基于ANSYS的三臂凿岩台车便拆式吊篮仿真设计_樊建生.pdf

年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：樊 建 生，陈 鑫 鑫基 于的 三 臂 凿 岩 台 车 便 拆 式 吊 篮 仿 真 设 计 机 电 工 程 技 术，（）：基于的三臂凿岩台车便拆式吊篮仿真设计樊 建 生，陈 鑫 鑫（中 铁 隧 道 局 集 团 有 限 公 司 设 备 分 公 司，河 南 洛 阳；成 都 地 铁 运 营 有 限 公 司，成 都）摘 要：在 钻 爆 法 隧 道 作 业 过 程 中，三 臂 凿 岩 台 车 开 挖 的 效 率 直 接 影 响 到 整 个 施 工 的 工 期 及 成 本。现 有 的 辅 助 作 业 吊 篮 存 在 结 构 复杂、质 量 过 大 等 问 题，导 致 安 装 拆 卸 不 便，造 成 施 工 周 期 增 长 及 成 本 增 加。设 计 一 种 三 臂 凿 岩 台 车 便 拆 式 吊 篮，通 过建立 理 论 模 型，采 用 进 行 静 力 学 分 析，在 满 足 结 构 强 度 的 条 件 下 开 展 轻 量 化 设 计。优 化 后 的 吊 篮 单 体 质 量 低 于，且 最 大 效 应 力 和 变 形 量 均 满 足 设 计 要 求，具 有 结 构 简 单、安 全 性 高、质 量 小、便 于 制 造 等 特 点。新 设 计 的 吊 篮 可 安 装 在 推 进 梁 上，可 多 人 同 时 进 行 装 药，提 高 了 装 药 效 率。设 计 思 路 可 以 为 同 类 型 设 计 提 供 相 应 理 论 参 考。关 键 词：三 臂 凿 岩 台 车；钻 爆 法 施 工；吊 篮；轻 量 化；中 图 分 类 号：.文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；引 言随 着 我 国 整 体 经 济 实 力 的 不 断 增 强，基 建 设 施 领 域取 得 了 快 速 发 展，国 家 铁 路“八 纵 八 横”网 络 逐 步 建成，高 速 铁 路 及 高 速 公 路 建 设 逐 渐 向 西 南 西 北 等 边 远 地区 延 伸。我 国 西 南 及 西 北 等 地 区 山 脉 较 多，铁 路 及 公 路修 建 桥 隧 比 较 高，在 个 别 施 工 路 段 桥 隧 比 高 达以上，修 建 难 度 高。我 国 山 岭 隧 道 施 工 目 前 主 要 以 新 奥 法施 工 工 法 为 主，开 挖 作 业 为 新 奥 法 施 工 工 法 的 主 要 作 业工 序，其 决 定 了 施 工 的 安 全、效 率、质 量 等 多 方 面 因 素，对 隧 道 施 工 起 着 关 键 作 用。三 臂 凿 岩 台 车 是 隧 道 钻 爆法 施 工 中 最 先 进 的 开 挖 设 备，能 降 低 人 工 开 挖 劳 动 强 度、改 善 作 业 环 境、提 高 作 业 安 全 系 数 及 缩 短 施 工 工 期。充分 发 挥 机 械 设 备 效 率、进 行 机 械 化 作 业 是 今 后 隧 道 施 工的 发 展 方 向。在 三 臂 凿 岩 台 车 施 工 工 序 过 程 中，装 药 是 必 不 可 少的 一 环。装 药 的 安 全 性 及 高 效 性 直 接 影 响 到 整 个 开 挖 工序 的 进 行。三 臂 凿 岩 台 车 自 带 的 一 个 辅 助 作 业 平 台，在 工 作 过 程 中 并 不 能 较 好 地 满 足 装 药 工 序 的 快 速 进 行；在 正 常 的 施 工 过 程 中，现 场 经 常 会 自 制 辅 助 作 业 吊 篮 直接 安 装 在 打 孔 完 成 后 的 推 进 梁 上 以 提 高 装 药 效 率。现场 自 制 的 作 业 吊 篮，经 常 会 由 于 结 构 复 杂、质 量 大、安全 性 低 等 缺 点 存 在 相 应 的 安 全 隐 患。