液压盾构机管片拼装装置设计

蓝敏俐　郑明辉　林雄瑞

摘要：针对管片拼装机六自由度运动的精确性和可靠性问题，应用Pro/E软件进行实体建模、仿真，分析管片拼装装置各部分运动的干涉问题，提高管片拼装机的拼装精度，促进管片拼装机构改进设计。

关键词：管片拼装机；姿态微调；建模仿真

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）07018503

管片拼装系统是盾构机的关键部分，它将管片安装到开挖好的隧道面，保护隧道施工安全。在隧道挖掘过程中，随着盾构机的不断掘进、切削和出渣，需要用洞外预制好的混凝土管片安全、快速、精确地安装到位，管片拼装的质量以及速度对整个施工进程、地下水的渗透和地表沉降产生巨大影响。我国的管片拼装机存在着自由度不足、微调装置不稳定和精确度不高，影响到管片的正确安装，本文针对此问题进行了建模仿真，寻找解决的措施。

1管片拼装机的设计要求

管片拼装机需要把管片安全、迅速、精确地安装到位。首先需要管片拼装机具备六自由度，即要求三个粗调自由度轴向平移、径向的提升、旋转；三个微调自由度横摇、俯仰、偏转，由于微调控制同一个平台，就有互相干涉牵制的问题，直接影响定位的精度和管片的运动自由度。抓紧锁紧装置要求结构简单方便抓取，做到迅速准确。本次设计管片拼装机的尺寸如表1。

2管片拼装机三维结构建模设计

2.1管片拼装机的原理和组成

管片拼装机包括平移系统、回转系统、提升系统、微调系统和抓取系统，满足六个自由度的运动和抓取。主要部件有行走梁、回转盘体、提升横梁、液压缸及管片夹取装置等，如图1。

2.2平移系统

如图2，平移系统包括两个平移双作用油缸、两组滚轮、L型固定块、行走梁及导轨。行走梁导轨起到导向和支撑整个管片拼装机的重量，行走梁的刚性如果不足，管片就无法做到准确定位。双作用缸运动要求同步，保证平移架的移动位置精度。

2.3回转系统

如图3，回转系统包括平移架、液压马达、传动轴、齿轮、单排四点接触球式回转轴承、回转盘等。两个液压马达对称安装在平移架上，其中一个液压马达带有高性能旋转编码器，精确控制回转角度。

2.4提升系统

如图4，提升系统包括回转盘、提升导杆、提升双作用缸、提升横梁。提升横梁通过导杆和导杆套的导向，加上双作用提升液压缸提升液动力使得管片可以提升和上推，提升双作用缸要做到同步，保证活塞杆弯矩，以防造成卡死或者折断。

2.5微调系统

微调系统主要有横摇、俯仰、偏转三个动作，如图5、图6、图7。

横摇主要有两组横摇液压缸、微调平台、深沟球轴承、微调轴、中心关节球轴承等组成，如图5；两组微调液压缸通过如图8的关节球，一端铰接在提升横梁上，一端铰接在微调平台上，微调平台通过轴承装配在微调轴上，微调轴通过中心球轴承和提升横梁装配一起。推动横摇液压缸时就能以中心关节球轴承为中心，带动微调平台和微调轴转动。

如图5，微调俯仰机构包括俯仰液压缸、微调平台、深沟球轴承、微调轴、中心关节球轴承等，推动俯仰液压缸时就能以中心关节球轴承为中心带动微调平台和微调轴转动。如图7，微调偏转机构包括偏转液压缸、L型偏转块、辅助偏转块、微调轴、中心关节球轴承等，偏转液压缸通过关节球一端铰接在L型偏转块，一端铰接在辅助偏转块上，L型偏转块通过螺栓锁紧在提升横梁上，辅助偏转块通过键连接和微调轴连接，推动偏转液压缸，形成微调轴的转动，通过偏转轴带动管片偏转。

微调需要具备三个自由度，因此微调轴与提升横梁的连接采用中心球关节轴承（满足三个转动自由度），但是承载能力受到限制。同时存在液压缸的干涉问题，液压缸只能沿一个方向推动，弯曲力矩会导致活塞卡死或者液压杆的折断。当进行横摇时，会造成俯仰液压缸和偏转液压缸的弯曲，本次设计微调的液压缸都采用了关节球铰接的方式来解决。为了降低偏转运动对横摇和俯仰动作的影响，微调平台和微调轴采用了深沟球轴承。横摇采用了两个液压缸可以使得微调系统更稳定。

2.6抓取锁紧系统

如图9，抓取锁紧系统包括锁紧液压缸、微调轴、抓取头等。抓取锁紧头和微调轴采用花键传动，保证微调偏转时把转动传给管片，如图10。

3结语

本文采用Pro/E软件对管片拼装机进行建模仿真，设计出符合六自由度的管片拼装机。通过建模仿真对管片拼装机每个运动进行了分析，考虑是否存在运动的干涉问题，对于相对比较复杂的微调机构，在经过多次的修改假设后也得以解决。研究基于六自由度的完成还设计了管片的抓取锁紧设置，采用自动抓取锁紧，简易、方便，减少了員工装夹的时间。

参考文献

[1]施虎.盾构掘进系统电液控制技术及其模拟试验研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[2]林建平.海瑞克盾构施工管片选型和安装[J].隧道建设，2009，（S1）：1925.

[3]张东晓，李朝，吕大桅，孙成博，徐杏华.盾构隧道管片上浮机理分析及控制研究[J].铁道标准设计，2011（07）：9597.

[4]金林山.盾构拼装机液压提升系统建模、仿真与测试[D].上海：上海交通大学，2012.