巨型液压钢模台车设计制造与运用.pdf

水利水 电施 工 2 0 1 1 第 2期 总第 1 2 5期 l 6 0 0 0 2 0 0 2 0 图 1 液压 台车正视 图 单位 mm ． J ． l 1日 I 一 ● 葡 I ． _ _ _ 。{目 Il ’ I l m l l l V V ‘ 荨 ／ k ／ ＼ ＼ 2 V V 1V V 一 i f ／ ＼ ／ ＼ 荨 ／ ＼ ／ ＼ ∥ V V V V i ∥ 虽 H lIl JlI I I 9 5 图 2 液压 台车侧视 图 单位 mm 通过铰耳销轴连接。每节模板做成 1 ． 5 m宽，环向由 9节 组合而成 ，纵向由 8节组合成 1 2 m衬砌长度，模板之间 皆由螺栓连接 。模板上开有呈 “ 品”字形排列的工作窗， 顶部安装有与输送泵接口的注浆装置。 3 ． 2 托架总成 托架主要承受浇注时上部混凝土及模板 的自重，它 上承模板，下部通过竖向液压油缸和支承千斤传力于门 2 0 架总成上。托架总成由4根纵梁、2根边横梁、8根中横 梁及 9 排 5 4根立柱组成 。 3 ． 3 平移机构 液压台车平移机构前后各两套，它支承在 门架边横 梁上 。平 移小车上前后 4支竖 向液压油 缸 GE 2 2 0 ／ 1 2 0～ 3 0 0 与托架纵梁相连，可承受 2 0 0 t 左右的模板 自重，通 过油缸的收缩来调整模板的竖 向定位及脱模 ，其调整行 程为 2 0 0 mm。水 平 方 向上 的 油缸 GE 1 2 5 ／ 6 34 0 0 用 来调整模板的衬砌中心与隧道 中心是否对中，左右可调 行程 为 2 0 0 mm。 3 ． 4门架 总成 门架是整个 台车 的主要 承重构 件，由钢 板焊接 ， 它由 2 4根横 梁、1 2根立柱及 2根纵梁通过螺栓连 接 而成 ，各横梁及立 柱间通 过连接梁及斜拉杆连接 。门 架横梁及立柱由钢板焊接成工字形截面 。纵梁采用 箱 形截面 ；门架采用 空间框架结构 ，分上下两层 ，每层 尽量考虑制造 的统一和安装 的方便。由于 门架高度大 ， 为方便人员上下安全，门架前后左右设计有 4套转折式 工作梯装置。为保证整个门架 的强度、刚度和稳定性 ， 必须对台车 门架进行准确 的载荷分析及可靠的有限元 计算。 3 ． 5 行走机构 台车主、从行走机构各四套，它们铰接在门架纵梁 上 。主行走机构 由 Y型 电动 机驱 动摆 线针 轮减 速器 减速 后，再通过一级链条减速，其行走速度为 6 ． 5 m／ rai n ，行 走轮直径为 4 0 0 mm。为保证台车能在弯道上运行 ，将门 架及行走装置设计成 6 m6 m左右对称 ，既可 6 m单独衬 砌，又可组合成 1 2 m衬砌。为实现四套驱动装置 同步， 采用四台电动机同时启动。为满足工况要求，电动机可 进行顺时 、逆时针运行 。 3 ． 6 侧 向液压油缸 侧向液压油缸主要是为模板侧向脱模 ，同时起着支 承模板的作用。侧向油缸 GE 1 0 0 ／ 6 34 0 0 左右各分 3 层布置，每层 4 根油缸 ，两侧共选用 2 4根油缸。 3 ． 7 侧 向螺旋千斤 安装在门架立柱上的螺旋千斤用来支承、调节模板 位置，承受灌注混凝土时产生 的压力。侧 向螺旋千斤 O mm左右各分 1 4层布置，每层 6根，两侧共选用 1 6 8 根 千斤 。 3 ． 8 托架螺旋千斤 它主要为改善浇注混凝土时托架纵梁的受力条件， 保证托架总成的可靠和稳定 ，将全部顶模的混凝土载荷 和全部模板 自重传给下部的 门架。托架 支承螺旋千斤 l O O mm布置在 4根托架纵梁的下面 ，每根纵梁下 6 根，共选用 2 4根千斤。 3 ． 9门架螺旋千斤 门架支承螺旋千斤 ] 0 0 mm布置在 2 根大型门架 纵梁的下 面 ，每根 纵 梁下 4根 ，共 选 用 8根千 斤 。台车 工作时 ，它顶在 轨道 面上 ，承受 整个 台 车和 混凝 土 的重 量 ，以改善门架纵梁的受力条件，保证台车工作时门架 的稳定 。 3 ． 1 0 液压系统 台车布置三套液压系统。每套系统采用三位四通手 动换向阀进行换向，来实现油缸的伸缩，带动模板的就 位 。