新型调车平转桥的研制与应用.pdf

·设备／仪器·收稿日期：２０１４１１０４新型调车平转桥的研制与应用耿冬梅（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１０２６００）摘要为了提高工程车辆的施工效率，解决隧道内工程车辆快速调头的问题，研制了新型调车平转桥。介绍了新型调车平转桥的设计、制造及试验，并对重要部件和关键技术进行了重点描述。同时，结合新建北京地下直径线工程实例，介绍了调车平转桥的应用情况。关键词隧道工程车辆回转平台环形轨道双引桥内置式滚轮折叠功能中图分类号Ｕ４５５．３３文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１５）０１００４３０４ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｗｉｎｇＢｒｉｄｇｅｆｏｒＮｅｗＳｈｕｎｔｉｎｇＧｅｎｇＤｏｎｇｍｅｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｆｔｈＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖｅｈｉ设ｃｌｅｓｆａｓｔｔｕｒｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌ，ａｎｅｗｔｙｐｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｔｕｒｎｉｎｇａｒｏｕｎｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｓｔｏｆｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｔｕｒｎｉｎｇａｒｏｕｎｄｗｉｔｈｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｔｕｒｎｉｎｇａｒｏｕｎｄｉｎｔｕｎｎｅｌｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅｏｆＢｅｉｊｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｕｎｎｅｌ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｔｕｒｎｉｎｇａｒｏｕｎｄ；ｃｉｒｃｕｌａｒｒａｉｌ；ｄｏｕｂｌｅｏｂｌｉｑｕｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒａｐ设ｐｒｏａｃｈ；ｂｕｉｌｔｉｎｓｔｅｅｌ设ｗｈｅｅｌ；ｆｏｌｄｆｕｎｃｔｉｏｎ１引言目前，在国内隧道施工过程中，工程车辆一般从隧道口或施工竖井处取物料后行进数百米或者数公里至工作面，卸下物料后驶离工作面至取物料位置，如此往返。由于隧道横断面净空有限，当供应物料位置与作业面距离较短时，工程车辆可采取单进单出的方式完成物料倒运。若运输距离较长，车辆一般采取工作面附近隧道加宽处调头换向后正向驶离的方式实现其快速运输。工程车辆调头方式主要有３种：一种是借助于隧道加宽处依靠司机前后移动慢慢调头，单车一般需要１０ｍｉｎ左右，耗时较长影响施工效率，遇到车身长度与隧道横断面净空接近的工程车辆调头尤其困难，甚至不能调头；第二种是利用设置有单边引桥的转台车，该设备仅能实现车辆单桥上下，使用中仍有局限性；第三种是液压驱动的调车平转桥，施工效率较高，但长时间的应用也暴露出其体积庞大，维修困难，造价高等不足。为适应市场需求，中铁五院机械公司研制了新型调车平转桥，该产品重量轻、体积小，维修方便，解决施工效率问题的同时，提高了使用性能，又降低了工程投资。２项目概况北京铁路枢纽北京站至北京西站地下直径线工程±°·σ标，位于北京市中心区。隧道从前门东大街崇文门至前门地铁区间风道东侧起始，沿宣武门西大街往西至长椿街后拐至西便门桥、天宁寺桥、白云路桥北侧，斜穿白云路桥下至小马场附近出地面。隧道主要沿城市主干路布置。工程采用全新的收１１．９７ｍ泥水平衡盾构机由天宁寺桥处４＃竖井向东掘进。该施工标段全长６２２８ｍ，线路大致３４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·设备／仪器·呈东西走向，全线共设３个施工竖井。