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盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程


盾构隧道高精度盾构管片钢模设计过程 (中铁装备----上海项目内控资料)
2015 年,上海某厂在消化吸收日本钢模设计、制造技术后,率先试制成功国产新一代高 精度钢模,随后国产高精度钢模进入快速发展阶段,并日趋成熟,部分厂家生产的钢模已经 达到世界先进水平。 一、钢模技术要求 盾构机和管片是控制盾构隧道质量的两大要素,管片质量的好坏直接影响了盾构机掘进 控制、管片拼装质量以及成型后隧道的结构性能,防水性能和耐久性,在隧道使用阶段,管 片质量是第一位的。影响管片生产质量的最主要因素是管片钢模。 管片钢模与普通的钢模板有明显差别,其技术要求具有高精度性,坚固耐久性,易操作 性。 根据《GB50299-1999 地下铁道工程施工及验收规范》对钢筋混凝土管片的精度要求可以 确定对钢模的精度要求,主要为表 1 中的五项检测项目:钢模宽度、钢模高度、钢模内外径 弧弦长、纵向环向芯棒中心距、纵向环向芯棒孔径。 表 1 钢模的精度要求 序号 1 2 3 4 5 检测项目 钢模宽度 钢模高度 钢模内外径弧、弦长 纵向、环向芯棒中心距 纵向、环向芯棒孔径 外径≦11.0M 允差 (mm) ±0.25 0~+2 ±0.35 ±0.3 ±0.1 外径>11M 允差(mm) ±0.35 0~+2.5 ±0.5 ±0.4 ±0.2

出于成本、精度等多方面考虑,工程应用的管片钢模一般需生产 1000 环管片,反复的开 合模、振捣等操作,加上国内一般采用蒸养工艺来加快钢模周转速度,使得其使用环境十分 恶劣,这些都对钢模的耐久性是个极大的考验。而作为一件工业装备,操作的方便性是其必 须具备的属性。 二、钢模设计 2.1、管片形式介绍 地铁采用了常见的 1200mm 宽幅的管片,外径为 6200mm,内径 5500mm,管片厚度 350mm。每环衬砌环由 6 块管片组成(见) ,其中 1 块封顶块(K) 、2 块邻接块(B1、B2) 、3
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块标准块(A1、A2、A3) 。为满足曲线地段线路拟合及施工纠偏的需要,专门设计了左、右 转弯楔形环,通过与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。衬砌环纵、环缝采用弯螺栓连接, 其中每环纵缝采用 12 根 M30 螺栓,每个环缝采用 16 根 M30 螺栓。为保证管片的防水、拼 装及结构受力需要, 衬砌制作及拼装应达到一定的精度。 管片制作及拼装允许误差应满足 《地 铁设计规范》 (GB 50517—2003)的有关要求。单块管片制作的允许误差为:宽度±0.3mm; 弧弦长±1.0mm;环向螺栓孔及孔位误差±1.0mm;厚度±1.0mm。工厂每生产 100 环管片应 抽检 3 环作水平拼装检验, 三环水平拼装允许误差为: 环缝间隙 0.6~0.8mm; 纵缝间隙 1.5~ 2.5mm;成环后内径-1~+3mm;成环后外径±3mm;纵向螺栓孔孔径、孔位分别为±1mm。

A

B

K

图 1 三种不同形式的管片与成环效果(略去手孔与连接螺栓孔)

2.2、设计概述 为满足高精度的要求,钢模的型腔面采用数控加工中心加工获得。耐久性与易操作性的 要求通过合理的结构设计来满足。所以钢模设计其实是一般的模具设计与钢结构设计、机械 设计的交叉领域,其设计难度较一般钢模板设计要高。 型腔的尺寸由管片外形尺寸确定,分型面(分开钢模能取出管片的面)的选取必须考虑 开模、脱模、合模的方便性。这部分属于一般模具设计范畴。

