台车设计方案.doc

模板台车技术设计方案
（一）概述
隧道钢模板衬砌台车是以组合式钢结构门架支撑大型钢结构模板系统，电动机驱动行走机构带动台车行走。利用液压油缸和螺旋千斤顶调整模板到位及脱模的隧道砼成型设备。它具有成本低，结构可靠、操作方便、衬砌速度快、隧道成型面好等特点，广泛使用在公路、铁路、水电、城市地铁等隧道施工中。本衬砌台车按武汉地铁二号线体~洪区间衬砌断面图来设计的。
（二）台车各部件组成
本台车是由模板总成、顶模架体总成、平移机构、门架总成、主行走机构、丝杠千斤顶、液压系统、电气系统等组成。
（1） 模板总成：模板由千斤顶和边模构成台车横断面。顶模和边模各分为两块，顶模之间及边模之间用螺栓连接，边模和顶模间采用铰接机构，用于立模和收模。模板总长为6m，分为四块，每块1.5m。由面板、法兰、加强角铁、加强弧形筋板等组成。模板上开有成品字型排列的工作窗，其作用为：①浇筑混凝土；②捣固混凝土；③涂脱模剂；④清理模板表面。另外在模板顶部安装有与输送泵接口的注浆装置。模板面板的厚度为10mm，两端法兰的厚度为10mm，宽为300mm，在圆弧方向沿纵向布置有∠75Χ75Х6加强角铁和A3δ8的加强立板。顶模下有以工25#、工18#及槽25#槽18#为主的顶部架体做支撑；边模纵长方向的边模通梁由槽钢对焊而成，配以丝杆与门架相连来保持边模的整体刚度；另外，在边模的下边设有对地丝杆，可以有效的防止边模的下边设有对地丝杆，可以有效的防止边模底部跑模现象。
（2）顶部架体总成：顶模架体主要承受浇筑时上部的混凝土及模板的自重。它上乘模板，下部通过支撑千斤顶传力于门架，顶模架体由三根纵梁和多根横梁及立柱组成。纵梁由钢板焊接而成工字型截面采用16mm板、10mm板和[22槽钢，横梁焊接为箱型，立柱焊接为箱型，立柱采用16mm板和10mm板 制造。
（3）平移机构：台车的液压平移结构前后各一套，它支撑着门架的上横梁，平移小车与顶模架体纵梁相联。平移机构水平方向前后各有一个油缸，用来调整模板的衬砌中心与隧道中心一致。
（4）门架总成：门架是整个台车的主要承重构件，它由横梁、立柱及纵梁通过螺栓连接而成，各横梁立柱及纵梁之间通过连接梁及斜拉杆和剪刀架等连接。门架的主要结构件由钢板焊接，横梁和立柱成工字钢的截面，纵梁采用箱型截面焊接而成。立柱和立柱之间加以[18连接，横梁之间采用∠75Χ75Χ6的角钢连接。
（5）主行走机构：台车行走机构由2个主动行走机构及2个从动行走机构组成。行走机构上与门架纵梁相连，电动机的型号为175型，电动机的功率2Х7.5kw，台车的转速为970r/min.
（6）丝杠、千斤顶：共分为几种，侧模丝杆、对地丝杆、台架支撑千斤顶、门架支撑千斤顶。
Ⅰ.侧模丝杠：安装在边模通梁和门架之间，用来支撑、调节模板位置，承受灌注混凝土时产生的压力。螺杆直径为Ф65mm。
Ⅱ.对地丝杠：作用是把浇筑混凝土时产生的压力传递到路面上，改善台车的整体受力条件，另外台架脱离时可起到支撑模板的作用。丝杠直径为Ф65mm。
Ⅲ.台车支撑千斤顶：它主要是为改善浇筑混凝土时台架纵梁时的受力条件，保证台车的稳定性和可靠性。螺杆的直径为Ф70mm。
Ⅳ.门架支撑千斤顶：它连接在门架纵梁下面，台车工作时，它定在轨道上，承受台车的重量和混凝土对台车的压力，改善门架纵梁及行走机构的受力条件，保证台车的工作时的稳定性。螺杆的直径为Ф75mm。
