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

【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。

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。

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。

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。

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。

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。

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M36-10.9螺栓最小拉力载荷：F拉力min=85T、F预紧min=51.5T；每个吊耳承载能力：F吊耳承载=40T；

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。

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：

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.