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图 2 钢模主体

一般的,钢模的结构主要由三大件(底座、两块侧模、两块端模)和相关构件组成(见 图 2) 。 钢模的结构设计主要是围绕三大件的设计,需考虑它们的定位方式和开启方式等。端、 侧模的开启方式有多种:侧模一般有平移和铰链翻合式开启两种方式;端模一般采用铰链翻 合式开启,也有采用底座弧面少量变形方式开启的。为使得各部分构件具有足够的强度,就 需要进行强度校核与变形计算,这部分就是钢结构设计的内容,通过合理的设计将三大件组 合装配为一个整体就涉及机械设计领域了。本次设计侧模采用平移装置进行开启,端模采用 铰链式开启。 钢模的在使用过程中的振动方式也是设计阶段必须考虑的问题,本次设计钢模将采用附 着式高频气动振动器进行振动。 传统的钢模设计主要仍停留在二维设计阶段,各零部件之间尺寸不存在关联,在频繁的 图纸修改过程中势必会出现前后尺寸不符、相互干涉的问题,而在设计阶段,设计人员无法 获得一个直观的产品形象,很难发现这些问题,这就引出了钢模设计的一个难点:对机加工 尺寸的确定。由于设计失误,造成钢模无法达到设计装配精度的情况是发生过的;另一个难 点是兼顾耐久性与易操作性进行结构设计,这主要是因为传统的手工计算校核效率低下,并 且对复杂构件计算难度较大。本文通过采用三维设计软件进行钢模设计,很好的解决了以上 两个难题,设计出的钢模现已用于生产。现将设计过程简要介绍如下。 2.3、型腔(机加工尺寸)设计 为获得型腔的尺寸,首先需要建立管片的三维实体模型。使用 Solidworks,运用拉伸与切 除工具,很容易便可获得管片实体造型。手孔与连接螺栓孔在此造型中并未体现,钢模上与
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之对应的模芯与芯棒将另行设计,并在后期装配到钢模主体上。 对管片模型运用拔模工具,或者进行向外抽壳,即得到型腔尺寸,见。通过合理选取分 型面,将型腔分为一个底弧面、两块侧面、两块端面(见图 3) ,这些零件将分别属于底座、 侧模、端模。在此基础上根据设计意图,确定好螺栓孔、定位销孔、止水槽位置,十分方便 的便得到了所有机加工所需的尺寸数据。

侧面 端面 底弧面

图 3 型腔面

2.4、结构设计 钢模的多次重复使用要求各型腔面板具有足够的刚度,因此必须进行强度加强,一般通 过在面板外侧设置纵横筋板的方式来达到这一目的。由于侧模、端模最终均要固定在底座上, 底座的设计最为关键,所以从底座开始进行结构设计。 2.4.1、底座设计 一般可以将底座分为弧面板、端板、侧墙板、底部支座、内部强度加强结构等结构部件, 底座设计不但要考虑其自身作为一个构件所应该具备的尺寸与强度,还应该考虑其与侧模、 端模如何配合。 弧面板作为弧形型腔面,除考虑尺寸设计外,还需考虑加工方式,上海流派的钢模一般 是通过卷板机初步卷板,然后在特制焊接工装上紧压组立来获得所需弧面,国内部分厂家还 对该弧面进行了数控加工,以获得一个精准的弧面,保障弧面本身的尺寸,并方便端、侧模 的后期装配定位。在选材方面,该面板作为钢模上面积最大的单块型腔面,对强度要求较高,
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故选用了 Q345 的板材,为使钢模振动效果良好,必须使钢模具有一定的柔性,所以弧面板 的厚度又不能过厚,按实际使用效果,一般采用 12mm 厚板。 底座端板后期将与端模装配在一起。上海流派的钢模一般端板与弧面两端平齐,通过对 端板面进行数控加工,可以很好的获得装配基准。但这种钢模在实际使用过程中,弧面板以 下部位难于清理,影响合模精度。本次设计将该端板内移了 20mm,端模与底座的定位采用 可调式定位销,尺寸调好后再将定位销焊接、固定。

图 4 底座

图 5 底座内部结构(剖视图)

底座侧墙板的作用也十分重要。一方面,侧模后期将装配在底座上后,是与侧墙板直接 接触、配合的,通过对侧墙板上贴板的数控加工可以容易的获得宽度保证,另一方面,侧墙 板还给弧面板提供强度支撑。为防止弧面板使用过程中出现较大变形,需使侧墙板与弧面板 紧贴,因此侧墙板采用了激光切割获得,以此保证弧形边的精度。另外的,侧墙板高度将直 接决定底座高度,从而决定整个钢模的高度,为方便操作底座高度一般控制在 1m 左右(钢 模高度约 1.4m) 。 底座底部的支座主要提供结构方面的稳定性保障,一般采用槽钢或者工字钢焊接而成,
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本次设计采用槽钢焊接。 单纯这些外部功能性结构是无法满足强度要求的,底座很容易变形,必须在内部进行强 度加强。 对于弧面板的加强是采用了两块 100mm 宽的弧形筋板, 为保障底座的宽度需对侧墙 板进行强度加强,这通过在两块侧墙板之间设置三块竖向筋板实现,而在端板的中部设置了 一条横筋板来对端板进行强度加强。 本次设计的钢模将采用附着式振动器进行振动,振动器一般安装在弧面以下。为将振动 力逐步分散开来,在弧面下焊接了槽钢,振动器焊接在槽钢上面,以此加大受力面积,避免 弧面板受力集中时的变形。 2.4.2、侧模设计 1)结构设计 侧模结构主要由三部分组成:面板、筋板、支撑腿。侧模面板一般根据管片形状做成 扇形环,内侧将通过数控加工出型腔面,外侧根据结构与美观的需要布置适当的弧形筋板与 竖向筋板。整个侧模将通过支撑腿与平移开启机构连接,实现开、合模。 传统二维设计时,需人工计算整个侧板的刚度,整个过程较为复杂,而通过三维设计, 建立侧板的数字模型,通过有限元计算手段,可以很方便的获得整个侧模的受力情况、变形 情况,从而实现对结构的快速优化,在成本与性能中间找到合理的平衡点。

