隧道內(nèi)襯鋼管運調(diào)一體機的優(yōu)化設(shè)計

孔德順, 趙 常, 李 泉, 高相勝

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所, 北京 100081; 2. 北京華橫科技有限公司, 北京 100081; 3. 涿州市騰益鋼結(jié)構(gòu)有限公司, 河北 涿州 072750; 4. 北京工業(yè)大學(xué) 先進制造技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100124)

0 引言

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)在長距離輸水管線中應(yīng)用，隧道大口徑內(nèi)襯鋼管運輸技術(shù)和拼裝施工工藝變得尤其關(guān)鍵，特別是直徑較大的內(nèi)襯鋼管、隧道與內(nèi)襯鋼管之間間隙較小時，內(nèi)襯鋼管在長距離的隧道內(nèi)運輸和拼裝技術(shù)難度更大、風(fēng)險較高。為了解決傳統(tǒng)大口徑內(nèi)襯鋼管的運輸和拼裝技術(shù)難題、提高施工效率和解決對接精度差問題[1-2]，文獻[3]針對內(nèi)襯鋼管短距離運輸?shù)墓こ?，采用卷揚機牽引拼裝施工方法，例如黃登水電站[4]、埃塞俄比亞吉布3水電站[5]和巖灘水電站[6]的鋼管運輸和拼裝技術(shù)，采用該方法實現(xiàn)了土建與結(jié)構(gòu)的有效銜接，加快了施工進度；針對內(nèi)襯大口徑(4 800 mm以上)、長距離的鋼管運輸和對接工程，例如西江引水工程[7-8]采用“電瓶車+軌道+臺車”運輸方案, 該方法攻克了隧道內(nèi)超大直徑鋼管在隧道內(nèi)的運輸、對接、焊接和自密實混凝土澆筑施工技術(shù)難題[9-10]。當(dāng)內(nèi)襯鋼管在長距離隧道內(nèi)運輸且隧道與內(nèi)襯鋼管之間間隙較小時，采用“電瓶車+軌道+臺車”運輸方案施工方法很難實現(xiàn)內(nèi)襯鋼管在隧道內(nèi)安全運輸和拼裝施工。

傳統(tǒng)的鋼管運輸需要鋪設(shè)軌道，施工工藝復(fù)雜，鋼管對接需要專用設(shè)備，狹小空間對接精度差，成本較高，因此，設(shè)計一種保證鋼管運輸安全、高效和高精度對接施工技術(shù)，且自身結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的內(nèi)襯鋼管運調(diào)一體機尤為重要。鋼管運調(diào)機的設(shè)計利用三維設(shè)計和有限元分析方法對設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和分析，提高鋼管運調(diào)機方案優(yōu)選、結(jié)構(gòu)計算和方案可行性評判，鋼管運調(diào)機免除預(yù)鋪設(shè)軌道，具有自動調(diào)整運輸狀態(tài)和自動對接等功能。

1 現(xiàn)有鋼管運調(diào)一體機

當(dāng)前內(nèi)襯鋼管在隧道中運輸常采用的施工裝備如圖1所示。其中，圖1(a)為大口徑(直徑5 000～8 500 mm)和內(nèi)襯厚壁鋼管運輸方法，旋轉(zhuǎn)拼裝需要另外的工裝，運輸效率低，拼裝施工工藝復(fù)雜，圖1(b)為小口徑(直徑2 000～4 500 mm)和薄壁鋼管運輸方法，采用半自動化運輸方法，效率較高，但這2種鋼管運輸施工方法都需要預(yù)鋪設(shè)軌道，施工工藝復(fù)雜，不能實現(xiàn)自動化作業(yè)和精確對接施工。

