鋼拱架安裝機花拱夾持裝置的優(yōu)化設(shè)計

盧 靜，張家放，陳祚進

(中鐵五局集團貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

當(dāng)前時期，中國范圍內(nèi)的交通運輸行業(yè)，正處于迅猛前進當(dāng)中，公路及鐵路建設(shè)中對于隧道施工的機械化程度亟需提升。如果于隧道施工過程中，發(fā)現(xiàn)軟弱巖層，則通常需要借助鋼拱架的力量支護，這樣才可提高圍巖結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，有效預(yù)防坍塌事故的發(fā)生。現(xiàn)如今，中國范圍內(nèi)的鋼拱架安裝往往選用人工傳統(tǒng)方式，即依托于裝載機，以人工的形式進行安裝[1-4]。

拱架安裝機需要夾持兩種不同的拱架，一個是型鋼拱架，另外一個是格柵拱架(俗稱花拱架)[5]，如圖1所示。它們之間的各種區(qū)別，使得型鋼拱架夾持裝置和花拱拱架夾持裝置不完全一樣。

圖1 格柵拱架和型鋼拱架

國外對于鋼拱架安裝機的研究起步，早投入大，已取得一定進展。當(dāng)前時期，某些西方發(fā)達國家的隧道施工技術(shù)，已充分實現(xiàn)了機械化。例如 ：日本愛知成功研發(fā)出HYL5073JGKA臺車，不僅如此，芬蘭Normet也成功研發(fā)出了UTILIFT2000臺車[6-8]。這些臺車多為夾持型鋼拱架的機械手或帶混凝土噴射的多功能機械手。

該階段中國正致力于完善拱架安裝設(shè)備。例如：洛陽聚科特種工程機械企業(yè)，成功研發(fā)出JOCO-01安裝機，其將底盤設(shè)定為挖掘機，主要工作臂是小臂，在小臂其末安裝一個夾緊裝置，該裝置可以實現(xiàn)六自由度運作，實現(xiàn)將拱架夾取到所需的工作位置[9]，具體見圖2。

圖2 JOCO-01系列鋼拱架安裝機

國內(nèi)有幾家專業(yè)的隧道建設(shè)施工企業(yè)在近兩年內(nèi)也開始研制鋼拱架安裝機械手。

重慶城建控股(集團)有限責(zé)任公司研發(fā)了附著型隧道拱架快速安裝機械手，該機械手施工時需要施工人員在安裝前將型鋼拱架一片一片的連接成一個完整的拱架；然后在混凝土噴射手的前臂上安裝機械手臂架；液壓缸驅(qū)動連桿，得到一個向前的動力，使活動夾掐住需要安裝的型鋼拱架，操作混凝土噴射手，使其安裝到位。

湖南五新隧道智能裝備股份有限公司研發(fā)了一種隧道拱架作業(yè)車上使用的夾持裝置[11]。該夾持裝置包括L形支架，支架上活動連接著支撐板。支撐板上方用來安裝工作平臺，并且活動連接著臂架，抓手包括固定抓手與活動抓手。

中鐵五局集團機電有限責(zé)任公司研制了一種GJAZ-12L型隧道施工拱架安裝機，該機是以折疊式主臂架與中間伸縮式工作平臺(吊籃)組合的“兩臂一籃”的結(jié)構(gòu)(圖3)。該裝置設(shè)計了多自由度拱架夾持機構(gòu)，可實現(xiàn)拱架夾持、精準(zhǔn)位置調(diào)整、安裝等多項功能。同時還可以更換夾持頭，實現(xiàn)型鋼拱架和花拱的夾持[12]。

