某隧道液压台车设计.pdf

2 0 1 1 年 1月 第 3 9卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 l V0 1 ． 3 9 No ． 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 8 某隧道液压台车设计 王春梅 ，徐 涛 ，周仕强。 1 ．贵州师范大学机电工程学院，贵州贵 阳 5 5 0 0 0 1 ；2 ．贵州省水城县贵州发耳煤业有限公司， 贵州水城 5 5 3 0 1 7 ；3 ，中国水利水 电第九工程局有限公 司建E_ ．T - 程分局 ，贵州 I 贵阳 5 5 0 0 0 8 摘要针对某隧道的地质状况 ，设计全断面钢模板砼衬砌隧道台车。详细介绍钢模台车的组成，对台车的机电液系统 进行设计 ，同时对台车进行受力分析 。使用结果表明设计 的钢模 台车满足该隧道 的施工要求。 关键词 钢模台车 ；机 电液系统 ；受力分析 中圈分类号 T D 4 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 9 0 4 De s i g n o f Hy d r a ul i c Tr o l l e y f o r a Ce r t a i n Tu nn e l W ANG Ch u n me i ． XU Ta o ．ZH0U S h i q i a n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al E n g i n e e ri n g ，G u i z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． F a e r Co a l I n d u s t r y Li mi t e d C o mp a n y o f t h e S h u i c h e n g Ci t y o f Gu i z h o u P r o v i n c e，S h u i c h e n g Gu i z h o u 5 5 3 0 1 7， Ch i n a； 3 ． C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g B r a n c h o f C h i n a S i n o h y d r o E n g i n e e r i n g B u r e a u 9 L i mi t e d C o m p a n y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 8，C h i n a Abs t r a c tCo ns i de r i n g t h e g e o l o g i c a l c o n di t i o n s o f a c e r t a i n t un n e l ， a f u l l f a c e s t e e l f o r mwo r k c o nc r e t e l i n e r t u n ne l t r o l l e y wa s d e s i g n e d ． T h e c o n s t i t u t i o n o f t h e s t e e l t r o l l e y W a S d e s c r i b e d ． T h e me c h a n i c a l ， h y d r a u l i c ， e l e c t r i c a l s y s t e m o f t h e t rol l e y we r e d e s i g n e d， w h i l e l o a d a n a l y s i s o f t r o l l e y wa s ma d e ． T h e p r a c t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h