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      土壓敞開雙模式盾構管片拼裝機設計研究

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-24 09:18:42    瀏覽次數:21    評論:0
      導讀

      盾構法以其安全、快速、高效等優點,已經成為城市軌道交通、鐵路、公路、市政基礎設施等領域隧道工程的主要施工工法。管片拼裝機作為盾構機管片拼裝的關鍵設備,其工作時間占據盾構掘進時間的一半左右,其工作效率、穩定性、安全性直接影響整個隧道掘進進度。國外廠商海瑞克、羅賓斯、日立、小松、日本川崎等公司均具備較為

      盾構法以其安全、快速、高效等優點,已經成為城市軌道交通、鐵路、公路、市政基礎設施等領域隧道工程的主要施工工法。管片拼裝機作為盾構機管片拼裝的關鍵設備,其工作時間占據盾構掘進時間的一半左右,其工作效率、穩定性、安全性直接影響整個隧道掘進進度。國外廠商海瑞克、羅賓斯、日立、小松、日本川崎等公司均具備較為成熟的拼裝機設計技術,并對管片自動拼裝技術展開研究[1-2]。國內廠商基本已經完成常規拼裝機消化吸收過程,但設計理論基礎還比較匱乏。錢曉剛對拼裝機的六自由度運動原理進行了介紹和運動學數值分析[3];朱術林利用Simulink仿真軟件對拼裝機比例閥控液壓馬達回路進行了PID控制動態特性研究,為液壓系統設計提供了理論基礎[4];郭強通過有限元分析的方法對拼裝機的主要結構進行了力學分析,獲得了應力、位移、安全系數等數據,卻沒有提出相關的設計準則[5];王南基于ADAMS對拼裝機運動過程進行了力學分析,為拼裝機研制工作提供一定參考依據[6];李文福對拼裝機回轉系統、提升系統、平移系統、管片夾取裝置和真圓保持器等結構進行了具體分析,但對于研發設計人員指導意義不大[7];葉忠以實例為基礎,闡述了拼裝機電氣控制易存在的問題與預防措施[8]。綜上所述,國內的相關研究從拼裝機的結構設計、運動分析、液壓系統、電氣控制系統等進行了全面研究,對于拼裝機設計提供了一定的理論依據。但其中對于拼裝機結構設計方面的研究相對粗淺,缺乏設計實踐經驗,理論指導作用不強。由于盾構地下施工的空間狹小,關鍵結構出現問題直接導致施工項目長期停滯。隨著盾構機向大直徑、小直徑、多模式等盾構多樣化發展,拼裝機主要結構可靠的設計方法與準則愈顯重要。

      本文以9m級土壓敞開雙模式盾構機為例,對管片拼裝機關鍵結構部件主梁結構設計、螺栓聯接以及真空吸盤抓舉系統進行深入研究,依據實際設計經驗與相關理論,提出了切實可行的設計方法和準則。

      1 項目背景

      土壓敞開雙模式盾構機是土壓平衡盾構與敞開式TBM合二為一的機型,可適應多種軟弱地層和硬巖地層,解決了單一機型適用地質受限的難題。該項目開挖直徑φ9130mm,管片規格φ8800mm/φ7900mm-1600mm,管片采用真空吸盤方式抓取,出渣方式根據地質在螺旋輸送機與中心皮帶機之間切換,如圖1所示。

      管片拼裝機采用廣泛應用且較成熟的主梁式結構,螺旋輸送機和中心皮帶機同時布置在主機內,同時穿過管片拼裝機的內部凈空。由于空間布置問題,兩者必須在拼裝機主梁合適部位設置支撐。其中,螺旋輸送機渣土滿倉時自重較大,拼裝機主梁結構一方面要承受該負載,一方面基于設備轉彎考慮,對螺旋輸送機進行擺動限位設計。相對單模式(土壓、泥水或TBM)掘進機,土壓敞開雙模式盾構對拼裝機的結構功能性、結構強度和內部凈空提出了更多的要求。

      圖1 主機布置圖

      2 拼裝機整體結構

      主梁式管片拼裝機主要由主梁、回轉架、回轉支承、移動架、真空吸盤、管路支架、工作平臺等結構部件組成,如圖2所示。

      圖2 拼裝機整體結構

      主梁結構:主梁結構主要包括左右對稱的縱向梁和為螺旋輸送機提供支撐和限位的橫梁,為主梁整體結構提供剛性支撐的V型梁??v向梁外側設計有槽型加工面,為移動架前后移動提供行走軌道。主梁結構在拼裝機系統中起到骨架支撐作用,其強度能力直接關系到施工的安全性與工期進度。

      回轉架:作為回轉動作的執行元件,與回轉支承內齒圈螺栓聯接,由馬達減速機驅動,帶動抓取管片的真空吸盤旋轉,達到±200°回轉性能。同時回轉架內腔設計為真空吸盤系統的真空儲備腔,為管片抓取提供真空支持。