圖3 GJAZ-12L型隧道施工拱架安裝機

目前國內(nèi)設(shè)計的臺車夾持裝置,其中對花拱架的夾持等問題研究較少，夾持機構(gòu)的可變性、靈活性、防變形能力等方面還有待研究。

1 拱架安裝機花拱夾持機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況結(jié)合工程機械設(shè)計的成功經(jīng)驗，創(chuàng)新設(shè)計的夾持頭采用液壓驅(qū)動，能夠夾持特定尺寸的花拱拱架。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)形式有以下幾個部分，主要有回轉(zhuǎn)支撐連接座的設(shè)計、夾持頭活動夾板的設(shè)計、液壓油缸設(shè)計、夾持頭固定夾板的設(shè)計四個部分組合而成。

在夾持部分的夾持端創(chuàng)新設(shè)計了一塊L形的夾持板，用來限制夾持時的高度，可以使花拱夾持頭在夾持的時候保證花拱被夾持部位不會變形很大。為了實現(xiàn)對不同規(guī)格型號的花拱的夾持功能，設(shè)計了一種可拆換的L型夾持板，采用螺栓固定L形夾持板；根據(jù)施工現(xiàn)場花拱的尺寸規(guī)格，配套設(shè)計不同大小的L型夾持板，可以實現(xiàn)對不同規(guī)格型號的花拱的夾持安裝功能。本文中設(shè)計的花拱夾頭可夾持150 mm高度的花拱。具體如圖4所示。

圖4 花拱夾持機構(gòu)三維模型圖

2 花拱夾持機構(gòu)的有限元分析

由于ANSYS軟件和常見三維建模軟件有良好的交互，所以，能夠于現(xiàn)有的ANSYS軟件中，引入已構(gòu)建的SolidWorks模型，并據(jù)此展開科學(xué)合理的有限元分析[13-14]。

1)材料屬性：牌號Q295A，查機械設(shè)計手冊，其材料屈服點σs因板厚不同屈服極限值也不同，夾持機構(gòu)最大板厚處為固定板圓孔連接處，為25 mm，所以統(tǒng)一最小屈服極限值，為275 MPa。

2)網(wǎng)格劃分：采用10 mm標(biāo)準(zhǔn)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 花拱夾持機構(gòu)網(wǎng)格劃分

3)邊界條件設(shè)置

a.固定約束

對抓手左側(cè)的螺栓孔進行完全約束。

b.工件自重

抓手承受工件的重力作用，其大小為2000 N。

c.工件產(chǎn)生的扭矩

拱架總長8 m，為了便于拱架安裝，通常夾持位置選擇在中心位置偏置3 m處。因此，由于夾持位置偏置對夾頭處產(chǎn)生的扭矩為：

T=F×L=2000×3=6000 N·m

d.汽缸推力

該型號的液壓油缸的拉力為：

F拉=3.14×(R2-r2)×P=3.14×(252-142)×16=21552.96 N

夾頭所受壓力為氣缸推力在夾頭平面的分力，其力大小：

4)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖6 花拱夾持機構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖6可知：在拱架夾持頭中間避空位置，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，例如：在圖6的所指區(qū)域，可知其最高可以達到194.11 MPa，并未高于材料自身的屈服強度275 MPa，即σ(194.11 MPa)≤σs(270 MPa)，故設(shè)計滿足使用要求。

3 花拱夾持機構(gòu)的優(yōu)化

為了測試拱架安裝機夾持機構(gòu)在隧道內(nèi)實際工作環(huán)境下的性能，將拱架安裝機運送到了蒙華鐵路某隧道進行現(xiàn)場安裝試驗。

在試驗施工過程中出現(xiàn)了兩方面的問題：一是上下夾持板夾持不密貼而出現(xiàn)拱架松脫；二是夾持機構(gòu)的夾持力過大而導(dǎo)致格柵拱架變形。

針對夾持不密貼易松動的問題，從結(jié)構(gòu)特點分析，認(rèn)為其原因在于上下夾板焊接固定在轉(zhuǎn)動座上，并繞同一個鉸軸回轉(zhuǎn)，在夾持過程中，兩夾板始終存在一個角度(該角度隨花拱的大小變化而變化)，不能保持平行狀態(tài)，這就出現(xiàn)了夾持時不是“面面”接觸，而是“面線”接觸，甚至是“線線”接觸的問題。這使得工作時接觸面積不足，產(chǎn)生的摩擦力過小，而導(dǎo)致不密貼易松動。

