2024年3月14日发(作者：僪振)

DESIGN & CALCULATION

设计计算

超大直径盾构机主驱动吊装工装的设计及应用

何 聪，赵 茜，袁文征

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

［摘要］随着城市轨道交通建设的蓬勃发展，盾构机作为当前隧道施工的主要设备起着越来越重要

的作用。盾构机主驱动总成在组装过程中的翻身及吊装是极为重要的关键步骤，尤其是超大直径盾构机

主驱动总成具有直径大、质量重等特点，简单的焊接式吊耳已无法完成大直径盾构机主驱动总成的翻身

及吊装工作，超大直径盾构机主驱动吊装工装的设计通过上、下翻架能够方便、快捷地完成主驱动的翻

身及吊装工序。该主驱动吊装工装的设计为超大直径盾构机的发展应用提供了技术基础。

［关键词］超大直径盾构机；主驱动；吊装工装

［中图分类号］U455.43 ［文章编号］B ［文献标识码］1001-554X（2018）10-0076-05

Design and application of hoisting equipment for main driving of

super large diameter shield machine

HE Cong，ZHAO Qian，YUAN Wen-zheng

目前，世界范围内采用盾构施工的隧道工程

建设主要表现为隧道断面、长度和埋深不断增大等

特点，随着城市化建设的发展，在城市密集区狭小

空间内进行超大型隧道施工已成为当前隧道发展的

新趋势

［1］

。超大直径盾构机相关技术及配套设备

的研究也将成为研究的热点。盾构机工厂组装调试

完成后需要在短时间内完成拆机、转场、组装，

吊装的工期紧，难度大

［2］

。主驱动总成作为超大

直径盾构整机中单体最重的部件之一，主驱动总

成的吊装成为组装阶段的关键工序。方便、可靠、

适用、经济的吊装工装可节省资源，降低吊装成

本，具有重要意义

［3］

。本文依托国内自主研制的

坏

［4］

。在设计之初，对主驱动总成进行详细建模

分析，精确计算出主驱动总成的重量及重心位置。

吊装工装主要由上翻架和下翻架等结构件组成，

上、下翻架分别通过双头螺柱与驱动箱和驱动盘连

接，如图1所示。

上翻架

主驱动总成

φ

12.14m最大直径土压平衡盾构机项目，设计了由

上翻架和下翻架组成的主驱动吊装工装，在该项目

中成功应用并在后续项目中成功推广。

下翻架

1 吊装工装的结构组成

本设计依托国内自主研制的

φ

12.14m最大直

径土压平衡盾构机项目，主驱动总成为盾构整机中

单体重量最大的部件，总重约250t。在进行大型部

件吊装过程中，需对部件受力进行科学、周密的计

算，否则会对所吊的大型装备造成极为严重的损

图1 吊装工装的结构示意图

DOI:

