中空轴式管片拼装机平移梁机构的安全性评估

陈鼎

上海隧道工程有限公司机械制造分公司 设计技术科 上海 200137

1.引言

管片拼装机是盾构机的重要组成部分。盾构机在实际掘进过程中，必须在掘进完成后，立即使用预制好的钢筋混凝土管片进行隧道衬砌，以防止地下水土的渗透和地表的沉降，对已经开挖好的隧道进行有效支护。管片拼装机的主要功能就是将每一块预制好的钢筋混凝土管片按照预定的拼装位置和拼装顺序进行平稳、快速、准确地拼装，形成衬砌环，最终达到支护隧道开挖面的作用。管片拼装机的性能好坏将直接影响到预制管片拼装的质量，因此提高管片拼装机的性能对提高整机性能和施工质量都有积极的意义。

管片拼装机必须根据盾构机的组成形式和直径大小、渣土处理方法、工作循环等因素来进行设计，以保证能够准确、高效地对管片进行拼装。为了实现这一功能，管片拼装机需要满足两个方面的要求：一是在抓取拼装管片后，能够实现管片的全自由度运动，即管片拼装机应该具有抓取装置、伸缩机构、平移机构、回转机构和微调机构；二是应该能够满足拼装过程中的动力要求，即在抓取管片后要能够安全、高效地完成各个动作。

在目前常见的中空轴式管片拼装机中，管片拼装机的整体载荷是通过管片拼装机的平移滚轮施加在两根平移梁上，因此该平移梁既要承重又要作为管片拼装机纵向移动的导轨。针对这两根平移梁在拼装机使用过程中的重要性，本文提出该结构受力的安全性评估方法，以便在设计的过程中给出该机构的优化方案，从而提高该机构的可靠性和安全性。

2.管片拼装机结构及工作过程

本文所讨论中空轴式管片拼装机，主要的关键部件为：1-平移梁；2-提升油缸；3-旋转环；4-固定环；5-液压马达；6-平移油缸；7-抓举装置。整个管片拼装机的工作顺序如下：由平移油缸推动固定环、旋转环和抓举装置沿平移梁移动至平移梁末端的抓取位置，提升油缸带动抓举装置伸出，对已经运输到位的管片进行抓取并将其提升；平移油缸回缩至衬砌环预定的拼装位置，由液压马达带动旋转环和抓举装置进行圆周方向的旋转，在管片到达预定的拼装位置时，提升油缸伸出并配合抓举装置将管片安装到位，缩回提升油缸并将抓举装置回转至抓取管片的位置，依次重复预制管片的拼装动作，直至完成整环管片的拼装。

管片拼装机的整套系统由液压提供动力，驱动液压马达及油缸进行预制管片的拼装动作。

3 平移梁机构的结构及受力状态

管片拼装机的两根平移梁机构安装在支撑环的H形支架上，不仅要支撑整个拼装机的盘体，还要作为管片拼装机的平移轨道。管片拼装机的平移油缸使整个拼装机通过滚轮沿着平移梁前后移动，使拼装机能够移动到管片储运区域和插入封顶块。

凹凸连接板：凹面连接板和凸面连接板之间通过螺栓铰接装配，需要在加工时对两面连接板需要铰接和焊接的贴合面采用精加工保证两个面之间的贴合度，并配作螺纹孔。凹面连接板的另一侧则与盾构的H形支架焊接，在受力分析中作为固定面的约束来对整个平移梁的加载情况进行结构强度的计算。

平移梁结构件：平移梁结构件为平移梁的主要受力部件，主要由左右对称的两根主梁组成。两根主梁之间由连接梁进行连接，其长度根据管片拼装机的平移行程以及盾构机内部空间确定。在两根主梁的两侧分别设计滚轮的轨道，使管片拼装机整体在平移油缸的作用下进行沿隧道轴向方向的纵向平移动作。

1）管片拼装机沿平移梁移动的工作状态；在这个状态下，管片拼装机不会做旋转拼装的动作，因此，平移梁机构受到的载荷与整个管片拼装机的重量和管片的重量有关；

2）管片拼装机旋转的工作状态；在这个状态下，平移油缸缩回至衬砌环预拼装位置，由液压马达调整旋转环至管片预拼装位置，提升油缸伸出并配合抓举装置将管片安装到位。此时，平移梁受到的载荷与整个管片拼装机产生的扭矩及管片之间接缝的密封压力有关；