i s t r o l l e y me e t s t h e c o n s t r u c t i o n d e ma n d o f t h e t un n e 1 ． Ke y wo r d s S t e e l f o r mwo r k t r o l l e y ；El e c t r o n i c h y d r a u l i c s y s t e m ；L o a d a n a l y s i s 砼衬砌 台车是隧道施工过程二次衬砌 中必须使用 的专用设备 ，用于对 隧道 内壁的砼 衬砌施工 。其是非 标产 品，主要 有简易衬砌 台车 、全液压 自动行走衬砌 台车和网架式衬砌台车。全液压衬砌台车又可分为边 顶拱式 、全圆针梁式 、底模 针梁 式 、全 圆穿 行式 等。 在水工隧道 和桥梁施工 中还普遍用 到提升滑模 、顶升 滑模和翻模等 。某遂道施工地段 主要采用全断面钢模 板砼衬砌 隧道 台车 。 1 全断面钢模板砼衬砌隧道台车简介 全断面钢模板砼衬砌 隧道台车 简称 台车 ，是 以电动机驱动行走机构带动 台车行走 ，利用液压油缸 和螺旋千斤调整模板 到位及收模的隧道混凝土成型机 器 。它具有成本较低 、结构可靠 、操作方便 、衬砌速 度快 、隧道成 型面好等优点 ，该 台车长度为 1 0 ． 5 I n ， 衬砌一个循环 的工作长度为 1 0 m。 主要技术参数 1 一个工作循 环 的理论衬 砌长度 1 0 m； 2 轨距 6 5 0 0 m m； 3 成 拱半径 5 4 8 0 m m； 4 台车 运行速度 8 m ／ m i n ； 5 液压系统工作压力 1 6 M P a 。 使用要求 1 台 车 灌 注 混 凝 土 上 升 速 度 必 须 控 制 在 1 ． 0 m ／ h以内； 2 台车灌 注 混 凝 土 最 大 超 挖 厚 度 不 得 大 于 1 ． 0 m。 2 钢模台车组成 台车 由模板总成 、平 移机构 、门架总成 、主从 行 走机构 、侧 向液压油缸 、侧 向支承千斤 、门架支承 千 斤等组成 。其结构如图 1 所示 。 2 ． 1 模板 总成 模板由两块 顶模及 四块边模构成横断面 ，顶模与 边模之间通过铰耳轴联接 ，边模与边模之间通过螺栓 联成整体。每节模板宽 1 ． 5 m，纵向由 7节组合成 1 0 ． 5 m衬砌长度，模板之间皆由螺栓联接。模板上 开有 口字型排列 的工作窗 ，顶部安装有与输送泵接 口 的注 浆 装 置 。模 板 板 厚 为 1 0 m m，各 加 强 筋 采 用 7 5 m m 6 m i l l 的角钢 ，间距 2 5 0 m m。由于模 板顶部 受力 较 大 ，为 保 证 模 板 的 强 度 及 局 部 不 变 形 ，在 1 ． 5 m宽 的模板 中部增加了加强筋板 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 6 作者简介 王春梅 1 9 8 1 一 ，硕 士，讲 师 ，从 事液 压传 动与控 制 专 业教 学 与科 研工 作 。电话 1 3 1 5 8 0 2 7 9 1 7 ，Em a i l wc m2 0 00 6 1 63． C O H I 。 第 2期 王春梅 等 某 隧道液压台车设计 9 1 图 1 钢模 台车结构 图 2 ． 2平移机 构 平移机构前后各 一套 ，它支承在 门架横梁上 。平 移小 车上 的液 压油 缸 G E 1 6 0 ／ 6 3 4 0 0 与 门架 横梁 相连 ，通过 油缸 的 收缩 来 调整模 板 的竖 向定 位及 脱 模 ，其 调 整 行 程 为 2 0 0 m m；水 平 方 向 上 的 油 缸 G E 1 0 0 ／ 6 3 - 2 5 0 用来调整模板 的衬砌 中心 与隧 道 中 心是否对 中 ，左右可调行程 为 1 0 0 m m。 2 ． 3 门架 总成 门架是整个 台车 的主要 承重 构件 ，它 由横梁 、立 柱及 纵梁通过螺栓联接而成 ，各横梁及 立柱间通过联 接梁及斜拉杆联接 。