左右侧 向油缸共采用 6个换 向阀控 制两侧 水平 2 4个 油缸的动作 ；8个竖向油缸各用一个换 向阀控制其动作； 4个小车平移油缸各用一个换向阀操作。为保证顶模板不 致下降，利用双向液控单向阀对 8个竖向油缸进行锁闭， 采用高压球阀调节油缸的运动速度。 3 ． 1 1 电气系统 电气系统主要 对油 泵 电动机 的起 停及 行走 电动机 的 正反向运行进行控制。行走电动机设有正反转控制及过 载保护。 4门架结构有 限元分 析 4 ． 1 顶模载荷分析 4 ． 1 ． 1 顶模载荷计算 顶部模 板受力 简 图如 图 3所 示 。假设混 凝 土厚 度为 最大开挖厚度 2 ． 0 m，因台车设计成 6 m6 m，取一半衬 砌长度 6 m。衬砌时上部整个混凝土的自重由上部圆弧模 板承受，即图中的阴影部分面积，由 AB C D四点构成阴 影面 ，其面积 由两部 分组成 ，即中间扇形 圆环 S 加两边 三角形 AB O减去圆心角为 9 ． 5 3 。 的扇形后的 S z组成，经 计算混凝土 自重为 6 6 3 ． 7 1 t 。 图 3顶模 板结构受力示意 图 4 1 ． 2 顶模板竖 向载荷 一 半台车全部模 板及托架 自重为 7 3 t ，顶模板 通 过托架 总成承受整个上部模板的载荷 ，而 4根托架 纵 混凝土工程 梁有 1 2个 支 承点 承受 竖 向载 荷并 作 用在 门 架上 横 梁 上 。 混凝土及模板 自重通过 四根纵梁承受 ，假定每根纵 梁的受力相等，则单根纵梁受到的总合力为 1 8 4 ． 1 8 t 。 每根纵梁有 3个支点 ，通过结构受力分析可知，中 间的 1 个支承千斤承受压力较两边的油缸受力大，两边 油缸承受的力只相当于一个千斤承受的力。因此，竖向 千斤承受的轴向载荷为 9 2 ． 0 9 t 。由于顶模 2 m衬砌厚度是 分层浇注，上部浇注时下部已初凝；同时顶模浇注时， 边模已完全初凝并对顶模有支承作用，因此，门架上横 梁上的4个集中载荷就只有计算的一部分。根据实践经 验，取其载荷的一半能满足使用要求，则 门架上横梁上 的 4个集中载荷为 4 6 ． 0 S t 。 4 ． 2 边模载荷分析 4 2 ． 1 边墙侧压 力计 算 台车边模板左右对称，结构及受力完全相同。边模 板只考虑浇注时的侧压力对其影响。边墙的侧压力取为 4 ． 7 t ／ m 。 ，偏 于安 全。 根据国内行业标准有关侧压力计算公式，采用内部 振捣器时，新浇混凝土对钢模板的最大侧压力 F按下式 计算 F一 0 ． 2 2 r t 0 卢 l 。 式 中F 混凝土侧压力 ； r混凝 土的密度 ，2 ． 4 5 t ／ m。 ； t 。 新浇混凝土 的初凝时 间，取 5 h ； 外加剂影响系数 ，不加外加剂时取 1 ． 0 ，掺 具有 缓凝作用的外加剂时取 1 ． 2 ； 混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于 3 c m时取 0 ． 8 5 ；当坍落度为 5 ～9 c m 时取 1 ． 0 ；当坍落度为 1 1 ～1 5 c m时取 1 ． 1 5 ； 旷一 混凝 土的浇筑速度 ，取 1 ． 5 m／ h 。 将上述各值代入，F4 ． 5 6 t ／ m2 。 4 ． 2 ． 2 边模板水平载荷 由于衬砌长度为 1 2 m，边模板直墙段高为 1 9 m，则 边模板水平载荷合力经计算为 1 0 7 1 ． 6 t 。假设上述侧向载 荷合力由6排门架的8 4 个支承千斤承担，而中间 4排门 架 承受 的力是两边 承受 的力 的 2倍 ，因此 中 间 4排 门架 承受 的力最大 ，则 中间每组 门架承受 的力 为 2 1 4 ． 3 2 t 。假 设每组门架载荷各由每侧的 1 4支千斤平均承担，则 门架 上每个千斤受力点的集中载荷为 1 5 ． 3 1 t 。 4 ． 3 门架结构有限元计算 根据上述台车门架结构两种工况下的载荷分析 ，进 行了两次计算 一是在侧向载荷作用下门架的强度和变 形，门架两侧每个点受到水平千斤集中载荷 1 5 ． 