10.14189/1981.2018.10.008

［收稿日期］2018-05-02

［通讯地址］何聪，河南省郑州市经开区第六大街99号

76

建筑机械

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

2018/10总第512期

2 吊装工装的设计

2.1 吊装工装的结构功能设计

结合主驱动总成的结构特点及吊装过程的工

序要求，吊装工装由上翻架和下翻架两部分组成。

上翻架和下翻架分别通过双头螺柱与驱动箱和驱动

盘连接，方便工装的安装及重复利用。由于驱动盘

与驱动箱相对运动，上、下翻架安装之前需注意驱

动盘与驱动箱的相对位置，保证吊装工装顺利安

装。上、下翻架的结构分别根据各自功能需要进

行特殊设计，上翻架主要用于主驱动总成的竖直吊

装，多用于与盾体组装阶段，承受主驱动总成的全

部重量；下翻架主要辅助上翻架完成主驱动总成的

翻身及水平调运，主驱动重量大，翻身时通过下翻

架在地基上翻转完成主驱动的翻身工序，下翻架耳

板设计

R

4000的圆弧半径。

2.2 吊装工装的有限元分析

吊装工装的基体材料采用低合金结构钢

Q345B，材料特性如表1所示

［5］

。吊装工装耳板厚

度为100mm，法兰板厚度为60mm。

表1 Q345B物理性能

屈服点

σ

s

/MPa

厚度/mm

≤16

≥345

16～35

≥325

35～50

≥295

50～100

≥275470~6302060.3

抗拉强度

σ

s

/MPa弹性模量

E

/GPa泊松比

μ

计算采用的有限元模型是应用SolidWorks与

ANSYS的接口程序从SolidWorks中直接导入到AN-

SYS Workbench环境中

［6］

。在ANSYS Workbench

平台上对工装的实体模型进行有限元网格划分，网

格大小为50mm，分别对吊装工装的2种工况进行

分析。具体分析如下：

工况1：竖直吊装，上翻架承受主驱动总成的

全部重量，共约250t。

上翻架4个吊耳的受力左右对称，仅对2个吊

耳的受力边界进行计算。依据标准EN13889 RR-

C-271

［7］

，弓形卸扣与钢丝绳的夹角保证为5°，

分别选用2根4.5m和4.63m的钢丝绳进行吊装，如

图2所示。

吊耳1的受力边界条件为

图2 上翻架的吊装示意图

X

X

吊耳1

19°

7.3°

1457

588

Y

Z

重心位置

Y

吊耳2

Z



F

y

250



588/(1457



588)

（1）



36T

2

250



1457/(1457



588)

2



F

y



178T

（4）

2

2

F

z

F

y



tan19



=36



tan19



=12.4T

（2）

FF

y



tan7.3



178



tan7.3



22.8T

（5）

z

F

x

F

z

2

F

y

2



tan



5



3.3T

（3）

F

x

F

y

2

F

x

2



tan



5



15.7T

（6）

吊耳2的受力边界条件为

CONSTRUCTION MACHINERY

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设计计算

由图3可知，耳板最大应力为158.6MPa，为集

中应力点，可以忽略对整体强度的影响，最大变形

约为1.27mm。其他区域最大等效应力为78.5MPa，

满足强度要求。

工况2：水平吊装，上、下翻架各用2个耳板

共同承受主驱动总成的全部重量，共约250t，如图

4所示。

a 网格划分

b 边界条件

图4 水平吊装示意图

该工况下4个耳板受力完全相同，仅对1个耳

板受力边界条件进行计算。弓形卸扣与钢丝绳的夹

角保证为5°，则耳板的受力边界条件为

F

z

250



62.5T

（7）

4

F

x

F

z



tan5



62.5



tan5



5.5T

（8）

c 应力分布云图

由图5-6可知，上翻架耳板最大应力为

53.2MPa，最大变形约为0.49mm；下翻架耳板最大

应力为52.2MPa，最大变形约为0.726mm，满足强

度要求。

3 现场应用状况

超大直径盾构机主驱动吊装工装分别在车间

组装及现场吊装的情况如图7-8所示。所设计的吊

装工装在实际应用中不仅可以顺利完成主驱动总成

d 位移分布云图

的吊装，满足工况使用要求，并且吊装工装通过螺

栓连接，方便吊装工装的拆装及重复使用。

图3 工况1有限元分析结果

78

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2018/10总第512期

a 网格划分

a 网格划分

b 边界条件

b 边界条件

c 应力分布云图

c 应力分布云图

d 位移分布云图

d 位移分布云图

图5 工况2上翻架有限元分析结果

图6 工况2下翻架有限元分析结果

CONSTRUCTION MACHINERY

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设计计算

件ANSYS对吊装工装进行了2种工况的模拟分析，

结果显示，吊装工装结构设计满足强度要求，并在

实际使用过程中效果良好。另外，通过对吊装工装

的模拟分析，为后续超大直径主驱动吊装工装的设

计提供了理论依据。

［参考文献］

图7 主驱动总成现场吊装翻身

［1］ 李聪，余钦伟，孙丽，孙起贵. 履带起重机在盾构

吊装施工中的应用［J］. 工程机械与维修，2015，

（S1）：352-356.

［2］ 唐卫平. 城市中心区大直径泥水平衡盾构机到达吊装

施工技术［J］. 施工技术，2014，43（S1）：385-

390.

［3］ 戴仕敏. 超大直径土压平衡盾构隧道施工关键技术

［J］. 施工技术，2011，40（18）：1-5+17.

［4］ 陈海东. 大型设备吊装平衡问题探讨［J］. 中国高新

技术企业，2017，（12）：95-96.

图8 主驱动总成车间组装及现场吊装下井应用

［5］ 闻邦椿. 机械设计手册：第五版［M］. 北京：机械

工程出版社，2010，第1卷.