整个 门架保证有 足够的强度 、刚 度和稳定性 。液压 台车 的主要结构 件由钢板焊接 。门 架横梁 由钢板焊接成工字形截 面 ；纵梁 及立柱采用箱 形截 面。 2 ． 4主从 行走 机 构 液压台车主从行走机构各两套 ，它们 铰接在 门架 纵梁 上。主行走机 构 由 Y型 电机 驱 动一 级 齿轮 减 速 后 ，再通过 两级 链条 减 速 ，其 行走 速 度 为 8 m ／ m i n ， 行走轮直径 为 4 , 3 0 0 m m。 2 ． 5侧 向液压 油缸 侧 向液 压油缸主要是为模板脱模 ，同时起 着支承 模板 的 作 用 。根 据 衬 砌 长 度 选 用 8个 侧 向 油 缸 G El 0 0 ／ 6 3 4 0 0 。 2 ． 6 侧 向螺旋 千 斤 安装在 门架上 的螺旋 千斤用来支承 、调节模板位 置 ，承受灌注混凝 土时产 生的压力 。 2 ． 7 托架支承千斤 其 主要 为改 善浇 注 混凝 土 时托 架纵 梁 的受 力条 件 ，保证托架 的可靠 和稳 定 。 梁 千斤 2 ． 8 门架 支承 千 斤 联 接在 门架纵梁下面 。台车工作时 ，其顶在轨道 面上 ，承受 台车和混凝土 的重量 ，改善 门架纵梁 的受 力条件 ，保证 台车工作时 门架 的稳定 。 3 机 、液、电系统 3 ． 1 机 械 系统 台车行走采用两套机械传动装置，通过一级齿轮 减速器 和两级链 条减 速后驱动 台车行走 。为实现两套 驱动装置 同步 ，采用 两台电机同时起动 ；为满足工况 要求 ，电机可进行正 、反转运行 。 3 ． 2液 压 系统 台车液压 系 统采 用三 位 四通 手 动换 向阀进 行 换 向，实现油缸 的伸缩 。左右侧 向油缸每组 2个各采 用 1 个换向阀控制两侧水平油缸的动作；4个竖向油缸 各 用 1 个换 向阀控制其动作 ；2个小 车平移 油缸各 用 1 个换向阀操作 ；利用双向液控单向阀对 4个竖向油 缸进行锁闭，保证模板不下降，采用单向节流阀调节 侧 向油缸的运动速度 。 当换 向阀处 于 中位 时 ，系 统卸 荷 ，防止 系 统发 热 ；直 回式 回油滤清器和集成 阀块 简化 了系统管 路。 3 ． 3 电气 系统 电气系统主要对油泵 电机 的起停及行走 电机 的正 反 向运行进行 控制。行走电机设有正反转控制及过载 保护 。 4模板台车受力分析 4 ． 1 模 板 受 力分析 台车模板 分顶模 、左右边模 ，由于顶模受到混凝 土 自重 、施工 载荷及注浆 口封 口时 的挤压力等载荷 的 作用 ，其受力 条件显然 比其他部位 的模板更复杂 、受 9 2 机床与液压 第 3 9卷 力更大 、结 构要 求更 高 。由于边模 与 顶模 的结 构构 造一样 ，边模不受砼 自重 ，载荷较小 ，因此强度分析 时只考虑顶模 。 衬砌时 ，混凝土 自重及边墙压力靠模板承受。模 板的整体强度既有拱板承受又有托架及千斤支承 ，以 保证模板工作时的绝对 可靠 。 台车模板沿洞轴方 向看是一个圆柱壳 ，只不过它 是由多个 1 ． 5 IT I 高的圆柱形组合而成 。通过计算得知 模板 下 的 托 架 支 承 及 圆 弧 拱 板 宽 2 2 0 lT l m，厚 1 2 m i l 1 的刚度是足够 的，挤 而顶模最危 险处应在 最顶 部 由于灌注时 的压力 。 因此 ，其 力学模 型 可取最 顶部 长 2 m、宽 1 ． 5 IT I 的 这部分模 板进行受 力分析 及强度校核 ，其 受力 简 图 图2 分析部分受力简图 如图 2 。 该部分载荷 由两部分组成 1 砼 的 自重 ； 2 注浆 口封 口时产 生的较大挤 压力 ，该值 是不确 定的 ， 与灌注封口时的操作有极大关系。如果混凝土已经灌 满，而操作人员仍然由输送泵输送混凝土，由于输送 泵 的理论 出 口压 力 3 ． 6 5 MP a 很大 ，就有 可能造 成模板的变形 破坏 。由于输 送管 的长 度及 高度 的变 化 ，注浆 口接 口处压力实际有多大 ， 目前没有理论及 实验验证 的数据可供参考 。