超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置的設(shè)計(jì)

張路賽，鄧高鈺，姜 鵬

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

近年來(lái)，隨著國(guó)家城市建設(shè)的不斷發(fā)展和隧道規(guī)模的不斷擴(kuò)充，促使盾構(gòu)行業(yè)迅速向著大型化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，超大直徑盾構(gòu)（開(kāi)挖直徑14m以上）應(yīng)運(yùn)而生。主驅(qū)動(dòng)是超大直徑盾構(gòu)中不可分割且單體重量最重的零部件，其吊裝工序在盾構(gòu)機(jī)組裝階段至關(guān)重要［1］。如何簡(jiǎn)單、快捷、安全地實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的安裝作業(yè)，對(duì)保證安裝質(zhì)量和提高工作效率具有重要意義。

一般而言，超大直徑盾構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)組裝完成后重量在400t以上，直徑在7m以上，屬于超寬、超重零部件。傳統(tǒng)的焊接式吊耳已經(jīng)無(wú)法滿足主驅(qū)動(dòng)總成的翻身起吊工作。本文針對(duì)此問(wèn)題，在充分研究各型大件翻身起吊工裝的基礎(chǔ)上，以φ15.03m超大直徑泥水平衡盾構(gòu)項(xiàng)目為依托，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的新型超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置。

1 翻身裝置的設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目中，總裝完成后的主驅(qū)動(dòng)重量達(dá)450t，最大外形尺寸達(dá)8m。但是車間內(nèi)配置的行車最大起重能力為250t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足主驅(qū)動(dòng)（450t）的起吊和翻身作業(yè)要求。

目前業(yè)內(nèi)常用的超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身作業(yè)方法（見(jiàn)圖1）為：設(shè)計(jì)大型的螺栓連接式翻身吊耳，輔以超大噸位的起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的整體起吊［2］。該方法雖然可以實(shí)現(xiàn)超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的吊裝與翻身作業(yè)，但是需要直接進(jìn)行起吊，同時(shí)增大了吊裝件的總重量，給吊裝和翻身作業(yè)帶來(lái)困難和風(fēng)險(xiǎn)［3］。另外，主驅(qū)動(dòng)的總重量超過(guò)了一般工廠的起重能力配備，需要額外租賃超大噸位的履帶起重機(jī)［4］（起重能力600t以上）。

圖1 常規(guī)超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身方式

本文針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)在主驅(qū)動(dòng)上設(shè)計(jì)2個(gè)旋轉(zhuǎn)銷軸，再輔以小噸位起重機(jī)和若干小型吊耳便可以實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的自由翻轉(zhuǎn)。運(yùn)用這種方式進(jìn)行主驅(qū)動(dòng)翻身時(shí)，起重機(jī)提供的旋轉(zhuǎn)提升力只需要克服主驅(qū)動(dòng)自重產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦阻力，這樣可減少起重機(jī)提升力約10倍以上，實(shí)現(xiàn)了小起重機(jī)翻大重物的目的。

主驅(qū)動(dòng)的起升和下降動(dòng)作通過(guò)翻身裝置兩側(cè)設(shè)置的2個(gè)高壓油缸來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)。相比租賃大噸位起重機(jī)進(jìn)行起吊的方式，通過(guò)油缸頂升的方式實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的上下移動(dòng)大大簡(jiǎn)化了提升結(jié)構(gòu)，同時(shí)節(jié)省了約95%的起重費(fèi)用（見(jiàn)圖2）。

圖2 新型超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置示意圖

1.1 翻身裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

該主驅(qū)動(dòng)翻身裝置主要由安裝底座、旋轉(zhuǎn)銷軸、翻身支架、C型塊、系列化墊塊、高壓頂升油缸、工作平臺(tái)等組成（見(jiàn)圖3）。

首先將該翻身裝置安裝在盾體分塊法蘭面上，再通過(guò)分部吊裝的方式將主驅(qū)動(dòng)吊裝到翻身裝置上，使主驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)銷軸分別落入到翻身裝置上的2個(gè)C型塊內(nèi)。通過(guò)小噸位起重機(jī)的牽引，2個(gè)旋轉(zhuǎn)銷軸可以在C型塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)主驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)360°翻轉(zhuǎn)。

圖3 翻身裝置的主要結(jié)構(gòu)組成

主驅(qū)動(dòng)的起升和下降動(dòng)作通過(guò)在翻身裝置兩側(cè)設(shè)置的2個(gè)高壓頂升油缸來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)。為了增加主驅(qū)動(dòng)抬升動(dòng)作的可靠性和安全性，特殊設(shè)計(jì)了系列化厚度的支撐墊塊用于給主驅(qū)動(dòng)提供剛性支撐。翻身裝置周邊安裝的工作平臺(tái)有利于工作人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1.2 翻身裝置的受力分析

在主驅(qū)動(dòng)翻身裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和受力分析，從而保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理和安全有效。

翻身裝置的基本組成材料為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B，屈服強(qiáng)度為325MPa。翻身裝置的三維模型采用SolidWorks三維軟件進(jìn)行創(chuàng)建，然后運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行受力分析（見(jiàn)圖4）。

圖4 翻身裝置主要部件（旋轉(zhuǎn)銷軸和翻身支架）的三維模型

由于旋轉(zhuǎn)銷軸的結(jié)構(gòu)型式不對(duì)稱，且其在主驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)不停地變換受力方向，故需要對(duì)旋轉(zhuǎn)銷軸進(jìn)行3種工況下的受力分析。具體分析如下：

