基于3-PRPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的管片拼裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫志超，黃曉華

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

管片拼裝機(jī)是隧道施工用的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中的重要關(guān)鍵部件之一［1］。在掘進(jìn)完一環(huán)的距離后，管片拼裝機(jī)負(fù)責(zé)將預(yù)制的管片安裝到剛開(kāi)挖好的隧道面上，形成襯砌，用來(lái)支護(hù)剛開(kāi)挖好的隧道表面。管片拼裝的品質(zhì)會(huì)直接影響到地下水的滲透和地表沉降。管片拼裝的速度對(duì)于整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)的速度也影響很大，提高管片拼裝效率能夠有效地加快隧道施工進(jìn)度，從而降低建設(shè)成本［2］。

目前，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工都是采用管片拼裝系統(tǒng)將管片拼裝成隧道襯砌，管片拼裝系統(tǒng)由行走梁、平移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、拼裝機(jī)構(gòu)等組成，雖然實(shí)現(xiàn)了管片移動(dòng)的機(jī)械化，但是管片的對(duì)中、就位、拼裝等大多數(shù)還是靠人工作業(yè)［3］。

南京三號(hào)線(xiàn)以及十號(hào)線(xiàn)所使用的德國(guó)海瑞克以及美國(guó)ROBBINS公司的六自由度管片安裝機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)一般路段的拼裝需求。但是在某些特殊路段，例如江邊，過(guò)江隧道等特殊路段，由于地質(zhì)中水分含量較高，這就要求在掘進(jìn)完一環(huán)以后，迅速進(jìn)行管片安裝以及同步注漿。上述拼裝機(jī)不能很好的滿(mǎn)足這些特殊路段的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種新型六自由度管片拼裝機(jī)，它不但能實(shí)現(xiàn)六自由度的安裝需求，而且與傳統(tǒng)的拼裝機(jī)相比，它能大幅度降低每一環(huán)所需的拼裝時(shí)間。

1 新型拼裝機(jī)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的管片拼裝機(jī)安裝于中盾H梁上，運(yùn)行于盾尾，主要由平移機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及鎖緊機(jī)構(gòu)組成。

如圖1所示，它能實(shí)現(xiàn)平移、回轉(zhuǎn)、升降、偏移、俯仰、搖擺六個(gè)動(dòng)作。而且它能夠同時(shí)拼裝兩個(gè)管片，提高管片拼裝的效率。

圖1 拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 新型拼裝機(jī)工作過(guò)程及工作原理

目前主流的管片一般采取3A+2B+1K的管片模式，如圖2所示，其中A為標(biāo)準(zhǔn)塊，B為連接塊，K為封頂塊。新型管片拼裝機(jī)的拼裝順序?yàn)?，底部管片A2（左），右下管片A3（右），左下管片A1（左），右上管片B2（右），左上管片B1（左），封頂管片K（右）。

管片拼裝機(jī)在安裝管片時(shí)，左臂先進(jìn)行粗定位，用舉重鉗抓取A2管片，然后平移油缸退回，隨后右臂順時(shí)針旋至始發(fā)位置，抓取A3管片，在左臂拼裝管片的同時(shí)，右臂移動(dòng)到下一管片的位置，當(dāng)左臂裝完第一塊管片后，右臂立即開(kāi)始拼裝第二塊管片。以此循環(huán)，直到一環(huán)管片拼裝完成。

圖2 3A+2B+1K的管片建環(huán)

本論文所設(shè)計(jì)的具有六自由度的雙臂交錯(cuò)拼裝的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)分左、右兩套獨(dú)立系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和原理相同，以一套為例。

兩個(gè)懸臂梁沿盾構(gòu)軸線(xiàn)方向且左右平行地固定在盾構(gòu)機(jī)中盾的H梁上面，在其中間設(shè)有中間橫梁?；剞D(zhuǎn)軸承內(nèi)圈通過(guò)套筒套在懸臂梁上，它可以單獨(dú)沿z軸平移和繞z軸旋轉(zhuǎn)，它的外圈一側(cè)與升降油缸及調(diào)節(jié)油缸用螺栓連接并且與小齒輪外嚙合，小齒輪固定在液壓馬達(dá)上，液壓馬達(dá)通過(guò)安裝座固定在平移油缸的活塞桿上。