河西支線工程豐臺河西及門頭溝區(qū)提供生活用水，設(shè)計規(guī)模10 m3/s，工程自大寧調(diào)蓄水庫取水，加壓輸水至三家店調(diào)節(jié)池，管線總長18.8 km，采用1根DN2 600(τ=18 mm)內(nèi)襯鋼管(簡稱鋼管)，隧道內(nèi)直徑為3 200 mm，鋼管每節(jié)為5.5～6.0 m(約6.5 t)，需要在隧道內(nèi)長距離的運輸和對接施工，考慮現(xiàn)有的鋼管運輸施工裝備不能滿足河西支線工程施工工藝要求，設(shè)計出鋼管運調(diào)一體機(簡稱鋼管運調(diào)機)，如圖2所示。鋼管運調(diào)機根據(jù)運輸、拼裝鋼管情況，可以選用遠(yuǎn)程遙控操作方式。當(dāng)鋼管運調(diào)機的控制方式選擇自動擋時，可實現(xiàn)鋼管夾持、運輸和拼裝施工的自動化作業(yè)，提高了運輸效率、降低了拼裝施工難度，避免了鋪設(shè)軌道繁瑣性工序?？紤]到隧道內(nèi)需要運輸?shù)匿摴苤睆讲煌?，設(shè)計鋼管運調(diào)機的撐持機構(gòu)尺寸可調(diào)，以適應(yīng)直徑2 500～3 600 mm的鋼管夾持。

(a) 厚壁鋼管運輸方法

(b) 薄壁鋼管運輸方法

2 鋼管運調(diào)一體機的設(shè)計優(yōu)化

鋼管運調(diào)機整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼管運調(diào)機以支撐機構(gòu)為中間環(huán)節(jié)作為固定結(jié)構(gòu)，2個走行機構(gòu)分別設(shè)置于支撐機構(gòu)的兩側(cè)并與支撐機構(gòu)以鉸接方式連接。2個鋼管撐持機構(gòu)分別設(shè)置于2個走行機構(gòu)的中間并與支撐機構(gòu)固連，用于夾持鋼管實現(xiàn)運輸和拼裝作業(yè)。2個導(dǎo)向機構(gòu)與支撐機構(gòu)固連，并分別設(shè)置于鋼管撐持機構(gòu)(后)和鋼管撐持機構(gòu)(前)的兩側(cè)，選用圓鋼為支撐機構(gòu)作為中間結(jié)構(gòu)，最大程度上提高整體結(jié)構(gòu)強度、降低整體鋼管運調(diào)機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以便于現(xiàn)場組裝和降低加工成本。

1—隧道管片; 2—走行機構(gòu)(后); 3—導(dǎo)向機構(gòu)(后); 4—鋼管撐持機構(gòu)(后); 5—支持機構(gòu); 6—鋼管; 7—鋼管撐持機構(gòu)(前); 8—走行機構(gòu)(前)； 9—導(dǎo)向機構(gòu)(前)。

1—發(fā)電機； 2—液壓泵站； 3—控制系統(tǒng)柜。

(c) 對接過程

(d) 走形機構(gòu)

(e) 撐持機構(gòu)

(f) 導(dǎo)向機構(gòu)

2.1 走行機構(gòu)的優(yōu)化

走行機構(gòu)的驅(qū)動方式選用變頻電機+減速機相配合方式，既可降低成本，又能提高鋼管運調(diào)機在隧道中傳動的穩(wěn)定性。為了降低隧道內(nèi)路面不平順性對電機和減速機的沖擊，延長其使用壽命，減速機輸出軸與走行輪軸之間選用同步帶傳動方式，如圖2(d)所示。鋼管運輸時，為了適應(yīng)隧道曲線段走行糾偏功能、鋼管對接調(diào)整功能和鋼管對接時走形機構(gòu)穿越鋼管功能，在走行機構(gòu)上安裝了升降油缸，通過調(diào)整油缸的升降長度，實現(xiàn)上述功能。例如在曲線段鋼管運輸時，走行機構(gòu)繞支撐機構(gòu)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)控制走行機構(gòu)上升降油缸縮回油缸的伸長量，導(dǎo)向支撐機構(gòu)的走形輪支撐隧道底面，利用重力作用走行機構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)，同時為了走行機構(gòu)和支撐機構(gòu)之間的調(diào)整功能，走行機構(gòu)與支撐機構(gòu)之間選用鉸接方式。走行輪組選用“八”字模式可以提高走行輪組的摩擦力，并且該走行機構(gòu)不用預(yù)鋪設(shè)軌道，但需自備發(fā)電機或者蓄電池，可以實現(xiàn)鋼管運調(diào)機長距離鋼管運輸和拼裝施工作業(yè)。