      移動架:移動架作為拼裝機前后移動動作的載體,由一對移動油缸驅動,依靠滾輪結構,在主梁軌道結構內平穩行走。

      真空吸盤:目前,業內7m及以上的大盾構普遍采用真空吸盤管片抓舉型式。盡管真空吸盤設計難度、制造成本均會相對提高,但其優勢也比較明顯,一方面安全系數一般可以達到2.5以上,真空度實時監測,安全可靠且可控;另一方面操作簡便、抓取效率更高。在土壓敞開雙模盾構設計中,真空吸盤要盡可能壓縮抓舉部位厚度,為內部凈空爭取最大限度,滿足主機極限轉彎狀態下回轉動作不與螺機、皮帶機干涉。

      3 拼裝機主梁結構設計與安裝

      3.1 拼裝機主梁結構功能設計

      該項目背景下,主梁結構的設計重點主要集中在:1.對稱縱向梁間距需滿足螺機與皮帶機布置;2.設計合理結構為螺機提供強有力支撐和主機轉彎時的左右限位。

      3.1.1 主梁縱向梁設計方法

      主梁縱向梁間距L在滿足其他結構強度要求下,盡量擴大,為皮帶機與螺旋機爭取更多的橫向空間,如圖3所示。

      圖3 主梁設計尺寸鏈

      其中,R1、T為管片參數,K為真空吸盤抓取間隙;考慮加工、組裝以及上下轉彎間隙變化、抓取方便性等綜合因素,取K≥150mm;H、J為結構部件厚度,在滿足功能性要求下,結構盡量緊湊;縱向梁寬度N主要依據有限元強度分析驗證。

      3.1.2 主梁橫梁設計

      一般螺旋輸送機采用前端拉桿結構進行空間縱向支撐,轉彎時與前盾一同擺動,此時螺機尾部與主梁縱向梁相對擺動間隙較大,不適用于螺機和皮帶機同時布置下的空間要求。所以螺機采用前端球鉸,后部支撐限位的設計方案,主梁橫梁為其提供支撐限位功能。

      如圖4所示,橫梁需為螺機提供與之俯視投影平行的支撐軌道,與橫梁垂直方向夾角θ;軌道間距W寬于螺機外筒徑,與螺機的滑輪機構相匹配,與滑輪之間留有擺動間隙δ;主機設備為主動鉸接,存在鉸接油缸同伸同縮的狀態,據此設計該軌道的行程S。該橫梁結構設計滿足螺機前鉸接擺動,后支撐限位,且支持螺機整體前移后退的功能要求。

      圖4 橫梁設計

      3.2 拼裝機主梁結構有限元分析

      土壓敞開雙模盾構背景下的主梁結構需要承受更大、更復雜載荷,作為地下設備的主要承重結構件,其強度要求更高。主梁結構采用低合金結構鋼Q345B,材料性能如表1所示。依靠有限元軟件workbench對主梁結構進行受力分析,主梁所負載荷如表2所示。

      表1 Q345B物理性能

      表2 主梁負載

      圖5 有限元仿真過程與結果

      有限元仿真采用四面體單元劃分網格,網格大小50mm,選用表1中的彈性模量和泊松比,依據表2施加載荷獲得圖5c和圖5d所示等效應力和變形位移云圖。

      3.2.1 主梁負載等效應力設計規范

      主梁結構依靠前端底板,通過螺栓固定,整體可簡化為懸臂梁結構。目前盾構行業沒有推出梁類結構應力的設計準則,該結構與起重機械梁型結構相似,應力狀態主要為彎曲拉應力,可參照起重機行業對梁類結構強度校核的相關規范[10]取Q345材質端梁的安全系數(nsp=2.4),對主梁結構負載應力狀態進行校核,許用應力

      圖5c顯示主梁最大應力為161.7MPa,為集中應力點,由于主梁所負載荷為低速非循環載荷,載荷簡化為靜載,又Q345B屬于塑性材料,可以忽略集中應力對整體強度的影響;主梁其他區域最大等效應力為σmax=73.5MPa<σp=115MPa,滿足上述強度要求。

      3.2.2 主梁負載變形位移設計規范

      主梁屬懸臂梁結構,其變形量直接影響管片拼裝時的穩定性與精度控制,同時影響著相關聯結構部件的平穩性。拼裝機主梁的變形位移量目前行業內沒有出臺相關的規范,設計研發處于無據可依狀態?!镀鹬貦C設計規范》(GB/T3811-2008)對繁忙使用狀態下的起重梁撓度f與起重機跨度L的關系做出的指導如式(4)所示。管片拼裝機的主梁工況與上述起重梁相似,故可以此作為拼裝機主梁變形的設計規范。

      式中 L——主梁長度,取L=6230mm。

      圖5d顯示主梁最大變形位移量f=5.26mm<6.23mm,滿足上述變形規范。

      3.3 拼裝機主梁安裝螺栓校驗

      拼裝機自重以及外載荷最終將由主梁底板的螺栓組承受,螺栓排布如圖6所示,采用M36粗牙A級六角頭螺栓,性能10.9級,預緊力340kN(約為0.5倍螺栓屈服強度),共116顆,關于中心對稱。

