管片车结构优化技术

焦　爽

（中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南　新乡　453000）



管片车结构优化技术

焦爽

（中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南新乡453000）

摘要：管片车是盾构法施工中不可缺少的设备之一，主要负责运输混凝土管片。为适应国内市场管片车低廉的价格竞争，简化管片车生产工艺，优化管片车结构，减少钢材成本十分重要。基于此，主要借助仿真软件Solidworks Simulation对管片车结构进行优化设计，从而指导生产，提高利润。

关键词：管片车；结构优化；Solidworks Simulation；仿真分析

地铁隧道、通信及地下电缆的日益建设，盾构也在国内得到全速发展，盾构法施工相应的后配套设备也随之发展，管片车作为隧道施工后配套设备的一种，迫于国内市场低廉价格的压力，为保证销售利润保持不变甚至略有提高，管片车的结构优化就显得特别重要。此优化主要改进管片车车体结构，以减少管片车制作成本为目的，通过优化管片车车体结构，减少其所耗钢材重量，改善其制作工艺，从而降低制作工时，从材料成本与人工成本两方面节约成本［1］。优化前车体三维模型优化后车体三维模型见图1。将管片车中部异形板和面板拼接结构更改为型钢结构，简化拼接工艺，减小焊接时间，节约材料，利于生产。

1　15T管片车优化后长度方向受力分析计算

本文以15T管片车为主题进行优化设计。15T管片车参数如表1所示。

15T管片车轴距为2 600mm，轮轴与橡胶垫的距离为280 mm，如图2所示。15T管片车主要承载管片的重量，按15T管片重量计算，对管片车车体进行受力分析，作用于橡胶垫处两作用力分别为F，在力作用下，车体主要承受弯曲应力。

表1　管片车参数

图1　优化前车体三维模型优化后车体三维模型

图2　管片车长度

将管片车车体简化为简支梁，两轮轴处为固定支点，橡胶垫处为受力点，如图3所示。

图3　管片梁受力

图4　车体所受弯矩

根据图示计算如下：根据载重为15T计算

此管片车轴距方向为变截面，此处选取A-A、B-B、C-C 3个截面进行计算，这3个截面分别代表轴距方向各段截面（即0-280；280；280-2320段）的简化截面，A-A即HW200X200型钢抗弯截面模数，由GB/T 11263-2005查得单根HW200X200型钢抗弯截面模Wx=472cm3。

B-B与C-C如图5所示，利用caxa软件求得两截面抗弯截面系数分别为3 838cm3与1 817cm3，此处计算时忽略管片车结构因焊接后空间三维所造成的各截面中性面与计算所取中性面的差异，故简化计算存在一定误差。

图5　B-B与C-C截面

最大弯曲应力：

拉伸应力：

从结构上简单分析可知，弯曲应力产生的应力方向为正，拉伸应力产生的应力方向、载荷弯矩产生的应力分布为：F—15T管片对橡胶垫力；F1—F垂直于地面的分力；F2—F平行于地面的分力；Mmax—载重15T时车体所受最大弯矩，即车体两橡胶垫之间；σmax—载重15T时车体所受最大弯曲应力，即车体HW型钢段；σF—载重15T时车体所受拉伸应力；Wmin—各变截面最小截面抗弯模数［2］。

由以上分析可知，取2根HW200X200型钢抗弯截面模数Wmin=944cm3，Smin—车体轴距方向各变截面最小截面面积，即HW200X200型钢截面面积，由GB/T 11263-2005查得HW200X200型钢截面面积为S=63.63cm2；σS—Q235的屈服应力，由GB/T700-2006查得材料Q235的屈服强度为235MPa，即σS=235MPa；[σ]—Q235的许用应力，由可知，当n取2时，[σ]=235/2=117.5MPa。其n中，n为安全系数，当材料为塑性材料时，n=1.5～2.5，此处n取2。

