智能濕噴臺車臂架結構設計及計算

張曉晴，趙振威，董 恰

（1.中鐵工程裝備集團 隧道設備制造有限公司，河南 新鄉 453000；2.中鐵高新工業股份有限公司，北京 100160）

0 引言

混凝土濕噴臺車是一種將預拌好的混凝土經管道輸送至噴嘴，在噴嘴處由混流有速凝劑的高壓空氣吹出，經快速凝結形成混凝土支護層的工程機械［1］。目前，隧道初支濕噴技術已全面被施工方接受并推廣，國內濕噴臺車在引進發達國家濕噴技術的基礎上，經近些年的迅速發展，已形成了較為成熟的產品。

隨著“德國工業4.0”和“中國制造2025”的出臺，智能化、信息化已明確成為未來的發展方向，國內外一些實力雄厚的濕噴企業也把創新的重點逐步轉移到智能化、信息化技術上來，智能濕噴臺車的應用和推廣成為發展的必然趨勢。

1 智能濕噴臺車臂架結構分析

智能化濕噴臺車在常規濕噴臺車功能的基礎上，需增加隧道輪廓的掃描及檢測、自動定位、濕噴臂架運動軌跡規劃及控制、噴射信息的處理及傳輸、噴射數據和姿態的反饋及優化等功能。這些功能要求智能臂架關節處能加裝傳感器，完成臂架動作的控制和檢測，因此智能臂架系統是智能濕噴臺車的關鍵組成部分。

常規濕噴臺車臂架結構如圖1所示，系統包括上支座、大臂系統、中臂系統、小臂系統和噴頭五個部分，具有大臂回轉、俯仰和伸縮，中臂俯仰，小臂回轉和伸縮，噴嘴旋轉、擺動和刷動共九個動作。臺車的最大作業高度是17m，最大作業寬度是30m，最大作業深度是8m，滿足單洞雙線等大型高鐵隧道及部分水工隧道的作業要求。

目前，常規濕噴臺車臂架已經經過長期使用，性能穩定，但并不適用在智能濕噴臺車上，主要體現在以下兩個方面：

（1）大臂伸縮臂。大臂內外臂截面均為五邊形，如圖2所示，由上下兩部分拼焊而成，加工難度大，焊接后的平面度不好保證，內外套間滑塊調整量小，使得外臂和內臂之間的間隙較大。進行噴射作業時，臂架受到噴射反力的作用，會導致臂架晃動，若用于智能濕噴臺車臂架中，會導致臂架傳感器測量數據誤差大，并且不利于對噴嘴的準確定位。

圖1 常規濕噴臺車臂架結構

圖2 大臂伸縮臂五邊形截面

（2）小臂回轉結構。常規濕噴臺車采用直線油缸驅動，小臂的回轉角度為240°（正向40°，負向180°），由于角度的不對稱，結構中采用了四連桿機構［2］，如圖3所示。由于結構過于復雜并難以保證強度，實際中此處出現過多次焊縫開裂問題。并且若在小臂回轉銷軸上安裝編碼器，運動過程中會導致結構干涉，無法控制和檢測小臂回轉角度。

2 智能臺車臂架結構設計

智能臺車臂架系統設計時既要保證覆蓋范圍不減小，又要保證實現臂架動作的精確測量和控制。針對上面兩點對臂架結構進行設計。

2.1 小臂回轉設計

將中臂和四連桿機構部分改為采用蝸輪蝸桿的回轉支撐，如圖4所示，結構簡單緊湊，并且回轉支撐可360°回轉［3］。

圖3 小臂回轉四連桿機構

圖4 智能臺車小臂回轉部分結構

智能臺車小臂總長度是5 425mm，相比于常規臺車取消了中臂和四連桿，總長度比常規臺車縮短大約1 700mm。

2.2 大臂設計

矩形截面是最經典的伸縮臂截面形式，我公司的三臂鑿巖臺車服務平臺臂架和三臂拱架安裝臺車臂架均采用矩形截面，這種截面相比其他截面制造簡單，具有較好的抗彎曲和抗扭轉能力，因此在智能臂架設計中考慮采用矩形截面［4］。為保證智能臺車覆蓋范圍，確定智能臺車大臂總長度為7.555m。智能臺車大臂伸縮臂結構如圖5所示。

圖5 智能臺車大臂伸縮臂結構

3 智能臺車臂架強度校核計算

3.1 智能濕噴臺車臂架所受載荷確定

傳統觀點認為，臂架水平全伸時為最危險工況。本文選取其最危險工況對智能臺車臂架系統進行載荷的施加。臂架在工作中所受的主要載荷F包括臂架自身的重量G1、輸送管自身的重量G3、動載荷、混凝土的重量G2和風載荷P［5］，即：

其中：Kd為自重動載荷系數，取Kd＝1.2；K 為振動載荷系數，取K＝1.3。

對于風載荷，在實際作業情況下可忽略不計。表1為計算得到的臂架各部分所受的載荷。

表1 計算得到的臂架各部分所受載荷

3.2 臂架強度校核

智能臺車大臂材料為Q690，屈服強度σs為690 MPa，抗拉強度為940MPa；小臂材料為Q345B，屈服極限σs為345MPa，抗拉強度為490MPa。

許用應力［σ］＝σs／n＝（n 為安全系數，取1.7）。經計算，Q690的許用應力為406MPa，Q345許用應力為203MPa。

采用截面法對臂架進行受力分析，如圖6所示。A、B、C、D四個截面是危險截面，分別對其進行校核。圖6中，F1為大臂重量；F2為混凝土管路與混凝土重量；F3為回轉支撐重量；F4為小臂重量；F5為噴頭總成重量；Li分別為相應力臂長度。

圖6 濕噴臺車臂架受力分析

A—A截面所受彎矩：

A—A截面的抗彎截面系數：

彎曲應力：

安全余量：

同理可得：

B—B截面所受彎矩M2＝57 860 380Nmm，抗彎截面系數W2＝551 387mm3，彎曲應力σ2＝105MPa，安全余量S2＝3.3。

C—C截面所受彎矩M3＝20 398 200Nmm，抗彎截面系數 W3＝206 797mm3，彎曲應力σ3＝98.6 MPa，安全余量S3＝2.1。

D—D截面所受彎矩M4＝129 376Nmm，抗彎截面系數W4＝8 531 250mm3，彎曲應力σ4＝66MPa，安全余量S4＝3.1。

通過對智能臺車臂架危險截面的校核，證明該結構的強度滿足要求，安全余量大于1.5，滿足使用要求。

4 結論

智能濕噴臺車臂架系統是濕噴臺車的關鍵部分，臂架系統設計是否合理直接影響施工作業質量。在常規濕噴臺車的基礎上，針對智能臂架應用中出現的伸縮臂晃動量大和小臂回轉結構無編碼器安裝空間問題對臂架結構進行了設計優化，并對優化后的臂架結構進行了強度校核。計算結果表明，智能臂架結構強度滿足要求，安全余量合理，為混凝土濕噴臺車臂架系統的穩定性和可靠性奠定了基礎。