盾構(gòu)技術(shù)也將得到飛速地發(fā)展和提升。

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