2　15T管片车优化后轮轴方向受力分析计算

简化为简支梁，两轴承座为固定支撑点，橡胶垫理论上受均布力，但此处计算按受力最大情况进行计算，即受中间集中载荷，按此便可将轮轴方向结构简化为如图6所示。其中，支点为两轴承座中心，F作用于橡胶垫中点处。

图6　轮轴方向结构简化图

图7　车体所受弯矩

优化后车体主要承力结构如图8所示，根据caxa软件计算，此结构抗弯截面系数Wx=96.8×104mm3。

图8　车体主要承力结构

故两支点间最大弯矩：

此结构所受最大弯曲应力为：

3　管片车行驶中受力分析

管片车行驶时拉伸应力：

其中，F拉为行驶时管片车所受拉力；G管片车为行驶时的自重，即2 129kg；G管片为行驶时管片重量，即15T；μ为许用粘着系数（交流机车为0.20～0.33，取0.26）。由简化计算可知，15T管片车车体能够承受15T载重产生的弯曲应力，亦能够承受行驶时的拉伸力，管片车结构优化可行［3］。

4　Solidworks Simulation对车体结构进行仿真分析

为更清楚管片车在均布受力的应力情况，以下利用Solidworks Simulation对车体结构进行仿真分析，仿真结果见表2～8和图9～14。

4.1模型信息

车体结构的算例属性、单位、材料属性等信息分别见表2、3、4和表5。

表2　算例属性

表3　单位

表4　材料属性

表5　模型的具体属性

4.2载荷和约束

约束和载荷情况分别见表6、7和图9。

表6　车体的约束

4.3网格信息

网格信息见图10和表8。

图9　载荷和约束图

4.4算例结果

算理结果见图11～14。

表8　算例2网格信息表

图10　算例2网格信息图

图11　新型管片车体-算例2-应力

图13　新型管片车体-算例2-应变

图14　新型管片车体-算例2-安全系数

由以上仿真结果可以看出：所受最大应力为1.670 9e+ 007N/m2，即16.7Mpa；最大变形量为0.069mm，最大应变为7.031e-005，最小安全系数为13.2。仿真最大应力与简化应力不同原因在于将车体简化为简支梁计算时，车体结构与受力均作简化，在一定程度上将结构简化，将力作集中力，故简化计算时所求应力大于仿真分析应力。但两者结论一致，优化后强度和刚度满足设计使用要求，优化方案可行。

5　工业实际应用

实际应用过程中，鉴于国内项目常将管片车作为材料车使用，故在优化后的管片车结构基础上，在中部型钢结构处增加扁豆花纹板，作为材料存放处。优化后的管片结构在中铁一局、电气化局等多个项目上使用。（如图15）

图15　管片车的使用

6　结语

通过力学分析可以看出，优化后管片车强度、刚度均满足使用要求，并有一定安全系数。优化后的管片车减少耗用钢材重量，改善其制作工艺，从而降低制作费用，从材料成本与人工成本两方面节约成本，利于车间的加工制作。

参考文献：

［1］王乔能.Solidworks simulation结构有限元分析的应用浅析［C］.全国机械装备先进制造技术（广州）高峰论坛，第十一届粤港机械与电子工程技术应用研讨会［A］，2010.

［2］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］喻和春.地铁盾构施工后蓄电池矿用机车选型与车辆编组［J］.山西建筑，2009，35（28）：340-341.

中图分类号：U455.43

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0076-04

收稿日期：2015-12-28

作者简介：焦爽（1987-），女，本科，助理工程师，研究方向：盾构掘进机及隧道专用设备。

The Car Segment Structure Optimization Technology

Jiao Shuang
（China Railway Tunnel Engineering Equipment Group Equipment Manufacturing Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract:Segment car is one of indispensable equipment in shield construction,it is mainly used to transport con⁃crete segment.In order to adapt to low price competition in the domestic market,it is very important to optimize seg⁃ment car production process and structure and reduce the cost of steel.Based on this,this paper was optimized the structure of segment with the aid of simulation software,in order to guide the production and increase profits.

Keywords:car segment；structure optimization；solidworks Simulation；simulation analysis