盾構機喂片機設計的關鍵技術要點

梁龍

（北方重工集團有限公司隧道裝備設計研究所，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展，具有施工快速、安全、環保、自動化程度高等特點的盾構機得到了廣泛的應用和發展。盾構機是一種集機、電、液、傳感、信息技術于一體的隧道掘進專用工程機械設備，具有開挖切削土體、輸送渣土，拼裝隧道襯砌管片，測量導向糾偏等功能，用于隧道暗挖施工，利用鋼結構盾體進行臨時支護，盾體內裝配有主驅動裝置、推進油缸、鉸接油缸、螺旋輸送機、管片拼裝機、喂片機等部件，并拖拽后配套設備共同前進，在盾體的掩護下，各部件緊密配合，使隧道一次成形，實現了隧道快速、安全、環保施工的工廠化作業。喂片機作為盾構機進行管片運輸的主要部件，負責管片自動喂送，供管片拼裝機抓取使用，決定著管片運輸，拼裝隧道襯砌的效率，進而決定整臺盾構機的工作效率。

1 喂片機的結構組成

喂片機主要由底部架體、滑動裝置、舉升裝置、行走裝置、側翼等組成。底部架體為鋼板焊接結構，是喂片機的主體結構；滑動裝置包括滑動架、伸縮油缸等件，通過油缸的伸縮運動實現滑動裝置的水平運動；舉升裝置包括舉升梁、舉升油缸等件，通過油缸的舉升運動實現舉升裝置的縱向運動；行走裝置包含行走輪、行走輪軸、軸套等件，通過與底部架體進行裝配實現喂片機在管片上的運動；側翼為帶有滾輪的鋼結構焊接件，通過與盾構機連接橋相連使喂片機跟隨盾構機主機共同運動。

圖1 喂片機

2 喂片機的工作原理

在盾構施工中，喂片機的作用是將由管片吊機卸下的管片通過伸縮油缸的水平伸縮運動和舉升油缸的縱向舉升運動轉運到管片拼裝機抓取范圍內。

在盾構機向前掘進時，喂片機通過側翼與盾構機連接橋連接，由盾構機主機拖拽喂片機前進，在管片拼裝時，管片吊機從管片運輸車吊起管片放置在喂片機滑動裝置尾部，然后喂片機伸縮油缸推動滑動架向前運動，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滑動架回收至初始位置，舉升油缸完全縮回，管片落回滑動架上，放置下一個管片，以此往復將用于組成隧道的管片依次運送到管片拼裝機的抓取范圍內，實現管片快速、安全、穩定的自動化運輸。

3 喂片機設計的關鍵技術要點

喂片機在盾構施工中負責運輸管片，工作負載大，使用頻率高，功能實現要求高，工作中極易損壞，喂片機若損壞將造成整個盾構施工無法進行，下面對喂片機設計的關鍵要點進行闡述和分析，以保證喂片機安全穩定的運行。

3.1 運動部件的驅動方式

喂片機的主要運動部件包含滑動架、舉升梁等，滑動架在底部架體內進行水平往復運動，舉升梁在底部架體內進行豎直往復運動，將兩個方向運動相互配合實現喂片機對管片的運輸。

針對喂片機工作負載大，使用頻率高，功能實現要求高的特點，喂片機主要運動部件均采用液壓驅動。液壓驅動的優點是可以輸出大的推力，實現低速大噸位運動；方便實現無級調速，調速范圍大，且可在系統運行過程中調速；液壓驅動裝置體積小、重量輕、結構緊湊，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；液壓驅動能使部件的運動十分均勻穩定，可使運動部件換向時無換向沖擊，反應速度快，實現頻繁換向；操作簡單，調整控制方便，易于實現自動化；液壓系統便于實現過載保護，使用安全、可靠；液壓元件易于實現系列化、標準化和通用化，便于設計、制造、維修。綜合以上液壓驅動的優點可以完美保證喂片機安全穩定的運行。

3.2 主要部件的結構及強度

底部架體、滑動架、舉升梁作為喂片機主要承重構件，其變形量是否滿足要求，應力分布是否合理決定了喂片機是否能長期安全穩定的運行，下面基于ANSYS WORKBENCH 對各部件在不同工況條件下進行有限元分析，確定各部件是否滿足強度要求。

底部架體的工作工況主要分為喂片機承載管片（伸縮油缸與舉升油缸均不伸出）、滑動架向前喂送管片（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。針對不同工況分別對底部架體施加邊界條件和載荷，三種情況的載荷主要區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力分布云圖，結果顯示底部架體變形量很小，應力分布、最大應力位置滿足強度要求，可以保證喂片機安全穩定的運行（圖2）。