易松脫還存在另一個因素：原夾持板工作時的夾持特性是金屬和金屬接觸，其摩擦系數(shù)本身非常小，摩擦力也就不足，受力稍有偏向就容易滑脫。因此需要采取措施增加摩擦系數(shù)。

針對夾持力過大導(dǎo)致變形的問題，經(jīng)受力分析，認(rèn)為是夾持液壓油缸的推力過大，考慮到更改液壓系統(tǒng)設(shè)置方面比較復(fù)雜，容易引起連鎖問題，最好從結(jié)構(gòu)方面考慮設(shè)置限位機構(gòu)，防止壓變形。

針對上述分析結(jié)果，對夾持機構(gòu)實施了多項優(yōu)化設(shè)計：

1)增加了限位裝置

創(chuàng)新設(shè)計了夾持頭受力限位裝置，該機構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺母來實現(xiàn)對不同花拱的夾持功能，相較于原設(shè)計的多塊L型夾持板，降低了加工制造成本，提高了勞動效率；并且采用鉸接形式的鏈接，還能更好地防止夾持花拱時發(fā)生大的變形。限位裝置如圖7所示，由限位調(diào)節(jié)絲桿、定位板、調(diào)節(jié)螺母和限位座組成。限位塊采用萬向球鉸連接結(jié)構(gòu)形式，可實現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動，在進行夾持限位時保證與活動夾板保持緊密貼合，保證作業(yè)安全。而絲桿和調(diào)節(jié)螺母的組合可以有效調(diào)節(jié)限位距離，夾持不同型號的花拱。

圖7 限位裝置示意圖

2)設(shè)計了活動夾板鉸軸連接結(jié)構(gòu)

在工況試驗中發(fā)現(xiàn)，夾頭并不能在保證花拱不變形的情況下，跟隨花拱的位置進行夾緊，所以創(chuàng)新設(shè)計了活動夾板鉸軸連接結(jié)構(gòu)，可在夾持不同型號的拱架時保持兩夾板始終平行夾緊，防止松脫。如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后花拱夾持機構(gòu)三維模型圖

3)增加了橡膠墊片

在活動夾頭和固定夾頭上增加了橡膠墊片，多一重保護，更好地防止花拱被夾變形，同時起到防滑的效果。

圖9 優(yōu)化后花拱夾持機構(gòu)在工地進行試驗

優(yōu)化設(shè)計后，設(shè)備再次進行了現(xiàn)場試驗(圖9)。首次試驗中出現(xiàn)的問題，在本次試驗中都消除了，甚至還可以很好的夾持超過設(shè)計規(guī)格的更大尺寸的花拱，試驗效果超過預(yù)期。設(shè)備經(jīng)過“設(shè)計—試驗—優(yōu)化設(shè)計—試驗”這個科學(xué)驗證的過程，為今后的推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文主要總結(jié)了鋼拱架安裝機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了一種鋼拱架安裝機并對其夾取格柵拱架的夾持機構(gòu)進行設(shè)計，并建立三維模型。

經(jīng)綜合考量，決定選用ANSYS軟件，圍繞夾持機構(gòu)展開科學(xué)合理的靜力學(xué)分析，基于所得結(jié)果可知，該設(shè)計完全滿足設(shè)計要求。當(dāng)工業(yè)試驗完成之后，筆者還圍繞現(xiàn)存的施工問題進行了完善，通過增加限位裝置，活動夾板鉸軸連接，增加橡膠墊片來實現(xiàn)夾持不同型號的花拱，同時防止夾持花拱時發(fā)生大的變形，保證夾持時兩夾板始終平行夾緊，防止松脫，滿足施工要求，在后續(xù)的施工中順利使用。