两臂一篮式钢拱架安装机研究及有限元分析

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(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着我国基础设施建设迅速发展，隧道施工越来越多，软围岩施工也随之增加，在软围岩施工中通常会进行钢拱架支护来提高软围岩的稳定性，以防止坍塌。钢拱架有钢拱和格栅拱两种，钢拱一般采用工字钢弯制而成，格栅拱采用工程用钢筋拼接焊接而成，配合锚杆、钢筋网和混凝土喷射进行联合支护。目前国内一般采用人工安装为主，简易机械为辅，施工中不仅强度大、效率低，而且危险性大、安装质量低[1-2]。采用国外的安装机，不仅价格昂贵而且不适用于我国作业环境和施工要求。因此急需研发一种适用于我国隧道施工的新型拱架安装机，配合其隧道机械施工，对实现我国隧道机械化配套作业具有重要意义[3]。

1 国内外拱装机研制发展、现状

1.1 国外研制、发展现状

国外隧道施工技术发展较早，机械化自动化程度较高，各作业设备较为齐全，钢拱架安装机在软围岩支护过程中广泛使用。国外钢拱架安装机产品形式丰富，生产拱架安装设备的厂家较多，主要有芬兰Normet、日本古河以及日本爱知等[4]。其中日本爱知公司生产的HYL5073JGKA 型高空作业平台车、芬兰Normet公司的UTILIFT2000四臂钢拱架安装机(图1)和日本古河机械金属株式会社的支护架设和混凝土喷浆组合机MCH1220Z (图2)最为典型[5]。

图1 UTILIFT2000 图2 MCH1220Z

1.2 国内研制、发展现状

国内隧道施工技术远远落后于其他发达国家，对拱架安装的设备还在研究之中。钢拱架支护一般由人工进行(图3)，人工安装劳动强度大、安全系数低、危险性高。

国内最具代表性的钢拱架安装机是由中铁隧道集团专用设备中心设计开发的，该设备以神钢SK200型液压挖掘机为平台，在其小臂上安装翻转夹持机构，在回转台上安装吊篮机构实现。其次，最为典型的属洛阳聚科特种工程机械有限公司生产的J0C0-01钢拱架安装机(图4)，采用液压挖掘机为底盘，工作装置为小臂，把小臂末端改装成一个可实现六个自由度的夹紧装置，此外在回转平台上加装了吊篮机构，以辅助安装。

图3 人工安装 图4 J0C0-01钢拱架安装机

通过对比国外钢拱架安装设备可以看出来，我国钢拱架安装设备的研发和应用与国外还有较大的差距。在作业范围和作业多功能化方面与国外专用设备有着较大的差距，因此研发一种适用于我国的拱架运输及安装的专用机械十分必要[6]。

2 两臂一篮式钢拱架安装机整机结构与工作原理

两臂一篮式钢拱架安装机主要由底盘、工作平台、工作装置、吊篮系统、液压系统、电控系统六大部分组成。工作装置和吊篮系统安装于工作平台上，具体结构如图5。

图5 安装机主要组成部分

两臂一篮式钢拱架安装机能够实现拱架的运输以及安装等功能，图6中底座1安装在工作平台上能够使整个工作装置实现左右摆动，进而调整整个工作装置的位置；动臂2支撑斗杆以及加持机构；斗杆调节油缸3能够上下调节斗杆以及加持机构；斗杆4支撑整个夹持机构以及钢拱架；夹持油缸5能够实现加持机构的左右微调；回转机构6能够实现夹持器360°旋转；夹持油缸8实现钢拱架的夹持；夹持机构油缸10实现加持机构的上下微调；动臂油缸11支撑整个工作装置的上下摆动；整个工作装置的动作由7部分组成，分别包括：动臂俯仰、动臂偏摆、斗杆俯仰、加持机构俯仰、夹持器偏摆、夹持器旋转；七个动作联合运动以实现钢拱架的安装，前端微调机构能够精确的调整钢拱架位置，使钢拱架的安装更加快捷、方便、高效等。主要技术参数见表1。

图6 工作装置主要组成部分

表1 主要技术参数

3 关键零部件力学性能分析

夹持机构是整个工作装置的核心部位，有3个自由度，在钢拱架安装过程中对钢拱架进行夹持、微调等作用，是钢拱架安装质量的重要保障。动臂是整个工作装置的重要部分，支撑斗杆、加持机构以及钢拱架，是钢拱架安装的前提。此两个部件一旦出现问题，将导致钢拱架无法安装，所以有必要针对以上两个机构进行强度校核，保证钢拱架安全、高效、高质量安装[7-8]。

