管片車結構優化技術

焦　爽

（中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南　新鄉　453000）

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管片車結構優化技術

焦爽

（中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南新鄉453000）

摘要：管片車是盾構法施工中不可缺少的設備之一，主要負責運輸混凝土管片。為適應國內市場管片車低廉的價格競爭，簡化管片車生產工藝，優化管片車結構，減少鋼材成本十分重要。基于此，主要借助仿真軟件Solidworks Simulation對管片車結構進行優化設計，從而指導生產，提高利潤。

關鍵詞：管片車；結構優化；Solidworks Simulation；仿真分析

地鐵隧道、通信及地下電纜的日益建設，盾構也在國內得到全速發展，盾構法施工相應的后配套設備也隨之發展，管片車作為隧道施工后配套設備的一種，迫于國內市場低廉價格的壓力，為保證銷售利潤保持不變甚至略有提高，管片車的結構優化就顯得特別重要。此優化主要改進管片車車體結構，以減少管片車制作成本為目的，通過優化管片車車體結構，減少其所耗鋼材重量，改善其制作工藝，從而降低制作工時，從材料成本與人工成本兩方面節約成本［1］。優化前車體三維模型優化后車體三維模型見圖1。將管片車中部異形板和面板拼接結構更改為型鋼結構，簡化拼接工藝，減小焊接時間，節約材料，利于生產。

1　15T管片車優化后長度方向受力分析計算

本文以15T管片車為主題進行優化設計。15T管片車參數如表1所示。

15T管片車軸距為2 600mm，輪軸與橡膠墊的距離為280 mm，如圖2所示。15T管片車主要承載管片的重量，按15T管片重量計算，對管片車車體進行受力分析，作用于橡膠墊處兩作用力分別為F，在力作用下，車體主要承受彎曲應力。

表1　管片車參數

圖1　優化前車體三維模型優化后車體三維模型

圖2　管片車長度

將管片車車體簡化為簡支梁，兩輪軸處為固定支點，橡膠墊處為受力點，如圖3所示。

圖3　管片梁受力

圖4　車體所受彎矩

根據圖示計算如下：根據載重為15T計算

此管片車軸距方向為變截面，此處選取A-A、B-B、C-C 3個截面進行計算，這3個截面分別代表軸距方向各段截面（即0-280；280；280-2320段）的簡化截面，A-A即HW200X200型鋼抗彎截面模數，由GB/T 11263-2005查得單根HW200X200型鋼抗彎截面模Wx=472cm3。

B-B與C-C如圖5所示，利用caxa軟件求得兩截面抗彎截面系數分別為3 838cm3與1 817cm3，此處計算時忽略管片車結構因焊接后空間三維所造成的各截面中性面與計算所取中性面的差異，故簡化計算存在一定誤差。

圖5　B-B與C-C截面

最大彎曲應力：

拉伸應力：

從結構上簡單分析可知，彎曲應力產生的應力方向為正，拉伸應力產生的應力方向、載荷彎矩產生的應力分布為：F—15T管片對橡膠墊力；F1—F垂直于地面的分力；F2—F平行于地面的分力；Mmax—載重15T時車體所受最大彎矩，即車體兩橡膠墊之間；σmax—載重15T時車體所受最大彎曲應力，即車體HW型鋼段；σF—載重15T時車體所受拉伸應力；Wmin—各變截面最小截面抗彎模數［2］。

由以上分析可知，取2根HW200X200型鋼抗彎截面模數Wmin=944cm3，Smin—車體軸距方向各變截面最小截面面積，即HW200X200型鋼截面面積，由GB/T 11263-2005查得HW200X200型鋼截面面積為S=63.63cm2；σS—Q235的屈服應力，由GB/T700-2006查得材料Q235的屈服強度為235MPa，即σS=235MPa；[σ]—Q235的許用應力，由可知，當n取2時，[σ]=235/2=117.5MPa。其n中，n為安全系數，當材料為塑性材料時，n=1.5～2.5，此處n取2。