平移梁机构中的主梁作为整个管片拼装机的承载梁，在设计上采用了箱型结构。为了保证管片拼装机在整个平移的运动过程中更加的平稳，两侧均安装有两只滚轮在主梁的滚轮轨道中运动。

管片拼装机产生的载荷将通过两侧的四只滚轮传到平移梁机构上。滚轮和平移梁之间的接触在受到载荷前都是点接触或线接触，而在承受载荷之后，滚轮和平移梁的材料都发生弹性形变，之前的点接触或线接触终将转变成为了面接触。将平移梁视为直径无穷大的圆柱体，则接触面的宽度可以通过赫兹公式（如图5所示）进行计算：

图5 赫兹公式计算模型

3.管片拼装平移梁机构的安全性评估

为了保证设计的可靠性，利用SolidWords软件建立管片拼装机的三维模型，并根据之前的受力状态模拟各工作状态下管片拼装机平移梁机构的受力情况，对平移梁机构进行安全性评估。

针对软件的有限元分析计算，随着网格不断的细化，计算值和之前赫兹公式计算的数值趋近于相等。因此，可以使用赫兹公式中计算出的接触面半宽作为平移梁主梁的受力面对平移梁机构进行安全性评估。

利用SolidWords软件内部集成的COSMOSWorks有限元分析子程序，以管片拼装机受载荷为外部激励条件，简化平移梁模型结构，并忽略圆角、切槽、焊缝等设计细节，然后建立计算模型，划分网格，添加载荷约束，最后分别在两种工作状态下对平移梁进行结构强度的有限元分析计算。

1）管片拼装机沿平移梁机构移动的工作状态

管片拼装机的平移梁机构是通过其凹凸面悬臂固定，当平移油缸伸出至极限值时，平移梁机构受到的载荷对平移梁机构的固定端产生的力矩最大。因此，将平移梁机构凹面与H形支架焊接的部分作为平移梁机构的固定面，将力矩最大处的载荷作为远程载荷加载在滚轮和平移梁主梁的接触面上。

2）管片拼装机旋转的工作状态

管片拼装机在拼装衬砌环时，沿隧道轴向方向的位置为衬砌环即将拼装的环形区域。在管片拼装机进行旋转的状态下，平移梁机构将受到管片拼装机产生的扭矩与管片之间密封压力所产生的扭矩之和。将预制管片伸出至预拼装位置时，平移梁机构受到的载荷对平移梁机构产生的力矩最大。此时，将平移梁机构凹面与H形支架焊接的部分作为平移梁机构的固定面，将最大扭矩作为载荷加载在滚轮和平移梁主梁的接触面上。

4.结论

根据市场需要，现设计一台直径为14m的盾构机，该盾构机采用中空轴式拼装机。针对该拼装机平移梁的设计，按照之前的方法进行安全性评估。

在新设计的拼装机中，两根平移梁中各安装直径为800mm的滚动轴承，根据赫兹公式和Analysis软件对该平移梁两侧的滚轮进行计算，计算出其接触面积宽度约为60mmx150mm，将平移梁两侧的接触面积设定为受力区域，再根据拼装机的总负载和拼装机抓取管片之后所产生的扭矩作为计算的边界条件，根据上文的方法对该平移梁进行有限元分析，得出结果：1）管片拼装机沿平移梁移动工作状态下的最大应力153.7MPa，小于平移梁材料的屈服强度，满足设计和使用要求；2）管片拼装机旋转工作状态下的最大应力164MPa，小于平移梁材料的屈服强度，满足设计和使用要求。

管片拼装机作为盾构机的一个重要部件，可持续的稳定工作具有重要的意义。平移梁机构作为管片拼装机的重要受力部件，其可靠性和安全性尤为突出。合理的评估管片拼装机平移梁机构的安全性，是管片拼装机设计的基本前提。实践表明，管片拼装机能否达到施工要求和保证施工安全，关键在于管片拼装机平移梁的可靠性和合理性设计，本文针对平移梁的受力进行了分析，并且建立了一种针对平移梁机构安全性评估的方法，提高了平移梁设计的安全性和可靠性，为管片拼装机设计节约更多的时间。