据此情况 ，操作者必须及 时掌握和控制灌注情况 ，根据操作经验判定是否 已经 灌 满 ，并及时停止输送 。 1 分析部分 的混凝土 自重 P ． 如图 1 ，分析部分的长为2 m，宽为 1 ． 5 i n ，混凝 土厚为 1 ． 2 12 1 ，其密度为2 ． 4 5 t ／ m ，则混凝土 自重I V 2 x 1 ． 5 x 1 ． 2 x 2 ． 4 5 x 1 0 8 ． 8 2 1 0 N，折算成单位面 载荷P 8 ． 8 2 1 0 ／ 2 1 ． 5 2 ． 9 41 0 N ／ m 。 2 分析部分的挤 压面载荷 P ， 该值取为 4 ． 7 1 0 N ／ m ，参考 日本歧阜工业公 司提供 的参数。那 么 ，这部 分模板就受到 P ． 与 P ，的 作用 ，两部分的合力 P P I P 2 2 ． 9 41 0 4 ． 7 X 1 0 7 ． 6 41 0 N／m 。 3 模板 的弯曲应力 由于模板 的 内表 面 每 隔 2 5 0 m m 有 一根 加 强 角 钢 ，因此 ，作者把它简化成每 隔 2 5 0 m m的梁单元来 考虑 。将宽度 为 2 5 0 m m的模 板所受 到的载荷折算成 梁上的线载荷 。这是在 有 限元单 元处 理 中常用 的方 法，其翼缘板的宽度取与之相邻筋板间距 的 3 0 ％， 即 2 5 00 ． 37 5 mm，偏 于安全 。 根据上述 ，模板所受的面载荷为 7 ． 6 4 X 1 0 N ／ m 。 ， 那么在宽 2 5 0 m m，长 1 5 0 0 ll l m 的面积上所受 到的载 荷为 7 ． 6 4 X 1 0 0 ． 2 51 ． 5 2 ． 8 71 0 N，将此 载 荷 作用在 1 ． 5 m长 的梁上 ，则其 线载荷 q为 2 ． 8 7 1 O ／1 ． 51 ． 91 x 1 0 N／m。 如要对整个模板 [二[二[] ]二]二] 进 行 受 力 分 析 ，就 必 尊 竺 警 篓 []口 工 Ⅱ ][]工 Ⅱ 梁 单 元 的 空 间 框 架 结 M ⋯ 构 ，利用有 限元 理论 ， Q ⋯ ‘ M 图 通过计算机进行有限[[[ 二 二 [ 二 二 元 分 析 。这 里 ，fl e e t f c 口 圈 析 ，简 化 后 的 梁单 元 图 梁单元结构受力简图 力学模 型按简支梁处理 ，其受力简 图如图 3 ，这是 因 为两边有 2 5 0 m m高的拱板 及立柱 支承 。梁的横截 面 如图 4 。 r J L ． 1 5 0 ．． ● J ’ 1 一 l ＼、 L l 2O．7 1 D l 一 J I 1 r D f 』 』 ． 7 5 - } ， 75 f 图 4 梁单元 的横截面 为计算梁的弯曲应力 ，必先计算该梁横截 面的形 心 ，该截面是 由 7 5 m lT l X 6 m lT l 的 角钢 及 1 5 0 m m x 8 m m的组合截面，根据图4所示坐标系，计算组合 截面形心 0 。 的 、 坐标 。 根据文献 [ 1 ]中附 1 4组合截面形心公式计 算形心的 、Y 坐标 。 ∑A ／ZA YZA Y ／∑A 。 查表 可 知 7 5 m m X 6 m m角 钢 的横 截 面积 A 8 7 9 ． 7 fi l m ，惯性 矩 4 6 9 5 0 0 m m ，将各 值代入 ， 则 1 5 01 07 58 7 9 ． 7 X 9 5 ． 7 ／ 1 5 0 0 8 7 9． 7 8 2 ． 6 5 mm Y 1 5 01 0 X 8 08 7 9 ． 72 0 ． 7 ／ 1 5 0 0 8 7 9 ． 7 5 8 ． 0 8 mi l l 根据组合截 面的平行移轴公式计算组合截 面的惯 性矩 1 5 0 1 0 ／1 21 0 1 5 0 2 6 ． 9 2 4 6 9 5 0 0 8 7 9 ． 73 7 ． 3 8 2 7 9 8 2 0 3 ． 0 9 3 mm 抗弯截面模数 L ／ 8 一 5 8 ． 0 8 1 0 3 9 4 5 m m 。 抗弯截面模 数 I J5 8 ． 0 8 4 8 1 7 8 1T i m 。 