3 1 t 作用， 门架上横梁四个竖向集中载荷仅有模板 自重，可不考虑； 二是在竖向载荷作用下门架的强度和变形，门架上横梁 受到四个竖向集中载荷 4 6 ． 0 5 t 作用，侧 向每个千斤顶作 21 水利水 电施 工2 0 1 1 第 2期 总第 1 2 5期 为约束 。应用 三维软件 Au t o d e s k I n v e n t o r P r o f e s s i o n a l 对 门架进行实体建模，应用有限元软件 AN S Y S技术对门架 进行应力分析，模拟结构在载荷条件下 的表现。侧向载 荷作用下门架结构受力状态见表 1 及图 4 ，竖向载荷作用 下 门架结 构结果见表 2 及 图 5 。 表 1 侧 向载荷作 用下 门架结构结果 名称 最小值 最大值 等效应力 MP a 1 ． 1 0 5 1 0 -2 6 9 ． 4 最 大主应 力 MP a 1 6 ． 4 1 5 8 ． 4 1 最小主应力 MP a 一7 3 ． 4 8 9 ． 9 8 4 变形 mm O ． O 1 ． 3 3 8 安全系数 2 ． 9 8 3 安全 图 5 竖 向载荷作 用下门架等 效应力 图 安装 前必 须 在洞 顶超 挖 宽度 1 ． 5 m、 比最 大衬 砌 厚 度大 l m左右的顶部空 间，布 置承重 锚杆，保证 每个 点不低于 5 t 的承载拉力 ，锚杆连接起 吊滑轮、葫芦和 挂钩 ，在地 面卷 扬机 的牵 引下 ，对 台车 各部 件进 行 起 吊 。 台车安装顺 序是平整地 面、铺设轨道 、安装行 走装置 、安装 门架 总成 、平移机构 、托架总成 ；再安 装 顶模 、左 右 边 模 、各 种 支 承 千 斤 ；布置 液 压 管 道 和 液压系统 ；最后对结构进行检测和调试 ，达 到使用要 求 。一 台台车安排两班共 2 6人 ，历 时 3 0 d ，顺序安装 完成 。 图4 侧向载荷作用下门架等效应力图 6 施工评价 表 2 竖向载荷 作用下 门架结构 结果 名称 最小值 最大值 等效应力 MP a 1 ． 1 2 8 1 0 - 3 9 3 ． O 6 最大主应力 MP a 一2 5 ． 9 4 1 O O ． 4 最小主应力 MP a 一8 9 ． 9 4 2 7 ． 8 3 变 形 mm 0 ． O 2 ． 5 5 5 安全系数 2 ． 2 2 4 安全 5 台车安装 为保证台车的顺利运输，台车设计时将充分考虑山 区公路运输条件，最大结构件长度控制在 6 m以下，模板 最大结构件重量控制在 5 t ，长度控制在 7 m以下 ，让所有 部件都能通过汽车运输 ，安全到达工地。台车部件运输 到洞内安装场地，直接在隧洞衬砌的起始位置进行安装， 安装前精心组织，对所有安装人员进行技术培训 ，特别 是对 2 0多米高空作业的安全需要重点强调，配齐各种安 全所需的工具和设备。 2 2 1 顶模与最高点 边模 的连 接需要 改进。由于边 模直墙近 2 l m高 ，模板 自重大，边模 与上部顶模 的连 接采用销轴铰耳 。因此，顶部焊接铰耳的钢板，在巨 大的重力作用下变形比较大。对于高度超过 l O m 以上 的 电站 台车 ，此 处 设 计 必 须 加 强 ，可 采 用 局 部 箱 型 结 构等。 2 直墙模板 的整体 刚度 还需提 高。边墙 模板分 成三段 ，每段近 7 m高 ，由于 台车 高度大 ，竖直方 向 的垂直度很难达到铅垂 。虽然每段之间采用油缸及螺 旋千斤定位能满足施工质量要求 ，但模 板的刚度特别 是上部 模板 的整体 刚度 还需 加强 ，制造精 度 也需要 提高。 3 通过有限元分析计算和使用结果表明，台车整体 设计合理，结构可靠 ，但部分 门架结构偏强，结构可适 当优化。 电站每条尾水隧洞投入两台台车 ，于 2 0 0 7年底开工 使用，中途 由于 2 0 0 8年 5月 的地震原 因停工 4个月， 2 0 0 8年 1 2 月顺利衬砌完工第一条隧洞。第一条隧洞完 工后，台车分别重新拆 、装一次，转移到第二条 隧道 ， 于 2 0 0 9年 5月动工衬砌，2 0 0 9年底前全部施工完毕。