1、文章编号:()收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:徐涛()男湖北荆州人工程师硕士主要从事盾构及竖井掘进机机械结构方面设计研究工作:.引文格式:徐涛.盾构机销轴快速拆装工装设计研究.铁道建筑技术():.盾构机销轴快速拆装工装设计研究徐 涛(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙)摘 要:为了解决盾构机设备上油缸销轴拆装困难、耗时费力和安全隐患高的问题根据销轴结构形式和安装位置等特点现设计一套专门用于销轴拆装的工装来辅助操作人员进行快速拆装销轴 该工装结构简单重量轻强度可靠便于操作人员安装与操作解决了盾构机设备上销轴拆装难度大、安全隐患高等问题 同时对该工装进行了有限元分析并根据
2、分析结果对工装进行针对性优化得到稳定可靠的拆装工装 该工装在实际生产项目中也得以验证工装安装及搬运方便拆装销轴方便快捷可大幅提高操作人员的工作效率及安全性关键词:盾构机 销轴 工装 有限元分析中图分类号:.文献标识码:./.():.:引言随着我国经济的快速发展城市化进程的加快“城市综合征”也越来越明显为了缓解城市建筑用地紧张和交通堵塞等问题城市地下空间的合理开发利用逐渐成为焦点 地下空间建设如地铁隧道、竖井、地下停车场和排污管廊等都需要地下工程装备 李喆和邹海炎等人分别对地下工程装备和大直径竖井设备进行了研究对目前施工效率低、事故频发和机械化程度低等难题进行分析对设备发展方向提出了新的建议 金
3、加奇等为了解决加工时专用夹具的问题设计了一套工装夹具系统并通过工装模型的有限元分析结果对工装结构的参数进行调整最终表明工装具有较好的使用效果 王亚男通过对轨道车辆车体底架制造新工艺的研究通过专用工装夹具对车体底架进行正确的焊接工艺可以有效地减少因焊接产生的变形量 朱奇等通过对长臂架泵车空心销轴装配困难的问题进行研究设计出一套快速装配销轴的工装提升了工作效率和降低了劳动强度 杨戬针对大型机械设备上销轴拆装费时费力和效率低的情况研制了一套液压销轴拆卸装置通过对液压系统中参数的设置调节可以快速有效地对销轴进行拆卸且具有很强的适用性销轴安装完成后随着时间的推移销轴和铰接座销孔之间可能会产生锈蚀及变形等
4、使得销轴和铰接座之间的摩擦阻力变大导致销轴拆卸的难度加大 因此针对盾构机内销轴的拆装难题亟须研制一套专门针对销轴拆装的工具 可以极大降低高空作业安全风险降低作业人员的劳动强度和减少高空坠物损坏设备风险等铁道建筑技术 ()徐涛:盾构机销轴快速拆装工装设计研究 工装设计思路及原理.设计思路()结构简单重量轻搬运方便()材料耐用结实()工装安装方便工作稳定可靠 图 工装基本结构.工装结构组成销轴拆装工装主要由旋柄、固定板、固定板、固定板、固定板、螺杆、螺栓和若干螺母等组成如图 所示.工装工作原理利用 根螺杆一端拧入铰接座预先加工好的螺纹孔用螺母进行紧固固定板 上的 个通孔从 根螺杆的另一端穿过并往铰
5、接座方向滑入固定板 通过固定板 和螺栓与销轴相连接固定板 中心开孔与螺杆进行焊接固定板 上有 个通孔穿过 根螺杆并用螺母将其与 根螺杆连接紧固旋柄中间有螺纹孔与中心螺杆进行配合旋入并且与固定板 中心进行公差配合再用固定板 与螺栓进行限位固定通过旋柄转动带动中心螺杆沿着销轴轴线方向运动圆周 根螺杆不仅有将工装固定在铰接座上的作用还有对固定板 的导向作用固定板 沿着螺杆轴线方向移动进而带动销轴沿着轴线方向来回运动从而达到销轴的拆卸与装配目的 销轴的安装与拆卸状态如图 所示图 工装安装与拆卸状态 销轴拆除受力计算销轴和铰接座销孔配合后长时间不拆除销轴和铰接座销孔配合面会产生铁锈一般成分为、和 拆卸销
6、轴就需要沿装配面克服铁锈之间的剪切力 金属生锈后从外到内大致可以分为 层:最外层为 约占整个铁锈层厚度的 其性质为细腻有光泽、松脆、易脱落并且可以阻止销轴内部继续被氧化中间层是 和 的混合体约占整个铁锈层厚度的 与金属本体相接触的最内层是约占整个铁锈层厚度的 如图 所示图 配合面铁锈分层示意销轴和铰接座销孔之间产生锈蚀后要拆除销轴必须在外力的作用下使销轴与铰接座销孔之间的铁锈产生松动即作用在销轴上的外力需要克服铁锈之间的内力以盾构机盾体和主驱动之间的伸缩油缸销轴为例销轴直径 为 总长度 为 销轴与铰接座销孔配合面长度 为 销轴与铰接座配合面面积 计算公式为:式中:为销轴和铰接座配合面面积()为