2.2 撐持機構(gòu)的優(yōu)化

鋼管撐持機構(gòu)如圖2(e)所示。當(dāng)運輸?shù)匿摴荛L度變化時，只需要調(diào)節(jié)鋼管撐持機構(gòu)(前)固定位置(見圖2(b))，調(diào)整鋼管撐持機構(gòu)的油缸伸長量可以夾緊不同管徑的鋼管。為了適應(yīng)曲線段鋼管對接拼裝，鋼管撐持機構(gòu)上加裝了回轉(zhuǎn)支撐，控制系統(tǒng)可以根據(jù)曲線段鋼管對接拼裝需要旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)鋼管±180°旋轉(zhuǎn)。

考慮鋼管撐持機構(gòu)在運輸鋼管過程中的平穩(wěn)性和曲線段鋼管重心出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，設(shè)計的鋼管撐持機構(gòu)允許支撐機構(gòu)重心偏移量為100 mm，為此選用的回轉(zhuǎn)機構(gòu)型號為SE21-125-H-25R，最小扭矩為6 500 N·m、抗傾覆力矩為203 kN·m、軸向載荷為1 598 kN、徑向載荷為640 kN、保持力矩為105.8 kN·m、減速比為1∶125、最大運動速度為1 r/min。

考慮鋼管夾持過程中夾持鋼管的同心度，在撐持機構(gòu)上配備了10 t油缸4個。為了實現(xiàn)鋼管精確對接和滿足旋轉(zhuǎn)扭矩，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動電機選用伺服電機，功率為4.5 kW、額定轉(zhuǎn)矩為28.65 N·m、最大扭矩為71.62 N·m。根據(jù)回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)中渦輪蝸桿轉(zhuǎn)矩計算方法，伺服電機傳遞到撐持機構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩為28.65 N·m×125=27 125 N·m>6 500 N·m，同時伺服電機轉(zhuǎn)動20 000脈沖/r,選用的回轉(zhuǎn)機構(gòu)和伺服電機滿足鋼管對接的驅(qū)動力和對接精確要求。

2.3 導(dǎo)向機構(gòu)的優(yōu)化

為了滿足鋼管運調(diào)機在隧道內(nèi)運輸、拼裝作業(yè)功能和提高導(dǎo)向、支撐穩(wěn)定性，設(shè)計的導(dǎo)向機構(gòu)如圖2(f)所示。導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)為6等分支撐結(jié)構(gòu)方式，支撐桿上安裝6個伸縮油缸，可以實現(xiàn)在隧道任意直徑方向上鋼管平移支撐，提高鋼管拼裝精度。鋼管拼裝時，控制系統(tǒng)控制縮回支撐桿上油缸的伸長量，并驅(qū)動走行機構(gòu)前進；當(dāng)導(dǎo)向機構(gòu)(前)伸進鋪設(shè)好的鋼管內(nèi)，控制系統(tǒng)控制伸長支撐桿上的油缸長度，導(dǎo)向機構(gòu)的導(dǎo)向輪與鋪設(shè)好的鋼管內(nèi)壁緊密貼合；控制系統(tǒng)控制走行機構(gòu)(前)支撐油缸縮回伸長量，使走行機構(gòu)(前)走行輪脫離隧道底面，高度完全達到鋪設(shè)鋼管內(nèi)部位置，控制系統(tǒng)控制走行機構(gòu)(后)繼續(xù)前進，帶動鋼管達到對接位置。通過調(diào)整導(dǎo)向機構(gòu)(前)的支撐桿油缸伸長量，實現(xiàn)鋼管對接拼裝，在曲線段時，控制系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)不同曲線段鋼管對接拼裝施工。

設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)支撐桿選用φ159×9 mm的無縫鋼管，導(dǎo)向輪選用φ200×90 mm，單輪承載力為50 kN；導(dǎo)向支撐油缸選用10 t×6個，滿足鋼管對接施工中的調(diào)整范圍，調(diào)節(jié)力和方向。

