张晓晴，赵振威，董 恰

（1.中铁工程装备集团 隧道设备制造有限公司，河南 新乡 453000；2.中铁高新工业股份有限公司，北京 100160）

0 引言

混凝土湿喷台车是一种将预拌好的混凝土经管道输送至喷嘴，在喷嘴处由混流有速凝剂的高压空气吹出，经快速凝结形成混凝土支护层的工程机械［1］。目前，隧道初支湿喷技术已全面被施工方接受并推广，国内湿喷台车在引进发达国家湿喷技术的基础上，经近些年的迅速发展，已形成了较为成熟的产品。

随着“德国工业4.0”和“中国制造2025”的出台，智能化、信息化已明确成为未来的发展方向，国内外一些实力雄厚的湿喷企业也把创新的重点逐步转移到智能化、信息化技术上来，智能湿喷台车的应用和推广成为发展的必然趋势。

1 智能湿喷台车臂架结构分析

智能化湿喷台车在常规湿喷台车功能的基础上，需增加隧道轮廓的扫描及检测、自动定位、湿喷臂架运动轨迹规划及控制、喷射信息的处理及传输、喷射数据和姿态的反馈及优化等功能。这些功能要求智能臂架关节处能加装传感器，完成臂架动作的控制和检测，因此智能臂架系统是智能湿喷台车的关键组成部分。

常规湿喷台车臂架结构如图1所示，系统包括上支座、大臂系统、中臂系统、小臂系统和喷头五个部分，具有大臂回转、俯仰和伸缩，中臂俯仰，小臂回转和伸缩，喷嘴旋转、摆动和刷动共九个动作。台车的最大作业高度是17m，最大作业宽度是30m，最大作业深度是8m，满足单洞双线等大型高铁隧道及部分水工隧道的作业要求。

目前，常规湿喷台车臂架已经经过长期使用，性能稳定，但并不适用在智能湿喷台车上，主要体现在以下两个方面：

（1）大臂伸缩臂。大臂内外臂截面均为五边形，如图2所示，由上下两部分拼焊而成，加工难度大，焊接后的平面度不好保证，内外套间滑块调整量小，使得外臂和内臂之间的间隙较大。进行喷射作业时，臂架受到喷射反力的作用，会导致臂架晃动，若用于智能湿喷台车臂架中，会导致臂架传感器测量数据误差大，并且不利于对喷嘴的准确定位。

图1 常规湿喷台车臂架结构

图2 大臂伸缩臂五边形截面

（2）小臂回转结构。常规湿喷台车采用直线油缸驱动，小臂的回转角度为240°（正向40°，负向180°），由于角度的不对称，结构中采用了四连杆机构［2］，如图3所示。由于结构过于复杂并难以保证强度，实际中此处出现过多次焊缝开裂问题。并且若在小臂回转销轴上安装编码器，运动过程中会导致结构干涉，无法控制和检测小臂回转角度。

2 智能台车臂架结构设计

智能台车臂架系统设计时既要保证覆盖范围不减小，又要保证实现臂架动作的精确测量和控制。针对上面两点对臂架结构进行设计。

2.1 小臂回转设计

将中臂和四连杆机构部分改为采用蜗轮蜗杆的回转支撑，如图4所示，结构简单紧凑，并且回转支撑可360°回转［3］。

图3 小臂回转四连杆机构

图4 智能台车小臂回转部分结构

智能台车小臂总长度是5 425mm，相比于常规台车取消了中臂和四连杆，总长度比常规台车缩短大约1 700mm。

2.2 大臂设计

矩形截面是最经典的伸缩臂截面形式，我公司的三臂凿岩台车服务平台臂架和三臂拱架安装台车臂架均采用矩形截面，这种截面相比其他截面制造简单，具有较好的抗弯曲和抗扭转能力，因此在智能臂架设计中考虑采用矩形截面［4］。为保证智能台车覆盖范围，确定智能台车大臂总长度为7.555m。智能台车大臂伸缩臂结构如图5所示。

图5 智能台车大臂伸缩臂结构

3 智能台车臂架强度校核计算

3.1 智能湿喷台车臂架所受载荷确定

传统观点认为，臂架水平全伸时为最危险工况。本文选取其最危险工况对智能台车臂架系统进行载荷的施加。臂架在工作中所受的主要载荷F包括臂架自身的重量G1、输送管自身的重量G3、动载荷、混凝土的重量G2和风载荷P［5］，即：

其中：Kd为自重动载荷系数，取Kd＝1.2；K 为振动载荷系数，取K＝1.3。

对于风载荷，在实际作业情况下可忽略不计。表1为计算得到的臂架各部分所受的载荷。

表1 计算得到的臂架各部分所受载荷

3.2 臂架强度校核

智能台车大臂材料为Q690，屈服强度σs为690 MPa，抗拉强度为940MPa；小臂材料为Q345B，屈服极限σs为345MPa，抗拉强度为490MPa。

许用应力［σ］＝σs／n＝（n 为安全系数，取1.7）。经计算，Q690的许用应力为406MPa，Q345许用应力为203MPa。

采用截面法对臂架进行受力分析，如图6所示。A、B、C、D四个截面是危险截面，分别对其进行校核。图6中，F1为大臂重量；F2为混凝土管路与混凝土重量；F3为回转支撑重量；F4为小臂重量；F5为喷头总成重量；Li分别为相应力臂长度。

图6 湿喷台车臂架受力分析

A—A截面所受弯矩：

A—A截面的抗弯截面系数：

弯曲应力：

安全余量：

同理可得：

B—B截面所受弯矩M2＝57 860 380Nmm，抗弯截面系数W2＝551 387mm3，弯曲应力σ2＝105MPa，安全余量S2＝3.3。

C—C截面所受弯矩M3＝20 398 200Nmm，抗弯截面系数 W3＝206 797mm3，弯曲应力σ3＝98.6 MPa，安全余量S3＝2.1。

D—D截面所受弯矩M4＝129 376Nmm，抗弯截面系数W4＝8 531 250mm3，弯曲应力σ4＝66MPa，安全余量S4＝3.1。

通过对智能台车臂架危险截面的校核，证明该结构的强度满足要求，安全余量大于1.5，满足使用要求。

4 结论

智能湿喷台车臂架系统是湿喷台车的关键部分，臂架系统设计是否合理直接影响施工作业质量。在常规湿喷台车的基础上，针对智能臂架应用中出现的伸缩臂晃动量大和小臂回转结构无编码器安装空间问题对臂架结构进行了设计优化，并对优化后的臂架结构进行了强度校核。计算结果表明，智能臂架结构强度满足要求，安全余量合理，为混凝土湿喷台车臂架系统的稳定性和可靠性奠定了基础。