3.1 夹持机构应力应变分析

1)材料属性：牌号Q295A，材料屈服点σs因板厚不同而屈服极限值也不同，夹持装置最大板厚为固定板圆孔连接处25 mm，故统一最小屈服极限值275 MPa；

2)边界条件：固定连接圆孔部分，即与斗杆连接的圆孔部分；

3)施加载荷：取最大受力状态分析，即夹头处于水平抓取状态。该状态下整个夹持装置受力情况为：夹头处受工字钢重力为F1，工字钢抓取偏置对夹头部分产生转矩T2，夹头摆动油缸对夹头有一对作用力与反作用力F5。夹持油缸对夹头上下板产生一对作用力与反作用力F4；

4)夹持装置具体相关参数为：一般工字钢重量：300～600 kg，设计时按600 kg算；工字钢总长8 m，夹持位置为中间位置偏右3 m处。夹头摆动油缸与夹持油缸缸径腔面积均为28.27 mm，工作压力300 bar；

F1=6000 N，垂直作用于抓头下板处；

T2=1800 N/m，方向为逆时针方向；

F3×300×10=84810 N=F4，作用力方向沿液压缸轴向方向。

5)把模型导入hyperworks中，施加相应载荷，分析结果如图7。

图7 夹头应力应变分布图

结论：由图7可知在夹头张角部位和轴销孔连接处存在应力集中现象，最大应力值为19.92 MPa；

校核结果：最大应力值19.92 MPa小于所选低合金高强度钢Q295A的最小屈服极限值275 MPa。

即σ(19.92 MPa)≤σs(275 MPa)，满足强度要求。

3.2 工作装置动臂应力应变分析

图8 动臂三维模型图

动臂三维模型图如图8。

1)材料属性：选用牌号Q295B的低合金高强度结构钢，动臂最大板厚为底板30 mm，故统一最小屈服极限值275 MPa；

2)边界条件：固定下方连接底盘的旋转轴心处；

3)施加载荷：大臂受力情况为，动臂油缸对它的支持推力F1，斗杆油缸对它的反推力F2以及前端斗杆，夹持装置等对其前端两耳的压力F3；

4)具体机构参数：前端斗杆以上部分重量：751 kg，工字钢重400 kg，动臂油缸缸径腔面积95.03 mm2，油缸工作压力300bar，斗杆油缸缸径腔面积95.03 mm2，油缸工作压力300bar。

计算得：

F1=285090 N，与上文工作臂底盘下耳受力为作用力与反作用力，上文力大小为167143 N，有167143 N<285090 N，满足强度要求，则F1=167143 N。

F2=57019 N<285 090 N，满足强度要求。则F2=57 019 N；

方向：F1与水平方向夹角28.1003°，F2与水平方向夹角4.277°；

F3=59283 N，均布与两侧耳上。方向与水平夹角36.524°。

5)应力应变分析结果

单纯考虑两油缸作用于整个大臂时的情况，考虑极端情况下大臂的受力情况，特别考虑上下两耳及周边的应力情况。即约束大臂两端，加载力F1，F2至上下两耳，F1=F2=285090 N，方向不变。

结论：由图9可知在上下耳板与动臂连接处存在应力集中现象，最大应力值为59.04 MPa。

图9 动臂应力分布图

校核结果：最大应力值59.04 MPa小于所选低合金高强度钢Q295B的最小屈服极限值275 MPa，即σ≤σs，满足强度要求。

4 结论

本文主要介绍了两臂一篮新型钢拱架安装机整机结构，对其工作原理进行了简单阐述，此外还对工作装置的关键零部件进行了应力应变分析，并且都满足强度要求。

新型拱架安装机在隧道钢拱架支护过程中能够解决人工安装强度大、效率低、危险性高、 安装质量低等问题，实现钢拱架安装机械化作业，是隧道机械化配套施工的发展趋势，对我国隧道建设有着重要意义。

[1] 康宝生.一种新型隧道施工用拱架安装机[J].隧道建设，2011，31 (5)：624-628.

[2] 李艳.钢拱架安装台车的设计与研究[D].洛阳：河南科技大学，2011.

[3] 董志斌.新型钢拱架安装机工作装置的设计与仿真分析[J].筑路机械与施工机械化，2013，30(6)：96-98.

[4] REILLY John，ARRIGONI Gianni，XU Shulin，et al.TBM 及其在中国的应用[J].现代隧道技术，2002，39( 1) ：1-5.

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

[6] 蒲青松，罗克龙.隧道拱架安装车的技术研究[J].建筑机械化，2012，33(7)：51-53.

[7] 詹晨菲.钢拱架安装机械手臂设计及运动控制研究[D].洛阳：河南科技大学，2013.

[8] 胡元.高空作业车工作平台调平机构[J].工程机械.2006，37(12)：34-36.