2　15T管片車優化后輪軸方向受力分析計算

簡化為簡支梁，兩軸承座為固定支撐點，橡膠墊理論上受均布力，但此處計算按受力最大情況進行計算，即受中間集中載荷，按此便可將輪軸方向結構簡化為如圖6所示。其中，支點為兩軸承座中心，F作用于橡膠墊中點處。

圖6　輪軸方向結構簡化圖

圖7　車體所受彎矩

優化后車體主要承力結構如圖8所示，根據caxa軟件計算，此結構抗彎截面系數Wx=96.8×104mm3。

圖8　車體主要承力結構

故兩支點間最大彎矩：

此結構所受最大彎曲應力為：

3　管片車行駛中受力分析

管片車行駛時拉伸應力：

其中，F拉為行駛時管片車所受拉力；G管片車為行駛時的自重，即2 129kg；G管片為行駛時管片重量，即15T；μ為許用粘著系數（交流機車為0.20～0.33，取0.26）。由簡化計算可知，15T管片車車體能夠承受15T載重產生的彎曲應力，亦能夠承受行駛時的拉伸力，管片車結構優化可行［3］。

4　Solidworks Simulation對車體結構進行仿真分析

為更清楚管片車在均布受力的應力情況，以下利用Solidworks Simulation對車體結構進行仿真分析，仿真結果見表2～8和圖9～14。

4.1模型信息

車體結構的算例屬性、單位、材料屬性等信息分別見表2、3、4和表5。

表2　算例屬性

表3　單位

表4　材料屬性

表5　模型的具體屬性

4.2載荷和約束

約束和載荷情況分別見表6、7和圖9。

表6　車體的約束

4.3網格信息

網格信息見圖10和表8。

圖9　載荷和約束圖

4.4算例結果

算理結果見圖11～14。

表8　算例2網格信息表

圖10　算例2網格信息圖

圖11　新型管片車體-算例2-應力

圖13　新型管片車體-算例2-應變

圖14　新型管片車體-算例2-安全系數

由以上仿真結果可以看出：所受最大應力為1.670 9e+ 007N/m2，即16.7Mpa；最大變形量為0.069mm，最大應變為7.031e-005，最小安全系數為13.2。仿真最大應力與簡化應力不同原因在于將車體簡化為簡支梁計算時，車體結構與受力均作簡化，在一定程度上將結構簡化，將力作集中力，故簡化計算時所求應力大于仿真分析應力。但兩者結論一致，優化后強度和剛度滿足設計使用要求，優化方案可行。

5　工業實際應用

實際應用過程中，鑒于國內項目常將管片車作為材料車使用，故在優化后的管片車結構基礎上，在中部型鋼結構處增加扁豆花紋板，作為材料存放處。優化后的管片結構在中鐵一局、電氣化局等多個項目上使用。（如圖15）

圖15　管片車的使用

6　結語

通過力學分析可以看出，優化后管片車強度、剛度均滿足使用要求，并有一定安全系數。優化后的管片車減少耗用鋼材重量，改善其制作工藝，從而降低制作費用，從材料成本與人工成本兩方面節約成本，利于車間的加工制作。

參考文獻：

［1］王喬能.Solidworks simulation結構有限元分析的應用淺析［C］.全國機械裝備先進制造技術（廣州）高峰論壇，第十一屆粵港機械與電子工程技術應用研討會［A］，2010.

［2］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］喻和春.地鐵盾構施工后蓄電池礦用機車選型與車輛編組［J］.山西建筑，2009，35（28）：340-341.

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0076-04

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：焦爽（1987-），女，本科，助理工程師，研究方向：盾構掘進機及隧道專用設備。

The Car Segment Structure Optimization Technology

Jiao Shuang
（China Railway Tunnel Engineering Equipment Group Equipment Manufacturing Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract:Segment car is one of indispensable equipment in shield construction,it is mainly used to transport con?crete segment.In order to adapt to low price competition in the domestic market,it is very important to optimize seg?ment car production process and structure and reduce the cost of steel.Based on this,this paper was optimized the structure of segment with the aid of simulation software,in order to guide the production and increase profits.

Keywords:car segment；structure optimization；solidworks Simulation；simulation analysis