平移油缸固定在懸臂梁上，其同步伸縮帶動(dòng)升降油缸和調(diào)節(jié)油缸一起通過(guò)回轉(zhuǎn)軸承在懸臂梁上滑動(dòng)，也即沿z軸方向作前后平移運(yùn)動(dòng)。

調(diào)節(jié)油缸與升降油缸通過(guò)螺栓固定在回轉(zhuǎn)軸承外圈一側(cè)上，液壓馬達(dá)同步轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承繞z軸方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

調(diào)節(jié)油缸、升降油缸配合平移油缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)x軸向微調(diào)（左右搖擺）。

如圖3所示，升降油缸和調(diào)節(jié)油缸行程差配合平移油缸可實(shí)現(xiàn)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)（yz平面內(nèi)俯仰）。

圖3 管片前后俯仰

升降油缸和調(diào)節(jié)油缸的升降配合調(diào)節(jié)油缸所對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)軸承的旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)y軸升降。

如圖4所示，平移油缸的行程差配合調(diào)節(jié)油缸、升降油缸可實(shí)現(xiàn)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)（xz平面內(nèi)偏移）。

更重要的是，通過(guò)雙臂的交錯(cuò)拼裝，能大幅度降低一環(huán)管片的拼裝時(shí)間，提高拼裝效率。

圖4 管片左右搖擺

3 新型拼裝機(jī)自由度分析

根據(jù)空間機(jī)構(gòu)自由度的分析，其自由度為:

式中:n為構(gòu)件數(shù)，g為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副數(shù)，fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度。

本機(jī)構(gòu)中，n=12，g=13，分別為3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，6個(gè)移動(dòng)副，3個(gè)球副，所以，自由度m=6。通過(guò)分析，該拼裝機(jī)為3-PRPS六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它主要以平移、旋轉(zhuǎn)、升降為主，俯仰運(yùn)動(dòng)、偏移運(yùn)動(dòng)和搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)活塞桿的位移基本沒(méi)有影響。

4 新型拼裝機(jī)安裝時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)（表1）

拼裝機(jī)一般要求在30 min內(nèi)完成一環(huán)管片的建環(huán)，管片建環(huán)的速度直接影響了整個(gè)路段的進(jìn)程。原管片拼裝機(jī)需要四個(gè)工步，每個(gè)工步所需時(shí)間為206 s，236 s，256 s，291 s。設(shè)計(jì)完成一環(huán)管片所用時(shí)間:t1=206+2×236+2 ×256+291=1 481 s。

由于是雙臂交錯(cuò)拼裝，在左臂第三工步完成y軸旋轉(zhuǎn)初調(diào)后，右臂就能開(kāi)始第三工步并且能預(yù)先調(diào)整好x向移動(dòng)，右臂第三工步的時(shí)間為t2=326－20－35－8－30－8－50=175 s，所以總的時(shí)間為t2=226+256=276=t3=933 s。

與原先的單管片拼裝模式相比，提高了37%的效率，極大減少了單環(huán)管片的安裝時(shí)間，提高了拼裝機(jī)的安裝效率，節(jié)約了整個(gè)線(xiàn)路開(kāi)挖成本。

如果進(jìn)一步采用雙電瓶車(chē)供給管片的話(huà)，能進(jìn)一步節(jié)約一環(huán)管片的拼裝時(shí)間，大約能提高45%的效率。

表1 新機(jī)構(gòu)一環(huán)管片的安裝時(shí)間

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型六自由度雙臂交錯(cuò)拼裝的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)，與以往管片拼裝機(jī)的不同在于，這種新型拼裝機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)六自由度的全方位定位，而且通過(guò)雙臂的交錯(cuò)拼裝，能極大地提高管片拼裝速度，加快整個(gè)路線(xiàn)的進(jìn)程，節(jié)約盾構(gòu)機(jī)的施工成本。通過(guò)將該系統(tǒng)與視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)管片的全自動(dòng)拼裝，進(jìn)一步提高效率。

［1］何其平.海瑞克盾構(gòu)在南京地鐵工程中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2003（2）:12-15.

［2］陳緯.盾構(gòu)管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（1）:92-94.

［3］崔國(guó)華，王國(guó)強(qiáng)，何恩光，等.盾構(gòu)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.礦山機(jī)械，2006（6）:24-27.