7、销轴直径()为销轴与铰接座配合面长度()计算得知销轴与铰接座配合面面积 为.查阅资料文献得知、的内应力分别约为.、一般附着力用内应力来衡量内应力越大则附着力也越大所需要的外力也就越大 要拆卸销轴必须将销轴与铰接座销孔之间的铁锈破坏掉破坏铁锈的外力 计算公式为:式中:为破坏铁锈的外力()为铁锈之间的内应力()为铁锈生成的表面积()计算得知将销轴从铰接座销孔内拆卸的最小外力 为.螺杆选用与旋柄扭矩计算.螺杆强度校核和选用用该工装将销轴从铰接座销孔内拆卸出来实际就是利用中间螺杆带动固定板 拆卸出销轴结构薄弱位置在固定板 和中间螺杆处选用螺杆时尽量选取公称直径大的螺杆以提高工装整体的安全系数保证工装使
8、用的安全与稳定根据销轴拆卸受力计算得知破坏铁锈的最小外力 为.由机械设计手册表 螺栓的保证载荷查得而知 粗牙螺纹性能等级 级的最小拉力载荷为.所以选用螺杆时需要选取公称直径大于 的螺杆再结合将销轴从铰接座销孔内拆出所移动的距离和紧固件材料库中螺杆的常用型号铁道建筑技术 ()徐涛:盾构机销轴快速拆装工装设计研究最终选择性能等级为.级粗牙螺纹螺杆 查表得出螺杆 最小保证载荷为.旋柄扭矩计算通过工装拆卸销轴时操作人员双手旋钮旋柄带动中间的螺杆沿着轴线方向上移动进而带动销轴的拆卸与安装 查阅机械设计手册拧紧力矩计算得知 施加在旋柄上的扭矩与螺杆轴向力的关系为:式中:为施加在旋柄上的扭矩()为旋柄扭矩系
9、数 为螺杆轴向力()为螺杆公称直径()由机械设计手册表 拧紧力矩系数查得而知 旋柄扭矩系数 在.之间取 .螺杆轴向力 为.螺杆公称直径为 根据旋柄上扭矩与螺杆轴向力关系公式计算得知施加在旋柄上的扭矩 为 根据扭矩与力和力臂的关系:式中:为施加在旋柄上的扭矩()为操作人员施加在旋柄上的力()为操作人员施加力的位置距中心的距离()假设设计旋柄把柄的长度 为.计算得知操作人员施加在旋柄上的力 为 符合成年人的正常推力 工装有限元分析工装的可靠程度直接决定了工装的使用效果及性能对该工装进行三维建模根据实际受力情况进行有限元分析并根据分析数据对工装进行进一步的优化改进根据销轴的实际工作环境销轴与销孔之间
10、除了可能会发生锈蚀外还可能会有油污、泥沙和结构变形等情况故有限元分析时我们需要适当加大旋柄扭矩 具体有限元分析工况如下:工况:旋柄上施加 倍 利用螺纹副带动销轴运动工况:旋柄上施加.倍 利用螺纹副带动销轴运动 图 工装有限元分析模型根据实际工况建立分析模型如图 所示 模型约束面为铰接座焊接面在销轴轴线方向加载力 模拟销轴和销孔之间铁锈的剪切力在旋柄上加载扭矩 旋柄上的扭矩通过螺纹副带动螺杆运动进而带动销轴运动最初设计时只有 块固定板 固定销轴带动销轴运动 固定板 采用的材料为“”型直角口处采用倒角的方式 通过三维建模及有限元分析发现固定板 的“”型直角口处应力集中且应力最大值也在“”型直角口处
11、 两种工况下工装的应力和变形结果如表 所示表 优化前两种工况下工装应力和变形分析结果项目应力/变形/工况工况 工况 工况 工况 最大值.通过表 可以看出:工况 的最大应力值已经高达.远超出了固定板 材料的屈服强度(材料的屈服强度为 )固定板“”型直角口处有被拉裂的风险存在极大的安全隐患不符合设计要求为了解决工装应力和变形大的问题从以下两点进行改进:()多增加 块固定板 对销轴进行固定可以增大固定板 与销轴的接触面面积()将固定板“”型直角口处倒角改为倒圆角的方式可以有效防止固定板 的应力集中 改进前后对比如图 所示图 改进前后对比通过优化改进后再对工装进行有限元分析两种工况下工装的应力和变形结
12、果如表 所示表 优化后两种工况下工装应力和变形分析结果项目应力/变形/工况工况 工况 工况 工况 最大值.通过表 和表 的对比发现:工装的应力和变形得到明显改善改善后的最大应力为.设计安全系数高达 符合设计要求通过对工装针对性的优化改进最终得到了符合设计要求的工装保障了操作人员的安全性和便利性 结论()利用螺纹副的作用将旋柄的转动转化为螺杆的轴向移动进而带动销轴在销孔内的安装与拆卸()以盾构机盾体和主驱动之间的伸缩油缸销轴为例根据销轴和销孔之间铁锈成分以及不同成分的铁道建筑技术 ()徐涛:盾构机销轴快速拆装工装设计研究内应力计算得出将销轴从生锈后的销孔内拆卸出来的最小外力为.()根据将销轴从生