（7）液压系统：台车的液压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，左右侧模油缸各采用两联换向阀控制两侧的水平油缸的动作，四个竖向采用一个换向阀控制其动作。两个小车平移油缸采用两个换向阀控制其动作。利用机械锁对四个竖向油缸进行锁闭，可杜绝台车在衬砌时模板因竖向油缸外泄漏而下降。侧模油缸采用单向节流阀调节油缸的运动速度。当换向阀处于中位时，系统卸荷，防止系统发热，直回式回油滤清器和多联的集成阀块简化了系统管路，同时避免了系统泄露。
（8）电气系统：电气系统主要对行走电机的起、停及正反方向的运行进行控制，并为液压系统提供动力，行走机构设有正反方向控制和过载保护。
（三）台车的工作原理
1.台车行走采用电机减速器驱动系统，操作简单，动作灵活可靠。
2.收立模采用液压缸动作方式，可大大减少施工强度，使模板的各种动作的实现简单快捷;
3.工作窗与模板间采用螺栓调节，易开合，缝隙小；
4.注浆孔结构设计采用堵头的方式，使浇筑的混凝土不留任何缺陷，而且操作简单方便。
5.所有电气化元件符合国家标准，安全可靠。
6.所有液压元件。液压管路符合国家标准，不会出现泄漏、堵塞现象。立模、收模操作方便，迅速可靠。
7.堵头板采用角钢连接在模板法兰上的型式，可供施工方方便的安装挡头板。
8.设计图附后。模板台车按W=0断面进行设计。
9.模板台车的浇筑硂按7.5立方米/h，以衬砌硂厚度为0.45立方米计算浇筑完成需要5.96h
台车设计计算
(一)工程概况及其对钢模版台车设计要求
1.钢模台车的制作和安装需执行GB50204-92《混凝土结构工程施工及验收规范》中相关要求。
2.钢模台车设计成边墙顶拱整体浇筑的自行式台车形势，并满足施工设备的通行要求，最下部横梁的距离底板砼面净高不低于4m。
3.钢模台车的支撑系统尽量设计成一种高度可叠加的模块式结构使之能适应宽度为12m，高度为8～10m衬砌洞室要求。
4.钢模板台车的结构设计必须要有准确的计算，确保在重复使用过程中结构稳定，刚度满足要求。对模板变形同样要有准确的计算，最大变形值不能超过2mm，且控制在弹性变形范围内。
5.模台车的设计长度为6m，满足圆弧段的混凝土衬砌要求。
6.一般位置衬砌厚度为0.35～1m，钢模台车设计时，承载混凝土按1.0m，设计按2.0m校核。
7.模台车面板伸缩系统采用液压传力杆，台车就为后按丝杆承载，不采用行走轮承载。
8.为避免顶拱浇筑产生空洞，顶模需设置2～3个封拱器。
9.模和顶模两侧设计窗口，以便进入和泵管下料。
10.模板台车两端及其它操作位置需设置操作平台和行人通道，平台和通道均应满足安全要求。
11.控制尺寸钢模台车外形控制尺寸，依据设计断面和其他相关施工要求和技术要求确定。（见正视图）。
12.该隧道一般位置衬砌厚度0.4～0.5m，钢模台车设计时，承载混凝土厚度按1.0m设计，按照2.0校核。
13.下通行的施工机械控制尺寸 最高高度不低于4m。
A)台车轨距 2.8m
B)浇筑段长度 浇筑段长度 6m
14.模台车的设计方案
钢模台车的设计方案如图所示（正视图）。该台车的特点：完全采用液压式收模；电机驱动行走；横向调节位移也采用液压油缸。结构合理效果良好。