工況1：旋轉(zhuǎn)銷軸承受平行于中心開(kāi)孔方向的力。旋轉(zhuǎn)銷軸工作過(guò)程中主要承受主驅(qū)動(dòng)組裝完成后的總重量（按450t計(jì)算），重力加速度取為9.8m/s2。在此工況下，旋轉(zhuǎn)銷軸受到的最大應(yīng)力為143MPa，旋轉(zhuǎn)銷軸的整體強(qiáng)度滿足使用需求，安全系數(shù)為2.27。從變形角度來(lái)講，旋轉(zhuǎn)銷軸的最大變形為0.3mm，滿足剛度設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖5）。

圖5 旋轉(zhuǎn)銷軸在工況1下的應(yīng)力和變形云圖

工況2：旋轉(zhuǎn)銷軸承受垂直于中心開(kāi)孔方向的力。旋轉(zhuǎn)銷軸在不同工況下的載荷承受情況相同，但載荷方向不同。在此工況下，旋轉(zhuǎn)銷軸受到的最大應(yīng)力為153MPa，旋轉(zhuǎn)銷軸的整體強(qiáng)度滿足使用需求，安全系數(shù)為2.12。從變形角度來(lái)講，旋轉(zhuǎn)銷軸的最大變形為0.36mm，滿足剛度設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖6）。

圖6 旋轉(zhuǎn)銷軸在工況2下的應(yīng)力和變形云圖

工況3：旋轉(zhuǎn)銷軸承受垂直于中心開(kāi)孔反方向的力。在此工況下，旋轉(zhuǎn)銷軸受到的最大應(yīng)力為153MPa，旋轉(zhuǎn)銷軸的整體強(qiáng)度滿足使用需求，安全系數(shù)為2.12。從變形角度來(lái)講，旋轉(zhuǎn)銷軸的最大變形為0.36mm，滿足剛度設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖7）。

圖7 旋轉(zhuǎn)銷軸在工況3下的應(yīng)力和變形云圖

翻身支架在工作過(guò)程中除承受主驅(qū)動(dòng)組裝完成后的總重量外（按450t計(jì)算），還需要承受1個(gè)水平側(cè)向力（約50t）用于實(shí)現(xiàn)翻身支架的微動(dòng)調(diào)節(jié)。重力加速度取為9.8m/s2。

在此工況下，翻身支架受到的最大應(yīng)力為234MPa，且為個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)，翻身支架的整體強(qiáng)度滿足使用需求，安全系數(shù)為1.4。從變形角度來(lái)講，翻身支架的最大變形為4.3mm，滿足剛度設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖8）。

圖8 翻身支架的應(yīng)力和變形云圖

綜上所述，該主驅(qū)動(dòng)翻身裝置的整體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)需求。

2 翻身作業(yè)流程

（1）將主驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件支撐在地面上，根據(jù)工廠起重能力預(yù)組裝部分零部件。同時(shí)在主驅(qū)動(dòng)上安裝相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)銷軸和小型翻身吊耳。

（2）將翻身裝置（安裝底座、旋轉(zhuǎn)銷軸、翻身支架、C型塊、系列化墊塊、高壓頂升油缸、工作平臺(tái)）組裝為一體，并與底部支撐連接固定好。

（3）將預(yù)組裝的部分主驅(qū)動(dòng)件吊上翻身支架，使主驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)銷軸分別落入到翻身裝置上的2個(gè)C型塊內(nèi)，并設(shè)置水平臨時(shí)支撐。

（4）根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)在翻身裝置兩側(cè)設(shè)置的2個(gè)高壓油缸來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的頂升動(dòng)作。

（5）主驅(qū)動(dòng)頂升到位后，在油缸行程空間內(nèi)放置系列化鋼制支撐墊塊以增加頂升動(dòng)作的可靠性和安全性。

（6）安裝主驅(qū)動(dòng)總成中的其余零部件，整個(gè)主驅(qū)動(dòng)安裝完成后重量約450t。根據(jù)實(shí)際需要，在主驅(qū)動(dòng)組裝過(guò)程中可能也需要進(jìn)行若干次旋轉(zhuǎn)翻身作業(yè)。

（7）通過(guò)小噸位起重機(jī)的牽引，主驅(qū)動(dòng)總成可以在空中實(shí)現(xiàn)360°的自由翻轉(zhuǎn)，直至旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)安裝狀態(tài)（豎直狀態(tài)）。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，起重機(jī)需要提供的牽引力時(shí)刻在變化。最大牽引力出現(xiàn)在主驅(qū)動(dòng)豎直狀態(tài)，此時(shí)吊車牽引力約60t。

（8）下放主驅(qū)動(dòng)總成，至其與盾體實(shí)現(xiàn)可靠連接。通過(guò)回縮翻身裝置兩側(cè)的高壓油缸并拆除系列化墊塊，可以實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的安全下放。

目前，該種型式的超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置已在多臺(tái)盾構(gòu)上得到了成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了安全、便捷的主驅(qū)動(dòng)翻身作業(yè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的起吊和翻身作業(yè)是盾構(gòu)制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，如何安全、便捷地實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)的吊裝作業(yè)，在超大直徑盾構(gòu)組裝過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。本文開(kāi)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了一套安全實(shí)用、簡(jiǎn)單巧妙、適應(yīng)性廣的超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置。該翻身裝置不僅能夠有效地解決超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的翻身作業(yè)，而且大幅度地節(jié)約了制作資源和施工成本，創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

該種新型超大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)翻身裝置設(shè)計(jì)思路還可以被復(fù)制應(yīng)用到其他類似結(jié)構(gòu)的超大、超重件翻身作業(yè)中，為超大、超重件的吊裝技術(shù)提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)和解決思路，對(duì)相關(guān)吊裝技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。