微型盾构低净空管片吊机设计及应用研究「盾构管片选型」

时间：2022-11-24 10:35:14来源：搜狐

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彭正阳

中国铁建重工集团股份有限公司长沙 410100

摘要：针对微型盾构狭小空间内管片快速吊运的需求，依托现有微型盾构工程项目，进行微型盾构低净空管片吊机的研究。对比分析现有低净空管片吊机技术特点及性能，根据该项目要求完成微型盾构低净空管片吊机选型。创新设计一种液压马达驱动环链起升的低净空管片吊机结构。采用有限元软件Ansys，对吊机主要受力部件结构进行强度分析，完成液压系统和电气系统选型设计，并在实际微型盾构工程中成功应用，为国产微型盾构设计提供了技术参考。

关键词：微型盾构；低净空管片；吊机设计；选型计算

中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0077-05

0 引言

盾构法凭借其自动化程度高、施工效率高和对地层扰动小等优点，被广泛应用于城市地下隧道建设[1]。随着城市高速发展，地下空间不断开发，城市电力、市政建设工程向微型直径盾构发展。微型盾构既可缩短施工工期，节约施工成本，又有效保护城市环境，具有较好的经济和社会效益[2，3]。作为盾构机的重要组成部分，管片吊机将管片从盾构机尾部运输至前端管片拼装区域，其工作效率和稳定性直接影响盾构施工进度及施工质量[4-5]。因此，管片吊机的设计，要求能在狭小的微型盾构空间，安全快速地运输重载管片是微型盾构设计的技术难点。

针对管片吊机的设计，国内外均开展了相关研究，兰江松[6] 等介绍了一种将管片吊机原有起升机构设计为开式结构的改进方法，极大限度地降低了净空高度及结构尺寸；王大江[7] 等针对吊运系统所采用的高低双梁吊运效率低的问题，提出了一种双弯梁管片吊运结构；陶磊[8] 等介绍了一种利用多连杆机构和液压缸的一体式全液压管片吊机，适用于小直径TBM 隧道掘进。

以上研究虽对低净空管片吊机的设计和选型提供了一定的理论依据，但对应用于特殊工况的微型盾构吊机的设计研究较少。为此，文中结合实际工程项目需求，对微型盾构管片低净空吊运设备展开研究，设计了一种适用于微型盾构的管片快速吊运起重设备。

1 低净空管片吊机选型与结构设计

针对特定项目设计微型盾构低净空管片吊机，设计难点如下：

1）盾构内部空间狭小，吊机运行空间总宽度1 400mm，单边仅100 mm，对管片吊机运行平稳性要求高；

2）项目要求盾构日进度10 环，即管片吊机每日需往返吊装管片60 次，需要管片吊机有足够的效率，吊机起吊管片如图1 所示；

3）吊机系统应满足盾构最小转弯半径150 m，最大倾斜度为±5% 时能安全负载。

图1 微型盾构隧道管片

目前工程常用的管片吊机类型有液压缸提升式、电驱环链式和液驱环链式，分别对三种典型的管片吊机类型进行性能对比分析，如表1 所示。方案3 隧道施工环境适应性强，满足工程需求且效率较高，因此采用液驱环链式方案设计微型盾构低净空管片吊机。

如图2 所示，微型盾构管片吊机结构主要由起升机构、吊钩组件、运行机构、连杆机构和液压泵站等组成。管片吊机的工作流程为：吊机通过起升机构将管片从管片运输小车上提升到最高位置，通过运行机构驱动整个吊机带动管片，在固定的吊机轨道上沿着盾构机掘进方向运行到管片拼装区域，起升机构下放管片到喂片机上，空车返回至管片运输小车处，完成一块管片的运输。该管片吊机在设备上安装空间狭小，安全性要求高。液压传动具有功率密度大、易实现无级调速和过载保护、抗冲击性能好利于吊机启停控制等特点，可满足低净空管片吊机的功能需求。

1. 起升机构 2. 吊钩组件 3. 盾构管片 4. 运行机构5. 连杆机构 6. 液压泵站

图2 微型盾构低净空管片吊机结构组成

2 低净空管片吊机设计计算

低净空管片吊机的设计包括吊机主要受力部件的受力分析、液压系统设计选型和电气系统的设计。

2.1 吊机主要受力部件结构强度分析

管片起吊过程中，吊机上的墙板结构是主要受力部件，承受管片作用下的各种载荷，是管片吊机最关键的结构之一。为此，需对其进行强度分析，以保证满足设计要求。

先对模型进行简化处理，去除螺纹孔、焊缝等对结构强度无影响的特征，将处理后的模型导入有限元分析软件Patran nastran 中，进行网格划分。结果如图3 所示，共生成369 349 个节点和241 698 个单元。