［6］ 王豪，张大伟，叶蕾. 盾构主驱动箱的有限元分析

［J］. 建筑机械化，2009，30（06）：65-67+5.

［7］EN13889-2003. 通用升降锻钢钩环D型钩环和弓型

钩环6级安全性［S］.

4 结束语

结合主驱动总成的结构特点及吊装过程的工

序要求，设计了方便、可靠、经济、适用的吊装工

装，运用三维设计软件SolidWorks和有限元分析软

（上接第72页）

屑厚度为0.2mm计算，通过计算工件每转进给量

Fc

为1.936mm。另外，考虑到进给量

Fc

对齿面光洁度

的影响，现需对其进行验算，保证齿面光洁度要

［2］

求，验算过程根据式（5），具体如下



cos





tan



/



L2



hk

全面的科学优化了切削深度、切削次数、切削速度

及进给量，通过公式1计算和现场验证，加工时间

由70.3min/件下降为36.6min/件，加工效率将近提

高了47.9%。并通过大量的工件实践，与试验前相

比，滚刀寿命有所延长。因此，科学合理的选择切

削参数对齿轮加工效率提高具有重大作用。

［参考文献］

［1］ 叶可明. 齿轮手册（第二卷 第2版）［M］. 北京：

机械工业出版社，2000.

［2］ 郁明山. 齿轮手册（下册 第2版）［M］. 北京：机

械工业出版社，2000.

［3］ 吴元昌. 滚齿进给量的选择［J］. 制造技术与机床，

1999，11.

［4］ 四川省机械工业局.复杂刀具设计（第1版）

［M］. 北京：机械工业出版社，1983.



S





2



sin





Z

0

2

4



I

2



Z

（5）

式中 Δ

S

——每个刀痕的深度（mm）；

Z

0

——滚刀头数；

α

——齿轮压力角（°）；

Z

——工件齿数；

I

——滚刀槽数。

根据式（5）计算可求得，齿表面光洁度为

0.029mm，小于齿面光洁度要求0.125mm。进行了40件

工件的实践验证，其齿面光洁度全部满足设计要求。

3 结束语

通过上述对相关切削参数的深入分析研究，

80

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2024年3月14日发(作者：僪振)

