高文梁 胡 琏/中铁工程装备集团有限公司



Φ6280mm复合式盾构机盾体吊耳结构设计与受力对比分析

高文梁 胡 琏/中铁工程装备集团有限公司

【摘 要】本文通过对盾构机盾体四种形式的吊耳进行结构设计和强度分析，并对这四种吊耳的优缺点进行对比，指导施工现场工人针对不同需求选择相应吊耳，盾构机吊耳进一步优化设计提供理论参考依据。

【关键词】盾构机吊耳；结构设计；有限元分析

引言

盾构掘进机［1］是一种专门用于开挖隧道的大型成套工程设备，由于具有快速施工、安全、经济、环保和劳动强度低等优点，作为安全高效的隧道施工机械在城市地下铁道、管线等隧道隧洞工程中得到越来越广泛的应用。

盾构技术复杂，单件重量大，盾构机在制造、组装、拆机、运输以及始发过程中对吊装技术要求高［2］。因此，合理选择吊装设备是安全施工的重要保证。本文我们对盾构机常用的几种吊耳进行结构设计和有限元分析，总结出这几种吊耳的优缺点，便于指导现场工人选择。

1.盾构机吊耳力学模型

盾构机前盾总成（含设备）110T，前盾起吊吊耳四个，并关于盾体重心对称布置，每个吊耳设计载荷40T。吊装钢丝绳［3］长度在6米～11米之间，钢丝绳直径40mm以上。所有吊耳焊缝焊接质量评定按《GB/T 12469》执行，焊缝外形尺寸应按《GB/T7949》执行，并按《GB 11345-2013超声波探伤记录表》填写有关探伤报告。

图1　 吊耳吊装示意图

盾构机在吊装时如图1所示，钢丝绳按照6m选取，钢丝绳与竖直方向成39°角，吊耳具体受力如图2所示。

图2　 吊耳受力简化模型图

2.盾构机吊耳结构设计计算及有限元分析

2.1 筋板型焊接式吊耳

2.1.1吊耳结构形式。

主吊耳焊接在盾壳上，两件筋板（与主吊耳和盾壳焊接，如图3所示。

图3　 筋板型焊接式吊耳结构图

2.1.2吊耳有限元分析。

吊装吊耳按照受力40T，约束盾壳端面，建立1∶1吊耳几何模型。分析时耳板受力按照图2中F向建立等效受力模型，并进行有限元分析。分析结果如图4、图5所示，吊耳最大等效应力为203mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均应力在150mPa左右，最大变形1.07mm。

吊装吊耳基体材料为Q345B，材料的屈服强度345mPa，故该形式吊耳基本满足要求。

图4　 筋板型吊耳应力图

图5　筋板型吊耳形变图

2.2.护板型焊接式吊耳

2.2.1吊耳结构形式。

主吊耳焊接在盾壳上，两件筋板焊接在主吊耳两侧，如图6所示。

图6　 护板型焊接式吊耳结构图

2.2.2吊耳有限元分析。

边界条件同筋板型焊接吊耳，进行有限元分析。分析结果如图7、图8所示，吊耳最大等效应力为161mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均应力在100mPa左右，最大变形0.57mm。

可以看出，该形式吊耳基本满足要求。

图7　 护板型吊耳应力图

图8　护板型吊耳形变图

2.3.螺栓连接式吊耳

2.3.1吊耳结构形式。

主吊耳焊接在法兰上，一侧用筋板支撑。吊耳整体焊接完毕后，通过使用10颗M36-10.9螺栓将盾体和法兰栓接起来，详细如图9所示。

2.3.2吊耳结构校核及有限元分析。

a）螺栓分析校核

可查M 3 6 - 1 0.9螺栓最小拉力载荷：F拉力m i n= 8 5 T、F预紧m i n= 5 1.5 T；每个吊耳承载能力：F吊耳承载= 4 0 T；

图9　 螺栓连接式吊耳结构图

如图1所示，吊耳焊接位置所形成角度α=56°，则：

F吊耳正拉力= F吊耳承载×sinα=40T×sin56°=33T；

F吊耳剪切力= F吊耳承载×cosα=40T×cos56 =22T；

经校核可得各方向上的安全系数：

ns= n×F预紧min/F吊耳正拉力=15.6；

nb= πr2×σ屈服极限×η×n/F吊耳剪切力=25；

式中：

ns—吊耳正应力安全系数；

nb—吊耳剪切力安全系数；

n—螺栓数量，此形式吊耳有10颗螺栓；

σ—螺栓屈服极限，屈服极限σ=900mPa；

η—剪应力系数，现取剪应力系数0.6。

故螺栓有一定的安全系数储备，满足要求。

b）吊耳有限元分析

边界条件同筋板型焊接吊耳，进行有限元分析。分析结果如图10、图11所示，吊耳最大等效应力为109.9 mPa，位于耳板中部，吊耳耳板平均应力在75mPa左右，最大变形0.28mm。

图10　螺栓式吊耳应力图

图11　螺栓式吊耳形变图

可以看出，该形式吊耳基本满足要求。

2.4箱式吊耳

2.4.1吊耳结构形式。

先用板材拼焊成箱体，用销轴将吊臂与箱体穿接起来。将箱体整体焊装在盾体内部，周围焊接筋板支撑，吊耳在使用时可以将吊臂旋转成竖直状态，如图12、13所示。

图12　箱式吊耳结构图

图13　箱式吊耳使用示意图

2.4.2吊耳校核及有限元分析。

销轴分析校核

经分析箱式吊耳在盾体竖直起吊状态时受力最差。箱式吊耳结构及受力状况如图14所示：

图14　 箱式吊耳起吊状态受力图

销子受剪切力，计算得：

剪切力：Q剪切力=F/2=40T/2=20T；

剪切面面积：A=πd2/4=4534.16mm2；

剪应力：τ=Q剪切力/A=44mPa。

销子的直径为D=76mm，材料20Cr，其屈服强度是520mPa，现取剪应力系数0.6。

所以，安全系数n=520×0.6/33.1=9.4。

因此，销轴满足盾体最大吊装安全性能储备要求。

吊耳有限元分析

边界条件同筋板型焊接吊耳，进行有限元分析。分析结果如图15、图16所示，吊耳最大等效应力为213.5mPa，吊耳耳板的平均应力在94mPa左右，最大变形0.12mm。可以看出，该形式吊耳基本满足要求。

图15　 箱式吊耳应力图

图16　箱式吊耳形变图

3.四种类型吊耳有限元分析结果对比

经计算分析，这四种吊耳均能满足吊装要求，但是在吊装使用时各有优劣，如表格1所示：

4.结束语

本文经过对以上四种吊耳进行结构设计和强度计算分析，可以看出这四种形式的吊耳均可以满足施工现场使用要求，但是这四种吊耳在使用时均存在一定的优劣点，我们在这里进行详细对比，可以指导现场工人根据不同需求进行选择使用。

参考文献：

［1］中国铁道总公司.隧道掘进机施工技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］黄芹朋.盾构吊装设备选择与工艺计算［J］.建筑机械（下半月），2014（3）：45-47.

［3］朱森林.李慧敏.谈塔机用钢丝绳的选用［J］.建筑机械化，2009，30（3）：61-63.