图3 墙板结构网格划分

根据GB/T 381l—2008《起重机设计规范》，管片吊机主要承受常规载荷，偶然载荷和特殊载荷的影响可以忽略。故在分析中，仅考虑常规载荷。墙板的加载方式如图4 所示，工程项目中单块管片质量1 345 kg，考虑结构自重，计算中载荷按2 000 kg计算，根据式（1）可以计算出马达所需输出扭矩Tm ＝ 994.7 N·m。

式中：F 为单根环链承受重物的重力；R 为链轮的半径； M 为起吊重物质量； g 为重力加速度，取9.8。

A 点处两根链条，单根链条承载力为1 t，加载F2=20 kN；B 点处为单根链条，所以加载F1=10 kN，马达位置施加扭矩994.7 N·m，方向为顺时针，受力点为行走轮的安装孔处。

图4 墙板结构加载示意图

载荷施加完成后，对墙板进行有限元分析。应力云图如图5 所示，墙板结构的最大应力为66.7 MPa，最大应力点在墙板高度方向过渡曲线处。墙板所用材料为Q345B，屈服强度δs=345 MPa，计算出墙板的许用应力[δs]=δs /n=172.5 MPa>66.7 MPa，其中，安全系数取n=2。因此，吊机上的墙板结构强度满足设计要求。

图5 墙板结构应力云图

2.2 液压驱动系统设计与计算

盾构管片吊机通过液压马达驱动管片的起吊以及运输。通过配备液压多路阀，分别控制管片的单点起吊和单轨运输。根据额定输出扭矩要求，马达的排量为

式中：Tm 为马达输出扭矩， ηt 为马达机械效率，Δp 为马达工作压差。

根据马达转速要求以及初选马达的排量，需提供给马达的流量为

式中：n 为马达所需转速， ηv 为马达容积效率。所需驱动功率

式中：η 为安全系数。

根据液压系统设计计算、元件选型，设计液压原理如图6 所示。液压系统主要由一个独立的液压动力单元( 含电机、泵、电磁阀、溢流阀)，该动力单元随吊机一起运动。一个两联的比例多路阀分别控制起升装置和行走装置，采用比例多路阀可以实现起升和运行速度的无级调节，并具有较好的速度刚度。为保证安全性，采用了马达自带驻车制动和液压平衡阀，可以安全可靠实现吊机保持在任意高度位置。

图6 管片吊机液压系统原理图

2.3 电气系统

电气控制系统如图7 所示，外部遥控器控制指令、传感器等信号进入PLC。经过PLC 程序分析处理后，输出电信号到起升和运行的比例放大板，通过比例放大板控制起升和运行的比例电磁阀，进而控制起升和运行机构。

图7 电气控制系统

1）起升机构超载保护

起升机构是马达带动链条转动，链条卡死后，马达堵转，液压回路压力升高，液压泵过载运行，液压泵长时间过载工作会烧坏电机。为避免该情况的发生，在液压回路安装有压力传感器，传感器信号进PLC。当起升机构链条卡死后，压力信号超过设定压力超限值，PLC控制起升机构停止上升。

2）起升机构防摇控制系统

起升机构和吊具通过柔性链条连接，在运行机构快速加减速时会引起吊具来回摆动，影响吊装管片的效率。起升机构安装绝对值编码器，通过Profinet 通讯与PLC连接，PLC 可以实时读取起升机构的高度信息。外部控制命令进入PLC，经PLC 程序逻辑处理后输出模拟量信号给比例放大板，通过放大板控制运行比例电磁阀。该系统将吊具作为摆锤，起升高度作为摆长，建立一个简易单摆模型。通过计算运行速度和摆动之间的数学关系，得到防摆需要的运行速度和加速度。通过比例电磁阀开度变化与运行机构的速度和加速度的数学关系，从而控制比例电磁阀按照制定的开度变化，实现防摆运行。

3 应用情况

某管道工程长江穿越隧道项目采用盾构法施工，全长3 481 m，内径3.08 m，管片厚度230 mm，管片宽度为1 200 mm，该管片吊机在该项目中成功应用。截止2020 年4 月，已累计掘进2 640 m，平均月进尺600 m。现场使用情况如图8 所示，整机性能可靠，实现管片高效转运。