DESIGN & CALCULATION

设计计算

超大直径盾构机主驱动吊装工装的设计及应用

何 聪，赵 茜，袁文征

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

［摘要］随着城市轨道交通建设的蓬勃发展，盾构机作为当前隧道施工的主要设备起着越来越重要

的作用。盾构机主驱动总成在组装过程中的翻身及吊装是极为重要的关键步骤，尤其是超大直径盾构机

主驱动总成具有直径大、质量重等特点，简单的焊接式吊耳已无法完成大直径盾构机主驱动总成的翻身

及吊装工作，超大直径盾构机主驱动吊装工装的设计通过上、下翻架能够方便、快捷地完成主驱动的翻

身及吊装工序。该主驱动吊装工装的设计为超大直径盾构机的发展应用提供了技术基础。

［关键词］超大直径盾构机；主驱动；吊装工装

［中图分类号］U455.43 ［文章编号］B ［文献标识码］1001-554X（2018）10-0076-05

Design and application of hoisting equipment for main driving of

super large diameter shield machine

HE Cong，ZHAO Qian，YUAN Wen-zheng

目前，世界范围内采用盾构施工的隧道工程

建设主要表现为隧道断面、长度和埋深不断增大等

特点，随着城市化建设的发展，在城市密集区狭小

空间内进行超大型隧道施工已成为当前隧道发展的

新趋势

［1］

。超大直径盾构机相关技术及配套设备

的研究也将成为研究的热点。盾构机工厂组装调试

完成后需要在短时间内完成拆机、转场、组装，

吊装的工期紧，难度大

［2］

。主驱动总成作为超大

直径盾构整机中单体最重的部件之一，主驱动总

成的吊装成为组装阶段的关键工序。方便、可靠、

适用、经济的吊装工装可节省资源，降低吊装成

本，具有重要意义

［3］

。本文依托国内自主研制的

坏

［4］

。在设计之初，对主驱动总成进行详细建模

分析，精确计算出主驱动总成的重量及重心位置。

吊装工装主要由上翻架和下翻架等结构件组成，

上、下翻架分别通过双头螺柱与驱动箱和驱动盘连

接，如图1所示。

上翻架

主驱动总成

φ

12.14m最大直径土压平衡盾构机项目，设计了由

上翻架和下翻架组成的主驱动吊装工装，在该项目

中成功应用并在后续项目中成功推广。

下翻架

1 吊装工装的结构组成

本设计依托国内自主研制的

φ

12.14m最大直

径土压平衡盾构机项目，主驱动总成为盾构整机中

单体重量最大的部件，总重约250t。在进行大型部

件吊装过程中，需对部件受力进行科学、周密的计

算，否则会对所吊的大型装备造成极为严重的损

图1 吊装工装的结构示意图

DOI:

10.14189/1981.2018.10.008

［收稿日期］2018-05-02

［通讯地址］何聪，河南省郑州市经开区第六大街99号

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2 吊装工装的设计

2.1 吊装工装的结构功能设计

结合主驱动总成的结构特点及吊装过程的工

序要求，吊装工装由上翻架和下翻架两部分组成。

上翻架和下翻架分别通过双头螺柱与驱动箱和驱动

盘连接，方便工装的安装及重复利用。由于驱动盘

与驱动箱相对运动，上、下翻架安装之前需注意驱

动盘与驱动箱的相对位置，保证吊装工装顺利安

装。上、下翻架的结构分别根据各自功能需要进

行特殊设计，上翻架主要用于主驱动总成的竖直吊

装，多用于与盾体组装阶段，承受主驱动总成的全

部重量；下翻架主要辅助上翻架完成主驱动总成的

翻身及水平调运，主驱动重量大，翻身时通过下翻

架在地基上翻转完成主驱动的翻身工序，下翻架耳

板设计

R

4000的圆弧半径。

2.2 吊装工装的有限元分析

吊装工装的基体材料采用低合金结构钢

Q345B，材料特性如表1所示

［5］

。吊装工装耳板厚

度为100mm，法兰板厚度为60mm。

表1 Q345B物理性能

屈服点

σ

s

/MPa

厚度/mm

≤16

≥345

16～35

≥325

35～50

≥295

50～100

≥275470~6302060.3

抗拉强度

σ

s

/MPa弹性模量

E

/GPa泊松比

μ

计算采用的有限元模型是应用SolidWorks与

ANSYS的接口程序从SolidWorks中直接导入到AN-

SYS Workbench环境中

［6］

。在ANSYS Workbench

平台上对工装的实体模型进行有限元网格划分，网

格大小为50mm，分别对吊装工装的2种工况进行

分析。具体分析如下：

工况1：竖直吊装，上翻架承受主驱动总成的

全部重量，共约250t。

上翻架4个吊耳的受力左右对称，仅对2个吊

耳的受力边界进行计算。依据标准EN13889 RR-

C-271

［7］

，弓形卸扣与钢丝绳的夹角保证为5°，

分别选用2根4.5m和4.63m的钢丝绳进行吊装，如

图2所示。

吊耳1的受力边界条件为

图2 上翻架的吊装示意图

X

X

吊耳1

19°

7.3°

1457

588

Y

Z

重心位置

Y

吊耳2

Z



F

y

250



588/(1457



588)

（1）



36T

2

250



1457/(1457



588)