盾构隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片内径收１０．５ｍ。新型调车平转桥可利用的横断面净空仅为６５００ｍｍ（见图１），由于隧道内净空狭小，新型调整平转桥在保证使用性能的基础上要确保结构紧凑、体积小，为了方便转场运输，自重要轻。同时，易于现场人员维修保养，也能有效减少工程投资。图１隧道横断面（单位：ｍｍ）３技术方案与技术指标３．１技术方案新型调车平转桥放置在施工作业面附近。施工作业时，崇文门处σ≤竖井处供料，工程车辆装载物料之后运输物料一路向西最远数公里运送至作业面，驶上新型调车平转桥，启动调车平转桥动力装置，工程车辆完成调头换向，后退数米卸料，正向驶离工作面至供料位置，完成一个工作循环。为实现上述功能，新型调车平转桥结构主要由回转平台、环形轨道、引桥、走行机构等部件组成。环形轨道主要用于支撑回转平台和待回转车辆，并为回转平台提供回转轨道。回转平台是工程车辆的直接承载体，安装在其底部的滚轮通过电力驱动可沿环形轨道±１８０°范围回转。双引桥可根据车辆物流方向确定其安装位置，分别放置在预先规划好的需调头车辆的物流线路的驶入驶出位置，保证车辆双向行驶（见图σ）。图２新型调车平转桥总图３．２技术指标通过与用户沟通，在满足承载能力、快速调头等使用性能的情况下兼顾方便设备转场拖运，且具有良好的经济性。确定主要技术指标如下。（１）有效载荷：４０ｔ（器）回转速度：０～０．５ｒ／ｍｉｎ（３）回转角度：±１８０°（４）整机自重：１０ｔ（５）整机功率：６ｋＷ（６）驱动：４／８（７）电源：ＡＣ３８０Ｖ４重要部件与关键技术设计４．１回转平台的设计回转平台是载荷的直接承载体，是由工字钢主梁、工字钢辅梁和钢板组合而成的板梁结构。工字钢和钢板焊合成一体，平台安装内置式滚轮×组，滚轮采用电机驱动，通过变频控制可使回转平台沿环形轨道之轨道以０～０．５ｒ／ｍｉｎ的速度做±１８０°回转运动［１］。回转平台工作时，承受工程车辆由轮胎传来的轮压。为保证回转平台结构的安全性，对其结构的强度和刚度进行了计算和分析。充分考虑混凝土搅拌运输车的运行轨迹，找出最不利工况，通过ＭＳＣ．ＮａｓｔｒａｎＶ２００５．１计算程序进行受力分析。４．１．１有限元模型在有限元计算模型中，表面结构钢板所采用的单元为体单元，工字钢结构所采用的单元为板单元。单元大小合理配置，形状尽量接近正方形或正方体。有限元模型中考虑的主要构件参见图３～４。图３钢板结构图４工字钢结构４．１．２边界条件计算采用如图５所示的边界条件：在滚轮位置图５边界条件处一端施加约束，Ｔｘ＝Ｔｙ＝Ｔｚ＝０，Ｒｘ＝Ｒｚ＝０；另一端施加Ｔｙ＝Ｔｚ＝０，Ｒｘ＝Ｒｚ＝０。４．１．３载荷及工况结构自重：４２２７ｋｇ（模型重）。荷载：所采用的汽车荷载为三轴混凝土搅拌运输车，满载重４００００ｋｇ。４４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·设备／仪器·工况一：混凝土搅拌运输车满载，中、后轴轮胎压在平台中部（见图６）；工况二：混凝土搅拌运输车满载，前、中、后轴轮胎均作用在平台上。此时，日组滚轮轮压相等（见图７）。图６工况一荷载示意图７工况二荷载示意４．１．４计算结果与分析计算结果统计如表１所示。表１回转平台应力和位移计算结果统计工况及计算部位最大应力／ＭＰａ最大位移／ｍｍ挠跨比工况一面板１３４．０４．８５１／１０７２工字钢辅梁７６．９３．８８１／１３４０工字钢主梁１２７．０３．７９１／１３７２工况二面板１５１．０４．８６１／１０７０工字钢辅梁８２．４３．５４１／１４６９工字钢主梁１２４．０３．４３１／１５１６由上述计算结果可知：面板及工字钢最大应力均小于许用应力［σ］＝１６０ＭＰａ，挠跨比小于１／４００，回转平台结构的强度、刚度满足使用要求。４．２环形轨道的设计环形轨道是新型调车平转桥的主构架，用于支撑回转平台和载荷，为回转平台提供回转轨道，使用时支承于平整地面上。环形轨道由３个部件组成，各部件通过销轴和螺栓双重联接而成。左右部件围绕中间部件均可翻折的特殊设计既方便运输，又可使设备移位时减少占地空间（见图×）。图８环形轨道翻折状态考虑到环形轨道放置地面不平度的影响，个别部位需采取调整垫片对轨道面进行找平处理。为保证轨道强度刚度满足使用要求，在滚轮轮压作用下，轨道面最大变形为ωｍａｘ≤１ｍｍ时，不影响设备的正常使用，此时轨道最大悬空长度为Ｌ。