盾构机喂片机设计的关键技术要点

梁龙

（北方重工集团有限公司隧道装备设计研究所，辽宁沈阳 110020）

近年来，随着城市轨道交通和地下综合管廊工程的迅速发展，具有施工快速、安全、环保、自动化程度高等特点的盾构机得到了广泛的应用和发展。盾构机是一种集机、电、液、传感、信息技术于一体的隧道掘进专用工程机械设备，具有开挖切削土体、输送渣土，拼装隧道衬砌管片，测量导向纠偏等功能，用于隧道暗挖施工，利用钢结构盾体进行临时支护，盾体内装配有主驱动装置、推进油缸、铰接油缸、螺旋输送机、管片拼装机、喂片机等部件，并拖拽后配套设备共同前进，在盾体的掩护下，各部件紧密配合，使隧道一次成形，实现了隧道快速、安全、环保施工的工厂化作业。喂片机作为盾构机进行管片运输的主要部件，负责管片自动喂送，供管片拼装机抓取使用，决定着管片运输，拼装隧道衬砌的效率，进而决定整台盾构机的工作效率。

1 喂片机的结构组成

喂片机主要由底部架体、滑动装置、举升装置、行走装置、侧翼等组成。底部架体为钢板焊接结构，是喂片机的主体结构；滑动装置包括滑动架、伸缩油缸等件，通过油缸的伸缩运动实现滑动装置的水平运动；举升装置包括举升梁、举升油缸等件，通过油缸的举升运动实现举升装置的纵向运动；行走装置包含行走轮、行走轮轴、轴套等件，通过与底部架体进行装配实现喂片机在管片上的运动；侧翼为带有滚轮的钢结构焊接件，通过与盾构机连接桥相连使喂片机跟随盾构机主机共同运动。

图1 喂片机

2 喂片机的工作原理

在盾构施工中，喂片机的作用是将由管片吊机卸下的管片通过伸缩油缸的水平伸缩运动和举升油缸的纵向举升运动转运到管片拼装机抓取范围内。

在盾构机向前掘进时，喂片机通过侧翼与盾构机连接桥连接，由盾构机主机拖拽喂片机前进，在管片拼装时，管片吊机从管片运输车吊起管片放置在喂片机滑动装置尾部，然后喂片机伸缩油缸推动滑动架向前运动，将管片前推至指定位置，举升油缸顶起举升梁，将管片顶起，伸缩油缸完全缩回带动滑动架回收至初始位置，举升油缸完全缩回，管片落回滑动架上，放置下一个管片，以此往复将用于组成隧道的管片依次运送到管片拼装机的抓取范围内，实现管片快速、安全、稳定的自动化运输。

3 喂片机设计的关键技术要点

喂片机在盾构施工中负责运输管片，工作负载大，使用频率高，功能实现要求高，工作中极易损坏，喂片机若损坏将造成整个盾构施工无法进行，下面对喂片机设计的关键要点进行阐述和分析，以保证喂片机安全稳定的运行。

3.1 运动部件的驱动方式

喂片机的主要运动部件包含滑动架、举升梁等，滑动架在底部架体内进行水平往复运动，举升梁在底部架体内进行竖直往复运动，将两个方向运动相互配合实现喂片机对管片的运输。

针对喂片机工作负载大，使用频率高，功能实现要求高的特点，喂片机主要运动部件均采用液压驱动。液压驱动的优点是可以输出大的推力，实现低速大吨位运动；方便实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速；液压驱动装置体积小、重量轻、结构紧凑，液压元件之间可采用管路连接，布局、安装具有很大的灵活性；液压驱动能使部件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击，反应速度快，实现频繁换向；操作简单，调整控制方便，易于实现自动化；液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠；液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修。综合以上液压驱动的优点可以完美保证喂片机安全稳定的运行。

3.2 主要部件的结构及强度

底部架体、滑动架、举升梁作为喂片机主要承重构件，其变形量是否满足要求，应力分布是否合理决定了喂片机是否能长期安全稳定的运行，下面基于ANSYS WORKBENCH 对各部件在不同工况条件下进行有限元分析，确定各部件是否满足强度要求。

底部架体的工作工况主要分为喂片机承载管片（伸缩油缸与举升油缸均不伸出）、滑动架向前喂送管片（伸缩油缸完全伸出）以及举升梁举升管片（举升油缸完全伸出）三种情况。针对不同工况分别对底部架体施加边界条件和载荷，三种情况的载荷主要区别于管片重力的施加位置，通过有限元分析得出变形量分布云图和等效应力分布云图，结果显示底部架体变形量很小，应力分布、最大应力位置满足强度要求，可以保证喂片机安全稳定的运行（图2）。