台车正视图
15.板设计控制数据
1、模板：控制数据（见下表）
项目
所对中心角
外沿弧长
（mm）
模板面积
（㎡）
每节钢模宽度（m）
顶拱模板
73.05°和64.4°
6358
38.15
1.5（每一段浇筑采用4节钢模板）
边拱模板
55.3°
6312
37.8

2、台车结构 台车净空高为5163mm，台车的净空宽为4939mm。
3、台车机械设备控制数据（见下表）

项目
单位
设计控制数据
升降油缸
缸内径
行程
杆径
零行程
额定压力
mm
mm
mm
mm
MPa
200
300
100
560
16
边模油缸
缸内径
行程
杆径
零行程
额定压力
mm
mm
mm
mm
MPa
90
300
45
560
16
行走机构
轨距
轮压
驱动力
mm
tf
tf
2800
20
50

16．钢模设计
钢模板的作用是保持隧洞衬砌混凝土的浇筑的体型及承担混凝土浇筑载荷。钢模板主要由面板、弧形板、支撑角钢、立筋板活动铰构成。
A) 设计假定：面板弧形板按照双铰耳设计，最大正负弯矩区采用加强措施；面板按四边支撑或三边支撑计算一边自由板计算。
B) 载荷及组合：顶拱钢模面板的计算载荷包括设计衬砌衬砌混凝土浇筑荷载、允许超挖及局部超挖部分的混凝土浇筑载荷和面板的自重等。
式中q——面板计算载荷
载荷
载荷组合
=262
设计衬砌混凝土 =5000
允许超挖部分回填 =500
局部过大超挖部分回填 =2157
同，加载部位有异 =2157
混凝土侧压力 =4800
面板
=7657
弧

形

板
设计情况Ⅰ（ 顶拱浇筑完成时）
=5762
设计情况Ⅱ（侧墙浇筑到顶拱时）
=4800
校核情况Ⅰ（中间1/4跨有局部超挖时）
=7979
校核情况Ⅱ（半跨有局部超挖时）
=10562

——面板的自重，按照初选面板厚度计算
——设计衬砌混凝土载荷，
——混凝土的容重，可采用
h——设计衬砌的厚度，已知为1m
——允许超挖部分的混凝土载荷，其值为500（按允许0.2～0.3m计）
——局部过大超挖部分回填的混凝土载荷（不包括允许超挖部分）为1.5m
——含义同，仅加载部位有异
——混凝土侧压力

R----内部插入振捣器影响半径，采用0.75m；
C---混凝土入仓对模板的冲击力，目前采用0.2
C）台车面板设计
3.1面板支撑情况：四边支撑板：a=20cm，b=150cm
3.2面板厚度见下表
支撑情况
a/b
按强度验算求
按挠度验算求
系数
（kgf·m）

(cm)
系数
（cm）

四边支撑
0.133
0.0047
0.0003
68.784
0.50
0.00082
0.69

根据计算结果，采用10mm钢板做面板效果更好。
4、 弧板及内部支撑设计：弧板采用钢板，宽度为200mm，加强筋为75Χ75Χ6的角钢，中心距为260mm。
4.1内力计算：参照双铰等截面直墙圆拱钢架梁内力计算公式，计算结果见下表（该表内力均以1m计）
载荷作用
支座反力
各种计算情况下是钢拱梁各截面的组合内力
θ（度）
0
20
76.8
106

=5762kgf/m
V=29.345
设计情况Ⅰ
M
-22.623
-16.527
24.814
14.976
H=2.021
N
26.989
23.693
2.606
4.281

Q
0
-8.624
-2.622
11.76
kgf/m
V=0
设计情况Ⅱ
M
23.126
16.953
-28.314
-28.105
H=0.288
N
2.022
5.333
28.105
27.549

Q
0
8.74
8.627
9.996
/m
V=6.745
校核情况Ⅰ
M
20.239
16
-20.431
-15.639
H=0.288
N
1.769
4.607
27.64
23.548

Q
-1.583
7.484
3.078
-15.639
kgf/m
V=2.087
合并情况Ⅱ
M
21.829
15.588
-20.423
13.109
H=0.1066
N
1.591
4.726
23.219
21.655

Q
0
8.32
2.479
-9.575
4.2弧板内部支撑截面选择（参照相关公式）。（见下表）
/8

——作用在支撑角钢上的线载荷，=qa（t/m）
L——支撑角钢的计算跨度1.5m；
a——支撑角钢间距，为280mm
——分别为对X轴的截面抵抗矩及截面性矩，计算截面包括支撑角钢每侧宽15的面板面积。
由于梁单元的最大变形量，即模板的最大位移：

通过上述分析计算可知，整个模板的强度是足够的。
下面的内力也满足要求。
选择的截面
计算截面
内力（kgf.cm.kgf）
截面应力
（kgf. ）
与比较
基本截面

设计情况Ⅰ
θ=
M=71022
N=2352
1041(外)
1632（内）

设计情况Ⅱ
M=720010
N=2836.8
1392(外)
1658（内）

最大正负弯矩截面

校核情况Ⅰ
θ=
M=1019836
N=892
1321(外)
1499（内）

校核情况Ⅰ
M=1117194
N=738
1448(外)
1655（内）

校核情况Ⅱ
θ=
M=-1049011
N=16928
1169(外)
1669（内）

校核情况Ⅱ
M=-1027567
N=16928
1169（外）
1673（内）

4.3弧板及内部支撑（θ=）截面处变形计算（参照相关公式）。见下表。
受力情况

比较
设计情况Ⅰ
2.1
1/715
1/400
<1/400
设计情况Ⅱ
-1.5
1/1000
<1/400
校核情况Ⅱ
2.5
1/600
<1/400(未考虑侧向混凝土抗力)