已知：结构所用材料为Ｑ２３５钢，载荷产生的最大轮压Ｆｍａｘ＝１１．６ｔ；轨道断面惯性矩Ｉｘ＝３２６７ｃｍ４；最大距离ｙｍａｘ＝１２．９ｃｍ；杨氏模量Ｅ＝２１０×１０５Ｎ／ｍｍ２；最大弯矩Ｍｍａｘ＝Ｆｍａｘ·Ｌ／４。则有：ωｍａｘ＝ＦｍａｘＬ３４８ＥＩｘ最大变形：Ｌ＝３４８ＥＩｘωｍａｘＦ槡ｍａｘ≤１５ｃｍ此时，最大应力为：σｍａｘ＝ＭｍａｘｙｍａｘＩｘ＝σ＜［σ］＝１６０ＭＰａ强度满足使用要求。由上述计算可知：环形轨道底部调平时，为保证其安全使用，轨道悬空尺寸应不大于１５ｃｍ。４．３引桥的设计引桥是由工字钢和钢板焊合而成的板梁结构，工字钢和钢板焊接连接成一体，引桥具有一定坡度，便于车辆上下回转平台，同时满足工程车辆爬坡要求。为保证引桥安全，对引桥结构强度和刚度进行了计算和分析。找出混凝土搅拌运输车运行时最不利工况，计算程序为ＭＳＣ．ＮａｓｔｒａｎＶ２００５．１。４．３．１有限元模型在有限元计算模型中，工字钢结构所采用的单元为板单元，表面结构钢板所采用的单元为体单元。有限元模型中考虑的主要构件参见图９～１０。图９面板结构图１０工字钢结构图１１边界条件４．３．２边界条件计算采用如图１１所示的边界条件：在图示位置处约束，Ｔｘ＝Ｔｙ＝Ｔｚ＝０，Ｒｘ＝Ｒｙ＝Ｒｚ＝０。５４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·设备／仪器·４．３．３载荷及工况工况一：混凝土搅拌运输车满载，后轴轮与引桥接触面在引桥平台处（见图１２）；工况二：混凝土搅拌运输车满载，中、后轴在引桥斜坡近地面第一根横梁两侧（见图１３）。图１２工况一荷载示意图１３工况二荷载示意４．３．４计算结果与分析计算结果统计如表σ所示。表２引桥结构应力和位移计算结果统计工况及计算部位最大应力／ＭＰａ最大位移／ｍｍ挠跨比工况一面板８５．４０．６３３１／５２６工字钢７４．３０．２５９１／１２８６工况二面板１１５．００．９６８１／１０８４工字钢１２１．００．３４１１／３０７９由上述计算结果可知：面板及工字钢最大应力均小于许用应力［σ］＝１６０ＭＰａ，挠跨比小于１／４００，强度、刚度完全满足使用要求。４．４电气系统设计新型调车平转桥整机为电机驱动。控制系统变频技术的应用极大减少了因启、制动对设备产生的冲击，保证了回转平台转动时的平稳性和安全性，同时，也实现了对回转速度无级调节。电源采用三相四线制机外供电，动力线与控制线穿管保护不受损毁。为了方便解体运输及转场移位，电控箱与新型调车平转桥主机电路通过σ个航空快速接头连接，可实现人工快速插拔，操作简便。５制造安装试验完成全套图纸设计之后，中铁五院机械公司加工厂进行生产制造，严格按照制造工艺和质量检测检验标准，完成了厂内的制造、试装和验收，并进行了型式试验。试验证明，可移动式车辆回转设备的主要技术参数及指标均满足使用要求，符合产品技术设计预期目标，外形简约，工作可靠。６应用实例该产品已成功应用于中铁隧道集团有限公司北京地下直径线工程（见图１４）。整机设备自重轻，维护方便，显著提高了现场施工时的物料运输能力，缩短了物料的现场运送时间，方便了施工车辆的快速回转换向。新型调车平转桥的使用，对于保质保量如期完成施工起到了关键的作用。图１４施工现场照片７创新性该新型调车平转桥采用回转平台与环形轨道之间可相对回转的技术，解决了狭小区域内车辆原地回转困难的问题，实现了车辆的快速回转，提高了车辆的利用率。回转平台机构采用能够有效降低整机高度的内置式滚轮结构，实现了车辆低位回转，配合变频控制，增加了回转时的平稳性和安全性。环形轨道增设折叠功能，在转运或非使用状态能有效节省设备的占地空间，弥补了原设备体积庞大给施工带来的不便。新型调车平转桥采用双引桥设计，实现了车辆的双向行驶，提高了车辆的施工效率。８结束语为了满足以隧道为代表的狭小区域内车辆快速调头的要求，在消化吸收现有车辆调头施工技术的基础上经过再创新，结合现场使用实际，具体实施研发制造。经过厂内试验和现场实际使用表明，新型调车平转桥整体性能满足了施工需要，整机设计合理，操作简便，充分考虑了国内施工现场的工况和整机的经济性，很好的满足了狭小区域内车辆回转调头的需要。参考文献［１］张质文，虞和谦．起重机设计手册［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００１：９９－１１３．６４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）