圖2 喂片機承載管片工況下底部架體變形量與應力分布云圖

滑動架的工作工況主要分為喂片機承載管片（伸縮油缸與舉升油缸均不伸出）和滑動架向前喂送管片（伸縮油缸完全伸出）兩種情況，舉升梁舉升管片的情況滑動架無外部載荷無需分析。針對兩種不同工況分別對滑動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力分布云圖，結果顯示滑動架變形量很小，應力分布、最大應力位置滿足強度要求，可以保證喂片機安全穩定的運行。

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，喂片機承載管片（伸縮油缸與舉升油缸均不伸出）和滑動架向前喂送管片（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。針對舉升梁舉升管片的工況對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力分布云圖，結果顯示舉升梁變形量很小，應力分布、最大應力位置滿足強度要求，可以保證喂片機安全穩定的運行。

3.3 滑動架與底部架體相對運動位置的設計

喂片機的滑動架與底部架體是喂片機相對運動最頻繁，也是較易發生損壞的部位，所以此處的設計是喂片機的關鍵技術要點，是保證喂片機穩定運行的重要因素(圖3)。

圖3 滑動架與底部架體相對運動位置截面圖

喂片機的滑動架與底部架體采用油缸相連，在底部架體上與滑動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。耐磨板的材質選用超高分子量聚乙烯，一種線型結構的具有優異綜合性能的熱塑性工程材料，具有超強的耐磨性、自潤滑性，強度比較高、化學性質穩定、抗老化性能強。這種材料在喂片機上的應用極大地簡化了底部架體內部的設計結構，并且提高了喂片機運行的穩定性。滑動架與底部架體接觸面采用連續接觸平面，避免砂石等硬物進入接觸面卡住滑動架，從而造成喂片機的損壞。

喂片機向管片拼裝機喂送管片時，滑動架完全伸出，前部處于懸空狀態，在管片重力的作用下，滑動架后部可能會翹起，造成油缸及架體損壞，在底部架體內壁兩側設計限位卡板，限制滑動架后部翹起，可以避免此問題的發生。

3.4 行走裝置的設計

喂片機的行走裝置主要包含行走輪、行走輪軸、軸套等件，支撐喂片機在管片上向前行走，所以行走裝置的壽命是決定喂片機穩定運行的重要因素(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。這種設計形式既可以增加行走輪的強度，又可以加強行走輪外部的耐磨性、抗腐蝕性，延長行走輪的壽命。

行走輪軸是喂片機強度要求最大的零件，承受整個喂片機和管片的壓力，基于ANSYS WORKBENCH 進行有限元分析，確定行走輪軸的材料選擇具有高機械性能的鍛件，并進行調質處理，其特性是有高的強度、韌度和良好的淬透性和抗過熱的穩定性，滿足喂片機運行穩定性的需求(圖5)。

圖5 行走輪軸變形量與應力分布云圖

軸套采用熱固性樹脂復合材料加工而成，用精細網狀塑料材料增強，并添加潤滑劑，此種材料具有非常好的耐磨性，良好的干運行能力并能吸收振動，非常適合行走裝置的工況，完美融入行走裝置的設計，簡單實用，保證喂片機的穩定運行。

3.5 側翼的設計

側翼的主結構由鋼板焊接而成，內部裝有側翼輪，通過銷軸與喂片機主體相連，盾構機向前掘進時，側翼與連接橋相連，帶動喂片機跟隨盾構機主體一同前進，側翼輪在由管片拼成的隧道內側行走，對側翼起到支撐作用，防止側翼與隧道內側發生碰撞，影響喂片機向前行走。

側翼在設計時應根據隧道內徑和連接橋喂片機座的結構確定側翼的結構，并核算管片在喂片機上運輸時管片與側翼的距離，確保管片在喂片機上具有足夠的運動空間，在側翼距離隧道內壁最近處設計側翼輪，側翼輪選用高耐磨高承載能力的材料，內置軸承，支撐側翼在隧道內壁上行走。

4 結論

總而言之，喂片機作為盾構機的重要部件，其驅動方式的選擇、設計結構及強度、重要部件材料的選擇是喂片機安全穩定運行的關鍵，決定了喂片機的工作壽命，進而影響盾構施工的效率。未來，喂片機的設計將向著更加智能化、更加安全環保的方向進行發展，同時，隨著隧道工程領域的蓬勃發展，盾構機的廣泛應用，盾構技術也將得到飛速地發展和提升。