2.4 鋼管運調(diào)一體機控制系統(tǒng)的設(shè)計

為了減少隧道內(nèi)狹小空間鋼管運輸和鋼管拼裝施工對人傷害的風(fēng)險，鋼管運調(diào)機的控制系統(tǒng)具有手動操作和遙控操作雙控制系統(tǒng)。鋼管運調(diào)機的控制系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)置控制系統(tǒng)為手動擋和自動檔控制方式，可以預(yù)先把鋼管運輸和拼裝施工作業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入其控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按照隧道的直、曲、高、低和隧道工況，自動規(guī)劃鋼管夾持、運輸路徑、走行速度和對接拼裝施工工藝，同時控制系統(tǒng)把施工過程和結(jié)果傳輸給施工甲方和監(jiān)理公司，方便掌握和監(jiān)督鋼管運輸和拼裝施工質(zhì)量和過程監(jiān)控。

3 鋼管運調(diào)一體機的設(shè)計計算

3.1 結(jié)構(gòu)的有限元分析

鋼管運調(diào)機的支撐機構(gòu)選用整體結(jié)構(gòu)，既滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度要求，又能防止運輸鋼管時結(jié)構(gòu)變形大與隧道內(nèi)壁發(fā)生磕碰而影響對接精度。設(shè)計時需要防止鋼管運輸中產(chǎn)生共振現(xiàn)象。設(shè)計的鋼管運調(diào)機結(jié)構(gòu)選用Q345B，具有整體質(zhì)量小、剛度大、方便拆裝和維修等優(yōu)點。

為了較真實地分析鋼管運調(diào)機實際工作時的受力情況，選用鋼管運調(diào)機的前端走行機構(gòu)進入對接鋼管內(nèi)，同時前端走形機構(gòu)升起后為鋼管運調(diào)機應(yīng)力應(yīng)變分析情況，分析時以后端走行機構(gòu)和前導(dǎo)向機構(gòu)為固定端，鋼管撐持機構(gòu)作為受力機構(gòu)，運輸鋼管整體質(zhì)量約6 500 kg，安全系數(shù)選用1.5，整個鋼管運調(diào)機受力方向和大小如圖3所示，有限元分析的應(yīng)變和應(yīng)力如圖4所示[11-12]。圖3中，點A、B為有限元分析時固定約束點(走行輪為約束點)，點C、D、D′(為前端走行機構(gòu)的自重力)為有限元分析時的施加外力點。整個鋼管運調(diào)機的應(yīng)力為228.4 MPa<[σ]=345 MPa，應(yīng)變整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變?yōu)?.9 mm。當(dāng)鋼管運調(diào)機的撐持機構(gòu)夾持鋼管時，運輸?shù)匿摴芸梢蕴岣哒麄€支撐機構(gòu)的剛度，使整個鋼管運調(diào)機的應(yīng)變和應(yīng)力值更小，通過分析發(fā)現(xiàn)，鋼管運調(diào)機滿足鋼管運輸、拼裝施工的強度和精度要求。

圖3 鋼管運調(diào)機受力圖

(a) 應(yīng)力圖 (單位： MPa)

(b) 應(yīng)變圖

3.2 走行機構(gòu)的運動分析

考慮隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，運輸鋼管時鋼管運調(diào)機的走行輪組與隧道斷面切向接觸，因此設(shè)計鋼管運調(diào)機走行機構(gòu)時需要考慮其爬坡能力[13-14]。為了提高鋼管拼裝過程中的對接精度，走行機構(gòu)選用變頻電機減速機來驅(qū)動，電機的功率

(1)

式中：Ft為切向滾動摩擦力；vmax為電機最大轉(zhuǎn)速；i為減速機速比，為50；ηmax為電機傳動效率，為85%；G為運調(diào)機和鋼管總質(zhì)量，為14.5 t；D為走行輪組直徑，300 mm；n為電機轉(zhuǎn)速1 450 r/min；μ為走行輪組滾動摩擦因數(shù)，為0.02；α為走行輪與隧道底面接觸角，為18.75°。

結(jié)合式(1)和鋼管拼裝時只有單組走行機構(gòu)提供走行動力的工況，本文選用的變頻電機減速機型號為RV110-50-100B5-3 kW，變頻電機功率為3 kW，減速機最大輸出轉(zhuǎn)矩為785.8 N·m，鋼管運調(diào)機最大走形速度為28 m/min。每組走行機構(gòu)中的支撐機構(gòu)為了調(diào)節(jié)高度，配置10 t×2個頂升油缸來實現(xiàn)支撐機構(gòu)高度的調(diào)整。