13、锈后的销孔内拆卸出来的最小外力再结合将销轴从铰接座销孔内拆出所移动的距离和紧固件材料库中螺杆的常用型号最终确定螺杆规格为 ()根据将销轴从生锈后的销孔内拆卸出来的最小外力计算得出施加在旋柄上的最小扭矩值为 ()通过对工装的三维建模及有限元分析根据分析结果对工装进行针对性的优化改进设计改进后的工装分析结果得到明显改善结构的安全系数高达 结构可靠符合设计参考文献 雷升祥申艳军肖清华等.城市地下空间开发利用现状及未来发展理念.地下空间与工程学报():.武文婷.城市地下空间开发存在的问题及对策.工程建设与设计():.王桂新.中国“大城市病”预防及其治理.南京社会科学():.王桂新.我国大城市病及大城市
14、人口规模控制的治本之道:兼谈北京市的人口规模控制.探索与争鸣():.李喆江媛姜礼杰等.我国隧道和地下工程施工技术与装备发展战略研究.隧道建设(中英文)():.邹海炎.中大直径竖井钻爆法掘进凿岩设备研究及应用.铁道建筑技术():.金加奇孔祥伟赵清洲等.用于飞机舱门装配的柔性工装设计.机械设计与制造():.王亚男.高铁与城铁混合底架结构的制造新工艺与工装设计研究.现代制造工程():.朱奇张鑫黄宇华.长臂架泵车空心销轴装配工装设计与应用.建筑机械化():.杨戬.销轴工装的研究与应用.石油化工安全环保技术():.郭寿鹏李晓桐李梅广等.轧钢铁鳞的综合利用技术.山东冶金():.吴祝民.热轧带钢氧化铁皮的成
15、因及对策.轧钢():.成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社.(上接第 页)层的全框支剪力墙结构进行了研究根据理论分析和计算结果得出如下结论:()厚板转换全框支剪力墙结构体系虽超出规范规定的范围但进行抗震性能设计和合理运用构造加强措施可以保证结构安全为车辆段上盖开发项目中盖上盖下轴网斜交布置、剪力墙无法落地的问题提供了解决办法()为保证先上部后下部的屈服机制定义转换层等效屈强比来定量比较框支层与上部楼层的屈服能力应控制整体模型的转换层等效屈强比大于.分塔模型的转换层等效屈强比大于.且应控制转换层下部楼层屈服强度系数不小于.()转换厚板在全框支结构体系中尤为关键设计时应采取多项措施提高其抗震
16、性能并强化板柱节点抗冲切能力保证大震作用下混凝土压应变不超过峰值压应变钢筋处于弹性工作状态()整体计算时应注重结构的侧向刚度、抗剪承载力、位移和楼层屈服强度等指标:应同时采用转换层等效剪切刚度比和等效侧向刚度比来控制转换层上下结构的侧向刚度对楼层侧向刚度比的限制可适当放松但应控制软弱层侧向刚度不小于相邻上层的 且不应同时出现受剪承载力突变当结构位移远小于规范对小震、中震、大震作用下层间位移角的限值时可适当放宽对扭转位移比的限制但仍应放大此层周边构件的地震作用来提高结构抗扭转能力参考文献 国务院办公厅.关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见:国办发 号/.().:./.朱小刚.地铁车辆段上
17、盖物业转换层结构优化设计.铁道建筑技术():.伍永胜农兴中.地铁车辆段上盖高层建筑结构体系研究与应用.建筑结构():.姚永革郑建东严仕基等.全框支剪力墙结构设计若干难点热点问题探讨.建筑结构():.杨坚林鹏杨坤等.以“强下部弱上部”为目标的性能设计在地铁车辆段上盖全框支转换结构中的运用.建筑结构():.李标.高层建筑全框支剪力墙结构抗震性能研究.广州:华南理工大学.张学民戴贞亮汤志杰等.深圳某有轨电车上盖项目厚板转换设计研究.建筑结构():.贾晓宏.城市轨道交通首座车辆基地的设计特点.铁道标准设计():.张军.城市轨道交通车辆段上盖物业特点分析.城市轨道交通研究():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:.北京:中国建筑工业出版社:.中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程:.北京:中国建筑工业出版社:.扶长生鞠进姜平.钢筋混凝土转换厚板的抗震设计.建筑结构():.铁道建筑技术 ()
