藍敏俐　鄭明輝　林雄瑞

摘要：針對管片拼裝機六自由度運動的精確性和可靠性問題，應用Pro/E軟件進行實體建模、仿真，分析管片拼裝裝置各部分運動的干涉問題，提高管片拼裝機的拼裝精度，促進管片拼裝機構改進設計。

關鍵詞：管片拼裝機；姿態(tài)微調；建模仿真

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2015）07018503

管片拼裝系統(tǒng)是盾構機的關鍵部分，它將管片安裝到開挖好的隧道面，保護隧道施工安全。在隧道挖掘過程中，隨著盾構機的不斷掘進、切削和出渣，需要用洞外預制好的混凝土管片安全、快速、精確地安裝到位，管片拼裝的質量以及速度對整個施工進程、地下水的滲透和地表沉降產生巨大影響。我國的管片拼裝機存在著自由度不足、微調裝置不穩(wěn)定和精確度不高，影響到管片的正確安裝，本文針對此問題進行了建模仿真，尋找解決的措施。

1管片拼裝機的設計要求

管片拼裝機需要把管片安全、迅速、精確地安裝到位。首先需要管片拼裝機具備六自由度，即要求三個粗調自由度軸向平移、徑向的提升、旋轉；三個微調自由度橫搖、俯仰、偏轉，由于微調控制同一個平臺，就有互相干涉牽制的問題，直接影響定位的精度和管片的運動自由度。抓緊鎖緊裝置要求結構簡單方便抓取，做到迅速準確。本次設計管片拼裝機的尺寸如表1。

2管片拼裝機三維結構建模設計

2.1管片拼裝機的原理和組成

管片拼裝機包括平移系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、微調系統(tǒng)和抓取系統(tǒng)，滿足六個自由度的運動和抓取。主要部件有行走梁、回轉盤體、提升橫梁、液壓缸及管片夾取裝置等，如圖1。

2.2平移系統(tǒng)

如圖2，平移系統(tǒng)包括兩個平移雙作用油缸、兩組滾輪、L型固定塊、行走梁及導軌。行走梁導軌起到導向和支撐整個管片拼裝機的重量，行走梁的剛性如果不足，管片就無法做到準確定位。雙作用缸運動要求同步，保證平移架的移動位置精度。

2.3回轉系統(tǒng)

如圖3，回轉系統(tǒng)包括平移架、液壓馬達、傳動軸、齒輪、單排四點接觸球式回轉軸承、回轉盤等。兩個液壓馬達對稱安裝在平移架上，其中一個液壓馬達帶有高性能旋轉編碼器，精確控制回轉角度。

2.4提升系統(tǒng)

如圖4，提升系統(tǒng)包括回轉盤、提升導桿、提升雙作用缸、提升橫梁。提升橫梁通過導桿和導桿套的導向，加上雙作用提升液壓缸提升液動力使得管片可以提升和上推，提升雙作用缸要做到同步，保證活塞桿彎矩，以防造成卡死或者折斷。

2.5微調系統(tǒng)

微調系統(tǒng)主要有橫搖、俯仰、偏轉三個動作，如圖5、圖6、圖7。

橫搖主要有兩組橫搖液壓缸、微調平臺、深溝球軸承、微調軸、中心關節(jié)球軸承等組成，如圖5；兩組微調液壓缸通過如圖8的關節(jié)球，一端鉸接在提升橫梁上，一端鉸接在微調平臺上，微調平臺通過軸承裝配在微調軸上，微調軸通過中心球軸承和提升橫梁裝配一起。推動橫搖液壓缸時就能以中心關節(jié)球軸承為中心，帶動微調平臺和微調軸轉動。

如圖5，微調俯仰機構包括俯仰液壓缸、微調平臺、深溝球軸承、微調軸、中心關節(jié)球軸承等，推動俯仰液壓缸時就能以中心關節(jié)球軸承為中心帶動微調平臺和微調軸轉動。如圖7，微調偏轉機構包括偏轉液壓缸、L型偏轉塊、輔助偏轉塊、微調軸、中心關節(jié)球軸承等，偏轉液壓缸通過關節(jié)球一端鉸接在L型偏轉塊，一端鉸接在輔助偏轉塊上，L型偏轉塊通過螺栓鎖緊在提升橫梁上，輔助偏轉塊通過鍵連接和微調軸連接，推動偏轉液壓缸，形成微調軸的轉動，通過偏轉軸帶動管片偏轉。

微調需要具備三個自由度，因此微調軸與提升橫梁的連接采用中心球關節(jié)軸承（滿足三個轉動自由度），但是承載能力受到限制。同時存在液壓缸的干涉問題，液壓缸只能沿一個方向推動，彎曲力矩會導致活塞卡死或者液壓桿的折斷。當進行橫搖時，會造成俯仰液壓缸和偏轉液壓缸的彎曲，本次設計微調的液壓缸都采用了關節(jié)球鉸接的方式來解決。為了降低偏轉運動對橫搖和俯仰動作的影響，微調平臺和微調軸采用了深溝球軸承。橫搖采用了兩個液壓缸可以使得微調系統(tǒng)更穩(wěn)定。

2.6抓取鎖緊系統(tǒng)

如圖9，抓取鎖緊系統(tǒng)包括鎖緊液壓缸、微調軸、抓取頭等。抓取鎖緊頭和微調軸采用花鍵傳動，保證微調偏轉時把轉動傳給管片，如圖10。

3結語

本文采用Pro/E軟件對管片拼裝機進行建模仿真，設計出符合六自由度的管片拼裝機。通過建模仿真對管片拼裝機每個運動進行了分析，考慮是否存在運動的干涉問題，對于相對比較復雜的微調機構，在經過多次的修改假設后也得以解決。研究基于六自由度的完成還設計了管片的抓取鎖緊設置，采用自動抓取鎖緊，簡易、方便，減少了員工裝夾的時間。

參考文獻

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