5、 活动铰耳设计：顶部模板活动铰耳仔截面。从内力计算表中可知活动铰耳一般在正弯矩区，仅设计区Ⅱ处于负弯矩区，而绝对值较正弯矩区小，所以活动铰耳设计采用该界面之最大力进行。活动铰耳承担该截面的剪力及由弯矩所产生的剪力，弧板和弧板之间用螺栓连接，螺栓主要承受剪力根据相关公式计算所得M=105162kgf.cm. N=7680kgf Q=7405kgf
项目
计算需要的直径
选用截面直径（mm）
螺栓
d12.4
16
模板销子
d25
40

（三）台车的结构设计
1、台车主架体设计：台车主架体结构按照等截面双铰多层钢架进行内力计算。根据运输条件、吊装力量和方便加工制造等因素，将主架体分为：底梁、立柱、门架横梁、门架斜支撑、门架纵梁、横梁直支撑、横梁直支撑斜拉杆、立柱斜拉杆等。按近似的框架结构简支梁进行计算。‹参照台车（正视图）›
车架选用截面

f
（cm）
焊制工字钢30#
横梁Ⅰ
990
530
0.7
焊制工字钢50#
立柱Ⅰ
1112
焊制工字钢50#
横梁Ⅱ
1458
2、台车托架设计 台车托架分为顶拱架和边拱托架。边拱托架结构简单、受力杆件按照简支梁记性计算：顶拱托架主要有顶纵梁、台梁、小立柱、小立柱拉杆等组成结构紧凑、受力效果好，按照框架结构简支梁进行计算。
（四）机械传动结构设计
1、垂直升降机械 垂直升降机械起固定支撑作用的采用螺杆式千斤顶，螺杆和丝母均采用梯形螺纹。起重螺杆的设计主要是对螺杆的直径确定，其次是对螺杆的自锁性及稳定性进行验算。根据工地使用特点，要求其中螺杆具有较大的刚度。
螺杆直径按压缩扭转和弯曲的复合应力来确定：

F= f=tg
螺杆螺母间的摩擦角大于螺纹的升角，可以保证自锁。根据台车自重及其他外力合计确定本台车所选用的丝杆直径为75mm，丝母的直径为110，螺纹型号为Tr10Χ。
2、水平支撑机械 水平支撑机械采用双头螺杆，它主要完成侧向模板的就位和固定支撑，也可以作为钢模板的横向细微调节使用。水平支撑螺杆在立模衬砌时压力较大。水平支撑机构螺杆的螺纹内径d按照下列公式进行计算在：

根据台车侧向收模力估算及其他外力合计确定本台车所选用的丝杆直径为65mm，丝母直径为90，螺纹型号为Tr10Χ。
3、行走装置设计 采用电机带动摆线针轮减速机和开式齿轮传动，带动主动轮，电动机与减速机直联式。
驱动计算中，因为钢模板台车在隧道洞中运行，可以不计风阻力；考虑到轨道铺设不平，洞内运行条件差，其驱动功率应适当加大；隧道的纵向坡度影响较大，必须详细计算驱动功率。

G——台车的自重，
——摩擦系数
——纵向坡度计算所得的角度，坡度按照最大计算。
选用2台5.5kw电动机、减速器同时驱动，采用制动器制动，速度控制在8m/min。
（五）液压传动机械的设计
1、液压千斤顶基本尺寸确定 根据钢模台车方案设计确定的参数（载荷、行程）进行计算;然后根据台车结构布置要求和操作，油缸基本参数与尺寸的规定，结合国内油缸标准、外径系列尺寸选取油缸直径。
1.1活塞杆直径d
式中Q为活塞杆上的推力。活塞杆长度根据行程及布置要求决定，其受压时的稳定验算和螺杆相同。
1.2油缸内径
不考虑背压影响时：
考虑背压影响时：Q= (推)

1.3油缸壁厚δ计算 一般按照薄壁公式计算

当时，按照壁厚公式计算

项目
单位
设计控制数据
升降油缸
行程
外径
内径
mm
mm
mm
250
200
125
边模油缸
行程
外径
内径
mm
mm
mm
300
125
45
平移油缸
行程
外径
内径
mm
tf
tf
200
100
45

主要参考书目
1、《机械设计手册》 机械工业出版社、化学工业出版社
2、《工程机械使用手册》 中国水利水电出版社
3、《新编液压工程手册》 北京理工大学出版社
4、《隧道衬砌模板台车设计制造标准规范》中国铁道部出版社