第2期 王春梅 等 某隧道液压台车设计 9 3 简支梁 受到 均布 载 荷作 用 下 的最 大弯 矩 位 于跨 中，其值为 M q l ／8 1 ． 91 X 1 0 X 1 ． 5 2 ／8 5 ． 41 0 0 0 N m 梁的最大弯 曲应力 一 ／ 5 ． 41 0 0 0 ／ 4 ． 8 1 7 81 0～ 1 1 2 ． 1 MP a 对 Q 2 3 5钢 ，[ ]1 6 0 MP a ，所 以，梁 的强度 满足要求 。 4 模 板的最大位移 梁单元 的最大变形量 ，即模板 的最大位移 。 根据受均布载荷简支梁 的位移公 式心 5 q l ／ 3 8 4 EI 式 中 E为弹性模量 ，E 2 ． 1 x 1 0 M P a ；， 为截面 的 惯性矩 ，， 2 ． 8 X 1 0 m ；q为梁 受 到 的均 布 载荷 ， q 1 ． 9 1 X 1 0 N；Z 为梁 的长度 ，Z 1 ． 5 m； 将各值代人上式 a x 5 X 1 ． 9 1 1 0 1 ． 5 4 ／ 3 8 4 X 2 ． 11 0 “ 2 ． 8 X 1 0一 12 ． 1 4 mm 即模板 的最大变形为 2 ． 1 4 m m。 通过上述 的分析计算 可知 ，整个模板 的强度及 刚 度是足够 的。 4 ． 2 门架 受力分 析 支 架按照钢框架结构计算 ，荷载见 “ 4 ． 1荷 载计 算” ，钢材 Q 2 3 5 ，门 架 横 梁 截 面 尺 寸 3 0 0 m m x 5 0 0 m m，结 构 为 焊 接 工 字 型 ，上 下 面 板 厚 度 为 1 4 m m，立板厚度为 1 2 m m。门架横梁钢的截面惯性 矩 ， 和截 面抵抗矩 分另 Ⅱ 为 I 1 ．1 2 7 X 1 0 mm 3 ． 2 2 X 1 0 mm 立柱截面尺寸 3 0 0 m m 5 0 0 m m，结 构为 焊接 工 字 型 ，上下 面板 厚度 为 1 4 m m，立 板厚 度 为 1 2 m m。 立柱 的截 面惯性矩 硐 截 面抵抗矩 分别 为 ， 4． 0 7 91 0 。mm 1 ．8 1 31 0 mm。 边 模传 』 Ⅱ 1 ． “J ／＼ 图 5 支架计算 简图 采用 S A P 2 0 0 0 [ 迈达斯 MI D A S 有 限元结构受 力分析软件计算模块]计算，组合 2 正应力和剪应 力 的计算 计算结果如表 1 示 。 表 1 f - 1 架受力数据表 1 立柱计算 对各点进 行受 力 验 算 ，立 柱最 不 利 的弯 矩 和剪 力 、轴力为 M8 8 9 0 0 N m V7 9 7 0 0 N N 1 5 9 4 3 0 N 所 以有 r V S 1 6 ． 0 N／ mmz1 ／ 2 5 04 0 mi l l 整体稳定性验算 _15 5 4 6 2 。 ／ 1 ． 6 x 3 4 0 0 21 5 N／ram 考虑底粱下的千斤顶 的支座作用 ，该结构满足要 求 。 5结束 语 根据施工统计 与 比较 ，与传 统 的人 工立模 比较 ， 使用 全断 面钢模板砼衬砌隧道台车能减少劳动力 ，改 善工人 的劳动 条件 ；提高 功 效 ；节 约材 料 ；衬 砌速 度 、衬砌 的工艺 水 平得 到 提 高 ；施工 安 全 ；减 少 干 扰。因此使用钢模台车其经济及社会效益十分显著。 参考文献 【 1 】王修正， 等． 工程机械施工手册[ M] ． 北京 中国铁道出 版 社 ， 1 9 8 6 ． 2 ， 【 2 】丁皓江， 等． 弹性和塑性力学中的有限单元法[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 1 9 8 9 ． 【 3 】孙训方， 方孝淑． 材料力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 6． 6． 【 4 】机械设计手会／ 机械设计手册编委会． 机械设计手册 [ M] ． 3 版 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 3 ．