2



F

y



178T

（4）

2

2

F

z

F

y



tan19



=36



tan19



=12.4T

（2）

FF

y



tan7.3



178



tan7.3



22.8T

（5）

z

F

x

F

z

2

F

y

2



tan



5



3.3T

（3）

F

x

F

y

2

F

x

2



tan



5



15.7T

（6）

吊耳2的受力边界条件为

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设计计算

由图3可知，耳板最大应力为158.6MPa，为集

中应力点，可以忽略对整体强度的影响，最大变形

约为1.27mm。其他区域最大等效应力为78.5MPa，

满足强度要求。

工况2：水平吊装，上、下翻架各用2个耳板

共同承受主驱动总成的全部重量，共约250t，如图

4所示。

a 网格划分

b 边界条件

图4 水平吊装示意图

该工况下4个耳板受力完全相同，仅对1个耳

板受力边界条件进行计算。弓形卸扣与钢丝绳的夹

角保证为5°，则耳板的受力边界条件为

F

z

250



62.5T

（7）

4

F

x

F

z



tan5



62.5



tan5



5.5T

（8）

c 应力分布云图

由图5-6可知，上翻架耳板最大应力为

53.2MPa，最大变形约为0.49mm；下翻架耳板最大

应力为52.2MPa，最大变形约为0.726mm，满足强

度要求。

3 现场应用状况

超大直径盾构机主驱动吊装工装分别在车间

组装及现场吊装的情况如图7-8所示。所设计的吊

装工装在实际应用中不仅可以顺利完成主驱动总成

d 位移分布云图

的吊装，满足工况使用要求，并且吊装工装通过螺

栓连接，方便吊装工装的拆装及重复使用。

图3 工况1有限元分析结果

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a 网格划分

a 网格划分

b 边界条件

b 边界条件

c 应力分布云图

c 应力分布云图

d 位移分布云图

d 位移分布云图

图5 工况2上翻架有限元分析结果

图6 工况2下翻架有限元分析结果

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设计计算

件ANSYS对吊装工装进行了2种工况的模拟分析，

结果显示，吊装工装结构设计满足强度要求，并在

实际使用过程中效果良好。另外，通过对吊装工装

的模拟分析，为后续超大直径主驱动吊装工装的设

计提供了理论依据。

［参考文献］

图7 主驱动总成现场吊装翻身

［1］ 李聪，余钦伟，孙丽，孙起贵. 履带起重机在盾构

吊装施工中的应用［J］. 工程机械与维修，2015，

（S1）：352-356.

［2］ 唐卫平. 城市中心区大直径泥水平衡盾构机到达吊装

施工技术［J］. 施工技术，2014，43（S1）：385-

390.

［3］ 戴仕敏. 超大直径土压平衡盾构隧道施工关键技术

［J］. 施工技术，2011，40（18）：1-5+17.

［4］ 陈海东. 大型设备吊装平衡问题探讨［J］. 中国高新

技术企业，2017，（12）：95-96.

图8 主驱动总成车间组装及现场吊装下井应用

［5］ 闻邦椿. 机械设计手册：第五版［M］. 北京：机械

工程出版社，2010，第1卷.

［6］ 王豪，张大伟，叶蕾. 盾构主驱动箱的有限元分析

［J］. 建筑机械化，2009，30（06）：65-67+5.

［7］EN13889-2003. 通用升降锻钢钩环D型钩环和弓型

钩环6级安全性［S］.

4 结束语

结合主驱动总成的结构特点及吊装过程的工

序要求，设计了方便、可靠、经济、适用的吊装工

装，运用三维设计软件SolidWorks和有限元分析软

（上接第72页）

屑厚度为0.2mm计算，通过计算工件每转进给量

Fc

为1.936mm。另外，考虑到进给量

Fc

对齿面光洁度

的影响，现需对其进行验算，保证齿面光洁度要

［2］

求，验算过程根据式（5），具体如下



cos





tan



/



L2



hk

全面的科学优化了切削深度、切削次数、切削速度

及进给量，通过公式1计算和现场验证，加工时间

由70.3min/件下降为36.6min/件，加工效率将近提

高了47.9%。并通过大量的工件实践，与试验前相

比，滚刀寿命有所延长。因此，科学合理的选择切

削参数对齿轮加工效率提高具有重大作用。

［参考文献］

［1］ 叶可明. 齿轮手册（第二卷 第2版）［M］. 北京：

机械工业出版社，2000.

［2］ 郁明山. 齿轮手册（下册 第2版）［M］. 北京：机

械工业出版社，2000.

［3］ 吴元昌. 滚齿进给量的选择［J］. 制造技术与机床，

1999，11.

［4］ 四川省机械工业局.复杂刀具设计（第1版）

［M］. 北京：机械工业出版社，1983.



S





2



sin





Z

0

2

4



I

2



Z

（5）

式中 Δ

S

——每个刀痕的深度（mm）；

Z

0

——滚刀头数；

α

——齿轮压力角（°）；

Z

——工件齿数；

I

——滚刀槽数。

根据式（5）计算可求得，齿表面光洁度为

0.029mm，小于齿面光洁度要求0.125mm。进行了40件

工件的实践验证，其齿面光洁度全部满足设计要求。

3 结束语

通过上述对相关切削参数的深入分析研究，

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