本 文 设 计 一 种 三 臂 凿 岩 台 车 便 拆 式 吊 篮，经 过 一 定的 理 论 分 析 并 使 用建 模，在 导 入相 应 的 优 化 分 析 后 求 得 最 优 解，能 够 保 证 其 具有 其 结 构 简 单、安 全 性 高、质 量 小、便 于 制 造 等 特 点。有 利 于 现 场 制 造 安 装，满 足 现 场 快 速 使 用 要 求，保 证 现场 施 工 安 全，以 进 一 步 提 高 三 臂 凿 岩 台 车 开 挖 效 率，同时 参 照 仿 真 结 果 制 造 的 便 拆 式 吊 篮 在 工 业 性 试 验 中 得 到了 有 效 验 证。模 型 的 建 立结 合 市 场 上 现 有 的 吊 篮 结 构 及 三 臂 凿 岩 台 车 推 进 梁型 式，现 通 过初 步 设 计 并 建 立 吊 篮 结 构 模 型如 图所 示。吊 篮 两 侧 设 置 较 大 位 置 以 便 作 业 人 员 的 进入 及 移 动、安 装；吊 篮 前 后 设 置 四 处 护 栏 以 增 强 其 结 构强 度 及 作 业 安 全 性；吊 篮 后 部 设 置 相 应 的型 结 构 以 便平 稳 地 安 装 在 推 进 梁 上；吊 篮 底 部 设 置 相 应 的 防 滑 钢 板及 焊 接 角 钢 以 便 作 业 人 员 施 工 作 业。该 吊 篮 按 照 单 人 吊篮 设 计，初 步 设 计 吊 篮 的 尺 寸 等 规 格 型 号 如 表所 示。（）吊 篮 模 型 （）吊 篮 安 装 示 意 图图吊 篮 结 构 模 型根 据 单 人 平 台 设 计 标 准；单 人平 台 的 额 定 载 重 量 计 算 公 式 如 下：（）式 中：为 额 定 载 重 量，；为 操 作 者的 假 定 质 量，取 ；为 操 作 者 的 装 备 质量，取 ；为 平 台 内 的 材 料 质 量，可 以 是或 一 规 定 值，在 此 取。将 数 值 代 入 式（）计 算 得：。表初 步 设 计 吊 篮 相 应 参 数结 构参 数尺 寸（）型 结 构 宽焊 接 圆 管 直 径，壁 厚（参 考 ）底 板 厚焊 接 等 边 角 钢（）额 定 承 载 静 力 学 分 析考 虑 到 吊 篮 设 计 的 经 济 性、安 全 性 等，设 计 的 吊 篮所 选 用 的 材 料 型 号 为，材 料 属 性 如 表所 示。表吊 篮 材 料 属 性 表属 性数 值属 性数 值弹 性 模 量 泊 松 比 质 量 密 度（）屈 服 强 度 抗 拉 强 度 吊 篮 总 质 量 为 使分 析 结 果 更 具 现 实 参 考 价 值 及 减 少 工 艺缺 陷 等 干 涉，对 吊 篮 模 型 进 行 合 理 的 简 化 假 设 如 下：（）各 零 部 件 上 的 材 料 视 为 密 度 均 匀 分 布 的 材 料，对 于各 零 部 件 上 的 焊 接 位 置 假 定 为 理 想 的 焊 接 状 态，不 存 在裂 纹、未 焊 透、夹 渣、气 孔 等 焊 接 制 造 缺 陷；（）焊 接连 接 关 系 通 过 绑 定 接 触、节 点 耦 合 及 焊 点 单 元 等 软 件 功能 单 元 实 现。在 对 吊 篮 模 型 假 设 简 化 后，根 据 设 计 参 数 施 加 相 应的 载 荷 与 约 束 如 表所 示。表施 加 的 载 荷 及 约 束载 荷 及 约 束施 加 情 况 型 结 构 处 重 力 加 速 度：底 板 均 布 载 荷 根 据 （高 处 作 业 吊 篮）；结 合选 用材 料 性 能 属 性 知，当 时，许 用 应 力 ；在 吊 篮 正 常 工 作 情 况 下，安 全 系 数取，故 其 许 用 应 力 。由 图所 示 的 有 限 元 分 析 可 知，当 吊 篮 采 用 初 始 设计 参 数 时，正 常 工 作 状 态 下 其 最 大 等 效 应 力 为 ，最 大 等 效 应 力 出 现 在 其 底 部 等 边 角 钢 的 连 接 焊 缝处，实 际 吊 篮 制 作 过 程 中 可 通 过 焊 接 工 艺 消 除 这 部 分应 力。