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

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(dòng)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(cè)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(shí)支護(hù)，盾體內(nèi)裝配有主驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)裝置包括滑動(dòng)架、伸縮油缸等件，通過油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)裝置的水平運(yùn)動(dòng)；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(dòng)實(shí)現(xiàn)舉升裝置的縱向運(yùn)動(dòng)；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(dòng)；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(dòng)。

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(dòng)和舉升油缸的縱向舉升運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(dòng)裝置尾部，然后喂片機(jī)伸縮油缸推動(dòng)滑動(dòng)架向前運(yùn)動(dòng)，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(dòng)滑動(dòng)架回收至初始位置，舉升油缸完全縮回，管片落回滑動(dòng)架上，放置下一個(gè)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(dòng)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(gè)盾構(gòu)施工無法進(jìn)行，下面對(duì)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(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)方式

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

針對(duì)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(dòng)部件均采用液壓驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)；方便實(shí)現(xiàn)無級(jí)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(dòng)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(dòng)能使部件的運(yùn)動(dòng)十分均勻穩(wěn)定，可使運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)無換向沖擊，反應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)頻繁換向；操作簡(jiǎn)單，調(diào)整控制方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行，下面基于ANSYS WORKBENCH 對(duì)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(dòng)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(duì)不同工況分別對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)架無外部載荷無需分析。針對(duì)兩種不同工況分別對(duì)滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)舉升梁舉升管片的工況對(duì)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(dòng)架與底部架體相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置的設(shè)計(jì)

喂片機(jī)的滑動(dòng)架與底部架體是喂片機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)架與底部架體相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置截面圖

喂片機(jī)的滑動(dòng)架與底部架體采用油缸相連，在底部架體上與滑動(dòng)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(rùn)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(jiǎn)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?dòng)架與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(dòng)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(shí)，滑動(dòng)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(dòng)架后部可能會(huì)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(dòng)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(zhǎng)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(gè)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(rùn)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(dòng)，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(jiǎn)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(shí)，側(cè)翼與連接橋相連，帶動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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。