超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)吊裝工裝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

何 聰，趙 茜，袁文征

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

目前，世界范圍內(nèi)采用盾構(gòu)施工的隧道工程建設(shè)主要表現(xiàn)為隧道斷面、長度和埋深不斷增大等特點(diǎn)，隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，在城市密集區(qū)狹小空間內(nèi)進(jìn)行超大型隧道施工已成為當(dāng)前隧道發(fā)展的新趨勢［1］。超大直徑盾構(gòu)機(jī)相關(guān)技術(shù)及配套設(shè)備的研究也將成為研究的熱點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)工廠組裝調(diào)試完成后需要在短時(shí)間內(nèi)完成拆機(jī)、轉(zhuǎn)場、組裝，吊裝的工期緊，難度大［2］。主驅(qū)動(dòng)總成作為超大直徑盾構(gòu)整機(jī)中單體最重的部件之一，主驅(qū)動(dòng)總成的吊裝成為組裝階段的關(guān)鍵工序。方便、可靠、適用、經(jīng)濟(jì)的吊裝工裝可節(jié)省資源，降低吊裝成本，具有重要意義［3］。本文依托國內(nèi)自主研制的φ12.14m最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了由上翻架和下翻架組成的主驅(qū)動(dòng)吊裝工裝，在該項(xiàng)目中成功應(yīng)用并在后續(xù)項(xiàng)目中成功推廣。壞［4］。在設(shè)計(jì)之初，對主驅(qū)動(dòng)總成進(jìn)行詳細(xì)建模分析，精確計(jì)算出主驅(qū)動(dòng)總成的重量及重心位置。吊裝工裝主要由上翻架和下翻架等結(jié)構(gòu)件組成，上、下翻架分別通過雙頭螺柱與驅(qū)動(dòng)箱和驅(qū)動(dòng)盤連接，如圖1所示。

圖1 吊裝工裝的結(jié)構(gòu)示意圖

1 吊裝工裝的結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)依托國內(nèi)自主研制的φ12.14m最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)項(xiàng)目，主驅(qū)動(dòng)總成為盾構(gòu)整機(jī)中單體重量最大的部件，總重約250t。在進(jìn)行大型部件吊裝過程中，需對部件受力進(jìn)行科學(xué)、周密的計(jì)算，否則會對所吊的大型裝備造成極為嚴(yán)重的損

2 吊裝工裝的設(shè)計(jì)

2.1 吊裝工裝的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合主驅(qū)動(dòng)總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及吊裝過程的工序要求，吊裝工裝由上翻架和下翻架兩部分組成。上翻架和下翻架分別通過雙頭螺柱與驅(qū)動(dòng)箱和驅(qū)動(dòng)盤連接，方便工裝的安裝及重復(fù)利用。由于驅(qū)動(dòng)盤與驅(qū)動(dòng)箱相對運(yùn)動(dòng)，上、下翻架安裝之前需注意驅(qū)動(dòng)盤與驅(qū)動(dòng)箱的相對位置，保證吊裝工裝順利安裝。上、下翻架的結(jié)構(gòu)分別根據(jù)各自功能需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，上翻架主要用于主驅(qū)動(dòng)總成的豎直吊裝，多用于與盾體組裝階段，承受主驅(qū)動(dòng)總成的全部重量；下翻架主要輔助上翻架完成主驅(qū)動(dòng)總成的翻身及水平調(diào)運(yùn)，主驅(qū)動(dòng)重量大，翻身時(shí)通過下翻架在地基上翻轉(zhuǎn)完成主驅(qū)動(dòng)的翻身工序，下翻架耳板設(shè)計(jì)R4000的圓弧半徑。

2.2 吊裝工裝的有限元分析

吊裝工裝的基體材料采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345B，材料特性如表1所示［5］。吊裝工裝耳板厚度為100mm，法蘭板厚度為60mm。

表1 Q345B物理性能

計(jì)算采用的有限元模型是應(yīng)用SolidWorks與ANSYS的接口程序從SolidWorks中直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境中［6］。在ANSYS Workbench平臺上對工裝的實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為50mm，分別對吊裝工裝的2種工況進(jìn)行分析。具體分析如下：

工況1：豎直吊裝，上翻架承受主驅(qū)動(dòng)總成的全部重量，共約250t。

上翻架4個(gè)吊耳的受力左右對稱，僅對2個(gè)吊耳的受力邊界進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN13889 RRC-271［7］，弓形卸扣與鋼絲繩的夾角保證為5°，分別選用2根4.5m和4.63m的鋼絲繩進(jìn)行吊裝，如圖2所示。

吊耳1的受力邊界條件為

吊耳2的受力邊界條件為

圖2 上翻架的吊裝示意圖

圖3 工況1有限元分析結(jié)果

由圖3可知，耳板最大應(yīng)力為158.6MPa，為集中應(yīng)力點(diǎn)，可以忽略對整體強(qiáng)度的影響，最大變形約為1.27mm。其他區(qū)域最大等效應(yīng)力為78.5MPa，滿足強(qiáng)度要求。

工況2：水平吊裝，上、下翻架各用2個(gè)耳板共同承受主驅(qū)動(dòng)總成的全部重量，共約250t，如圖4所示。

圖4 水平吊裝示意圖

該工況下4個(gè)耳板受力完全相同，僅對1個(gè)耳板受力邊界條件進(jìn)行計(jì)算。弓形卸扣與鋼絲繩的夾角保證為5°，則耳板的受力邊界條件為

由圖5-6可知，上翻架耳板最大應(yīng)力為53.2MPa，最大變形約為0.49mm；下翻架耳板最大應(yīng)力為52.2MPa，最大變形約為0.726mm，滿足強(qiáng)度要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用狀況

超大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)吊裝工裝分別在車間組裝及現(xiàn)場吊裝的情況如圖7-8所示。所設(shè)計(jì)的吊裝工裝在實(shí)際應(yīng)用中不僅可以順利完成主驅(qū)動(dòng)總成的吊裝，滿足工況使用要求，并且吊裝工裝通過螺栓連接，方便吊裝工裝的拆裝及重復(fù)使用。

圖5 工況2上翻架有限元分析結(jié)果

圖6 工況2下翻架有限元分析結(jié)果

圖7 主驅(qū)動(dòng)總成現(xiàn)場吊裝翻身

圖8 主驅(qū)動(dòng)總成車間組裝及現(xiàn)場吊裝下井應(yīng)用

4 結(jié)束語

結(jié)合主驅(qū)動(dòng)總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及吊裝過程的工序要求，設(shè)計(jì)了方便、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用的吊裝工裝，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS對吊裝工裝進(jìn)行了2種工況的模擬分析，結(jié)果顯示，吊裝工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，并在實(shí)際使用過程中效果良好。另外，通過對吊裝工裝的模擬分析，為后續(xù)超大直徑主驅(qū)動(dòng)吊裝工裝的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。