图 6 侧板面板的应力分布

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图 7 侧板形变展示(一)

图 8 侧板形变展示(二)

图 6~8 分别展示了侧板的应力分布与形变情况,为获得直观的展示,图像对形变进行了 夸张处理,图 8 显示,两个四分点的形变量最大,但也不超过 0.03mm。 2)侧模定位装置 为保证侧模合模精度,必须将其与底座进行定位,一般采用的是一种锥形定位销的装 置,通过凹凸面的配合来对侧模进行定位。 3)侧模平移开启机构 为实现侧模的平移,采用了如图 9 的一个开启机构,国内平移机构一般都是这种形式, 也有厂家采用直线轴承来做平移机构的。

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图 9 侧板横移装置

4)紧固螺栓 合模后,必须将侧模(以及端模)与底座进行紧固,遂在侧板上布置了适当的紧固螺栓, 为防止操作时将螺栓拔出,造成丢失,在紧固螺栓上添加了限位销。 2.4.3、端模设计 1)结构设计 大体设计思路与侧板相同,但由于采用铰链式开启,在设计铰链板时还需考虑开模角度, 避免产生“咬边”现象。 2)端板定位装置 由于底座端板内移了 20mm,端模无法像侧模样直接紧靠底座来完成装配,于是设计了 可调式的定位装置。

图 10 可调式定位销

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2.4.4、模芯、芯棒设计 模芯将会对应管片的手孔位置,而芯棒则对应连接螺栓孔。对模芯的设计主要要保证孔 位,另一方面要考虑脱模角度。模芯的制作方法一般有两种,一是采用铸件,二是采用焊接 件。前者在生产数量上达到一定规模时具有成本上的优势。芯棒设计时主要考虑与套筒的紧 固和密封。 2.4.5、盖模设计 由于采用附着式振动,盖板设计采用整体式,在两端依靠弹簧的弹性变形来方便的开启 盖板。出于安全方面的考量,在盖模上设置了安全销,在盖模开启到设计位置后将其锁死, 防止盖模倒下伤人。 2.5、配件设计 三大件的设计决定了钢模的主体尺寸,要将这三大件装配到一起,以实现钢模设计意图 还必须进行必要的配件设计,除了前文提到的侧模横移开启机构、定位销、紧固螺栓,配件 还包括端模开合装置、管片号、对接标记、安装标记、注浆孔模芯、芯棒压紧装置等。为确 定侧模、端模、模芯安装位置还必须进行样板设计。这些配件虽然对结构影响不大,但对合 模精度、易操作性却有着决定性的作用,因此配件设计也十分重要。

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侧板横移机构 ? ? 模芯 芯棒

? 锥形定位装置 ? 举重臂孔模芯座 ? 管片号

? ? ?

芯棒压紧装置 端板绞链座 端板开合装置 ? ? ? 紧固装置 密封条 铭牌

图 11 钢模配件
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三、与传统设计方式的对比

由于各个城市的管片形式一般均不相同,因此钢模是典型的定制化生产产品,设计工作 量很大,采用二维设计软件差错比较多,尤其是在老图纸修改过程中,错误比较多,采用三 维 CAD 可以大幅度地减少设计错误,提高设计效率。 三维 CAD 软件是制造业信息化建设的基础,只有采用三维 CAD 软件,设计的产品才能直 接导入计算机辅助分析软件(CAE)进行结构分析、振动频率分析;才能导入计算机辅助制造 软件(CAM)生成供数控机床使用的数控代码。钢模主体以焊接件为主,SolidWorks 的焊接 件设计模块能有效地提高焊接件的设计效率。 在对钢模设计深入了解后,利用 SolidWorks 的参数化设计特点和设计库功能,可以非常 容易地构建一套易于使用的傻瓜型钢模改型设计系统。设计人员只要输入相关参数后即可完 成钢模关键零部件的自动设计,大幅度提高设计效率。相对于传统二维设计方法,此种设计 方法一个最大的优点在于其可视化的效果,能够直观的展示设计者的设计意图,通过虚拟装 配,还可以提前发现错误,避免了设计上的失误。

图 12 地铁管片钢模设计展示

2015 年 3 月

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