图2 喂片机承载管片工况下底部架体变形量与应力分布云图

滑动架的工作工况主要分为喂片机承载管片（伸缩油缸与举升油缸均不伸出）和滑动架向前喂送管片（伸缩油缸完全伸出）两种情况，举升梁举升管片的情况滑动架无外部载荷无需分析。针对两种不同工况分别对滑动架施加边界条件和载荷，通过有限元分析得出变形量分布云图和等效应力分布云图，结果显示滑动架变形量很小，应力分布、最大应力位置满足强度要求，可以保证喂片机安全稳定的运行。

举升梁的工作工况仅有举升梁举升管片（举升油缸完全伸出）的情况，喂片机承载管片（伸缩油缸与举升油缸均不伸出）和滑动架向前喂送管片（伸缩油缸完全伸出）两种情况举升梁均无外部载荷无需分析。针对举升梁举升管片的工况对举升梁施加边界条件和载荷，通过有限元分析得出变形量分布云图和等效应力分布云图，结果显示举升梁变形量很小，应力分布、最大应力位置满足强度要求，可以保证喂片机安全稳定的运行。

3.3 滑动架与底部架体相对运动位置的设计

喂片机的滑动架与底部架体是喂片机相对运动最频繁，也是较易发生损坏的部位，所以此处的设计是喂片机的关键技术要点，是保证喂片机稳定运行的重要因素(图3)。

图3 滑动架与底部架体相对运动位置截面图

喂片机的滑动架与底部架体采用油缸相连，在底部架体上与滑动架相接触的面上选用高分子材料制成的耐磨板，减小工件磨损，增加使用寿命。耐磨板的材质选用超高分子量聚乙烯，一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程材料，具有超强的耐磨性、自润滑性，强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强。这种材料在喂片机上的应用极大地简化了底部架体内部的设计结构，并且提高了喂片机运行的稳定性。滑动架与底部架体接触面采用连续接触平面，避免砂石等硬物进入接触面卡住滑动架，从而造成喂片机的损坏。

喂片机向管片拼装机喂送管片时，滑动架完全伸出，前部处于悬空状态，在管片重力的作用下，滑动架后部可能会翘起，造成油缸及架体损坏，在底部架体内壁两侧设计限位卡板，限制滑动架后部翘起，可以避免此问题的发生。

3.4 行走装置的设计

喂片机的行走装置主要包含行走轮、行走轮轴、轴套等件，支撑喂片机在管片上向前行走，所以行走装置的寿命是决定喂片机稳定运行的重要因素(图4)。

图4 行走装置截面图

行走轮采用钢制加工件外部包胶的形式，外部包胶材料具有高硬度、耐火、抗静电、抗水解性。这种设计形式既可以增加行走轮的强度，又可以加强行走轮外部的耐磨性、抗腐蚀性，延长行走轮的寿命。

行走轮轴是喂片机强度要求最大的零件，承受整个喂片机和管片的压力，基于ANSYS WORKBENCH 进行有限元分析，确定行走轮轴的材料选择具有高机械性能的锻件，并进行调质处理，其特性是有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，满足喂片机运行稳定性的需求(图5)。

图5 行走轮轴变形量与应力分布云图

轴套采用热固性树脂复合材料加工而成，用精细网状塑料材料增强，并添加润滑剂，此种材料具有非常好的耐磨性，良好的干运行能力并能吸收振动，非常适合行走装置的工况，完美融入行走装置的设计，简单实用，保证喂片机的稳定运行。

3.5 侧翼的设计

侧翼的主结构由钢板焊接而成，内部装有侧翼轮，通过销轴与喂片机主体相连，盾构机向前掘进时，侧翼与连接桥相连，带动喂片机跟随盾构机主体一同前进，侧翼轮在由管片拼成的隧道内侧行走，对侧翼起到支撑作用，防止侧翼与隧道内侧发生碰撞，影响喂片机向前行走。

侧翼在设计时应根据隧道内径和连接桥喂片机座的结构确定侧翼的结构，并核算管片在喂片机上运输时管片与侧翼的距离，确保管片在喂片机上具有足够的运动空间，在侧翼距离隧道内壁最近处设计侧翼轮，侧翼轮选用高耐磨高承载能力的材料，内置轴承，支撑侧翼在隧道内壁上行走。

4 结论

总而言之，喂片机作为盾构机的重要部件，其驱动方式的选择、设计结构及强度、重要部件材料的选择是喂片机安全稳定运行的关键，决定了喂片机的工作寿命，进而影响盾构施工的效率。未来，喂片机的设计将向着更加智能化、更加安全环保的方向进行发展，同时，随着隧道工程领域的蓬勃发展，盾构机的广泛应用，盾构技术也将得到飞速地发展和提升。