4 鋼管運調(diào)一體機的安裝調(diào)試與應(yīng)用

為了實現(xiàn)鋼管運調(diào)機的平穩(wěn)運行和精確控制，鋼管運調(diào)機加工完成后(如圖5所示)，需要對走行結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)和鋼管撐持機構(gòu)的動力機構(gòu)與控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試[15]，并且工作中需要定期檢查，特別是每次轉(zhuǎn)場時，需要全部更換螺栓螺母、破損的包膠輪、走行輪和導(dǎo)向輪的軸承、液壓系統(tǒng)密封件，回轉(zhuǎn)支撐需要加注潤滑脂等。

圖5 鋼管運調(diào)機實體結(jié)構(gòu)圖

鋼管運調(diào)機現(xiàn)場安裝好，放置在待運鋼管一端，控制系統(tǒng)控制導(dǎo)向機構(gòu)縮回導(dǎo)向支撐桿，控制系統(tǒng)控制走形機構(gòu)向待運鋼管放置處移動，導(dǎo)向支撐完全進入待運鋼管內(nèi)；控制系統(tǒng)控制導(dǎo)向支撐張開導(dǎo)向支撐桿，使導(dǎo)向輪完全接觸鋼管內(nèi)壁；控制系統(tǒng)縮回走行機構(gòu)上的油缸，同時控制系統(tǒng)控制后端走行機構(gòu)向前運動，使導(dǎo)向支撐和前端走形機構(gòu)穿越鋼管(見圖6(a))；控制系統(tǒng)控制撐持機構(gòu)夾緊待運鋼管，控制系統(tǒng)控制走形機構(gòu)在隧道內(nèi)運輸鋼管(見圖6(b))。鋼管在隧道內(nèi)對接跟待運鋼管夾持前過程類似，并且鋼管對接完焊接牢固后，鋼管運調(diào)機脫離鋼管過程與裝運過程相反?？刂葡到y(tǒng)控制走行機構(gòu)回到初始鋼管運輸點，準(zhǔn)備下一節(jié)鋼管的運輸工作。

將鋼管運調(diào)機應(yīng)用到河西支線工程中，運輸鋼管走形速度達到30 m/min，對接速度控制在5 min內(nèi)，對接精度控制在1 mm內(nèi)，現(xiàn)場鋼管運輸?shù)淖咝嗡俣群蛯泳冗_到預(yù)期的設(shè)計要求。

(a) 鋼管運調(diào)機穿管過程

(b) 鋼管運調(diào)機運管過程

鋼管運調(diào)機工作過程中，需要配置鋼管運調(diào)機安全管理員，對鋼管運調(diào)機運轉(zhuǎn)情況進行日常檢查和定期檢查，并跟蹤檢查首次鋼管運輸和對接質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)鋼管運輸問題應(yīng)立刻停止鋼管運輸工序，等全部問題解決后方可繼續(xù)鋼管運輸工作。

5 結(jié)論與討論

針對隧道內(nèi)襯鋼管運輸、拼裝技術(shù)和河西支線工程特點，優(yōu)化內(nèi)襯鋼管運輸、拼裝施工方法和整體結(jié)構(gòu)，并對整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，為內(nèi)襯鋼管運輸和拼裝施工工藝提供理論依據(jù)。鋼管運調(diào)一體機可以完全實現(xiàn)鋼管夾持、運輸和拼裝施工的自動化作業(yè)，提高了鋼管運輸效率、降低了拼裝施工難度，避免了鋪設(shè)軌道繁瑣性工序。

該設(shè)備的研制取得了一些成果并應(yīng)用于河西支線工程,但目前仍存在需要解決的問題，仍需繼續(xù)優(yōu)化，以進一步提高鋼管運輸效率和適應(yīng)性、降低成本、提高安裝精度，更好地適應(yīng)實際工程。

目前, 鋼管運調(diào)機仍需根據(jù)運輸鋼管的實際情況進行非標(biāo)設(shè)計，通用性較差，而且設(shè)備走行速度較慢。下一步重點研究鋼管運調(diào)機的系列性，增強鋼管運輸?shù)倪m用性，同時對遠(yuǎn)程遙控作業(yè)和智能作業(yè)進行深入地探索，旨在最大程度降低人工作業(yè)難度和施工風(fēng)險，提高工作效率。