      圖6 主梁聯接螺栓排布

      螺栓組承受綜合彎矩M和拖拉力F(如圖7所示),此時螺栓組主要承受工作拉力,需滿足螺栓拉應力強度校驗。許用拉應力

      式中,螺栓屈服強度σs=900MPa,安全系數S=1.2。

      圖7 主梁綜合負載

      螺栓組距離中心最遠的螺栓承受的彎矩拉力F最大

      最大工作拉力

      螺栓危險截面的拉應力

      式中,AS為螺栓危險截面積。

      綜上所述,螺栓組滿足強度要求。

      4 真空吸盤系統設計

      4.1 真空吸盤系統原理

      真空吸盤的控制原理如圖8所示,真空吸盤具有與管片內弧面相匹配的曲面真空腔(如圖2所示),與管片內弧面貼合后,電磁閥失電接通,面腔與真空存儲腔C3(回轉架內腔)連通,兩腔內空氣混合,數秒時間后面腔真空度達到80%,此時系統才允許進行后續動作。面腔分為3個部分,面腔C2+C1+C2組合用于抓取管片普通塊,面腔C1用于抓取管片楔形K塊。根據相關標準[11]要求,面腔真空度80%時,管片的抓取安全系數大于2.5,如式(9)所示,由公式可知面腔吸附面積SC越大,安全系數n越大。

      圖8 真空吸盤系統原理

      式中 SC——面腔吸附面積;

      P——大氣壓;

      G——管片質量。真空儲備腔C3(回轉架內腔)越大,為真空系統提供的真空支持越大,但也存在抓取不當,真空泄露后真空補充時間較長的問題,影響管片拼裝進度。所以一般情況下,要求面腔密封條與管片內壁存在一定擠壓量后,才允許真空系統接通實施抓取,防止真空過多泄露。

      4.2 結構設計

      4.2.1 密封條排布

      在抓取過程中,面腔由真空吸盤外弧面與管片內弧以及密封條組成,密封條的排布情況直接影響到吸附面積SC的大小,即影響吸附安全系數。所以密封條排布在避讓管片手孔、標識的同時,盡可能圍繞組成更大的吸附面積,提高管片抓取的安全性。密封條排布如圖9所示。

      圖9 密封條設計示意圖

      由于密封條的布置不可避免地設計為多邊形狀,在密封條拐彎處盡可能設計為鈍角轉彎,否則轉彎處密封條擠壓易出現泄露風險。

      4.2.2 結構設計要點

      土壓敞開雙模盾構要求真空吸盤結構保證功能完善前提下,主體厚度H盡量縮短(如圖10所示),獲得更大的回轉內凈空R2。由于K塊拼裝的特殊性,必須為K塊吸盤設計獨立的伸縮結構,伸縮結構需要足夠的行程S1,便于相鄰管片螺栓的安裝。而伸縮行程S1直接制約主體厚度H,該項目中,根據經驗設計S1=180mm。對于更大規格的管片拼裝機,該值應適當增大。

      圖10 K塊吸盤伸縮設計

      5 結論

      土壓敞開雙模式盾構管片拼裝機的設計研究是對管片拼裝機設計理論的完善和補充,為拼裝機研發提供了設計方法和相關規范。

      (1)為滿足主機轉彎要求,設計出了螺旋輸送機的支撐限位結構。

      (2)主梁負載大且復雜,通過有限元分析對主梁負載應力、變形進行了分析,并提出了相應設計規范。

      (3)將主梁負載綜合簡化,對主梁聯接螺栓進行了強度校驗。

      (4)通過對真空吸盤系統的分析,提出了增大安全系數和增大回轉內凈空的方法。

      [參考文獻]

      [1] Koyama Y. Present status and technology of shield tunneling method in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2003,8(2):145-159.

      [2] Tanaka Y. Automatic segment assembly robot for shield tunneling machine[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 1995,10(5):325-337.

      [3] 錢曉剛,高峰,郭為忠. 六自由度盾構管片拼裝機機構設計[J]. 機械設計與研究,2008,24(1):17-20.

      [4] 朱術林,康學超. 管片拼裝機比例閥控液壓馬達系統特性研究[J]. 機床與液壓,2016,44(20):86-90.

      [5] 郭強,肖堯,顧建江等. 管片拼裝機力學性能分析[J]. 系統仿真技術,2012,08(2):158-164.

      [6] 王南,張俊,盧軍廣等. 基于ADAMS的管片拼裝機運動學與動力學分析[J]. 機床與液壓,2013(7):186-188.

      [7] 李文福. 盾構管片拼裝機的結構分析[J]. 山西建筑,2010,36(5):337-339.

      [8] 葉忠. 盾構管片拼裝機原理及故障診斷與預防[J]. 隧道建設,2010,30(4):486-491.

      [9] 聞邦椿. 機械設計手冊:第五版[M]. 北京:機械工程出版社,2010,第6卷,40(5):40-55.

      [10]GB/T3811-2008. 起重機設計規范[S].

      [11] GB/T 34650-2017. 全斷面隧道掘進機 盾構機安全要求[S].


       
      (文/小編)
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