图吊 篮 工 作 状 态 下 变 形 云 图（单 位：）图吊 篮 工 作 状 态 下 等 效 应 力 云 图（单 位：）年月 机 电 工 程 技 术 第卷第期图吊 篮 工 作 状 态 下 安 全 因 子 云 图另 当 吊 篮 平 台 底 板 上 施 加 额 定 载 荷 承 载 时，最 大 变形 量 应 满 足 不 大 于 平 台 长 度 的，根 据 有 限 元 分 析得 知 最 大 变 形 量 ，出 现 在 底 板 前 部。故 初 步 设 计 的 吊 篮 满 足 实 际 使 用 要 求。设 计 优 化 分 析根 据 初 始 设 计 参 数 可 知，正 常 工 作 状 态 下 的 吊 篮，其 最 大 变 形 量 及 等 效 应 力 均 满 足 设 计 使 用 要 求。但 是，其 总 质 量 约 为 ，在 隧 道 内 施 工 作 业 不 利 于 搬运、安 装 及 拆 除，给 施 工 作 业 造 成 一 定 的 不 便。现 对 其进 行 相 应 的 设 计 优 化 分 析，满 足 吊 篮 作 业 安 全 性 前 提 下，尽 量 减 轻 其 质 量，利 于 搬 运、安 装 及 拆 除。由 于 吊 篮 结 构 所 用 焊 接 圆 管 较 多，现 主 要 通 过 改 变焊 接 圆 管 的 壁 厚 来 实 现 吊 篮 的 轻 量 化 设 计 要 求。查 阅 对应 国 家 标 准 并 结 合 实 际 经 验，在 表中 选 择 焊 接 圆 管 的壁 厚，确 定 需 要 的 圆 管 规 格 参 数。根 据 相 应 国 家 标 准 ，在 选 择 第一 系 列 中 不 同 的 焊 接 圆 管 的 壁 厚 时，吊 篮 在 工 作 状 态 下的 变 形 量、等 效 应 力 及 质 量 随 焊 接 圆 管 壁 厚 变 化 的 曲 线分 别 如 图所 示。表 的 焊 接 圆 管 壁 厚 标 准 的 焊 接 圆 管 壁 厚 标 准 第 一 系 列 图变 形 量 随 壁 厚 变 化 曲 线 图等 效 应 力 随 壁 厚 变 化 曲 线根 据 响 应 面 优 化 分 析 可 知，在 设定 条 件 为 质 量 较 小，等 效 应 力 在 以 内 及 安 全 系 数 较 高 的情 况 下，取 得 的 优 化 解 分 别 为、。结 合 变 形 量、等 效 应 力 及 质 量 与 壁 厚 变 化 的 曲 线 图图质 量 随 壁 厚 变 化 曲 线（即 图）可 知，选取 焊 接 圆 管 壁 厚 为 作 为 最 优 化 结果，此 结 构 下 施 加 表中 给 定 的 载 荷 及 约 束后，吊 篮 的 受 力 状 况如 图所 示。图吊 篮 工 作 状 态 下 变 形 云 图（单 位：）图吊 篮 工 作 状 态 下 等 效 应 力 云 图（单 位：）图吊 篮 工 作 状 态 下 安 全 因 子 云 图樊 建 生，陈 鑫 鑫：基 于的 三 臂 凿 岩 台 车 便 拆 式 吊 篮 仿 真 设 计通 过 设 计 优 化 之 后 的 吊 篮，其 质 量 为 ，最大 等 效 应 力 为，小 于 其 许 用 应 力 ，最 大 等 效 应 力 出 现 在 底 部 等 边 角 钢 的 连 接焊 缝 处，实 际 吊 篮 制 作 过 程 中 可 通 过 焊 接 工 艺 消 除 这 部分 应 力。优 化 后 的 吊 篮 在 模 拟 工 作 状 态 下，最 大 变 形 量 为 ，出 现 在 底 板 前 部，且 最 大 变 形 量 。故 满 足 设 计 使 用 要 求。优 化 前 后 的 吊 篮 相 应 参 数 对 比 如 表所 示。表优 化 前 后 的 吊 篮 参 数参 数优 化 前优 化 后额 定 承 载 焊 接 管 型 号 质 量 最 大 等 效 应 力 最 大 变 形 量 现 场 工 业 性 试 验为 提 高 软 弱 围 岩 隧 道 开 挖 效 率、提 高 三 臂 凿 岩 台 车 工法 适 应 性、降 低 隧 道 钻 爆 开 挖 超 挖 量，满 足 全 断 面、两 台阶、三 台 阶 法 隧 道 施 工 要 求，中 铁 隧 道 局 于