摘 要：六自由度管片拼裝機(jī)是因管片拼裝需要而設(shè)計(jì)的，它與以往通用的管片拼裝機(jī)有所不同，解決了管片不能左右、前后擺動(dòng)問(wèn)題。文章對(duì)拼裝管片時(shí)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)作了描述，并分別介紹了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、提升及左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；管片拼裝機(jī)的限位控制及安全要求；最后，還對(duì)管片拼裝機(jī)的操作加以說(shuō)明。
1 研究目的
管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的重要部件之一，該機(jī)構(gòu)的功能直接影響到管片的拼裝質(zhì)量及盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的施工效率。
目前，我國(guó)和日本所設(shè)計(jì)和使用的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)形式均為環(huán)式結(jié)構(gòu)，管片拼裝機(jī)中的管片鉗，在空間的移動(dòng)和定位是通過(guò)旋轉(zhuǎn)盤(pán)體的回轉(zhuǎn)、提升油缸的上下運(yùn)動(dòng)、平移油缸的前后運(yùn)動(dòng)及支撐油缸的上下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而完成隧道內(nèi)管片的拼裝施工。由于該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)只具有5個(gè)自由度，若管片與隧道的橫截面存在著1個(gè)小的夾角，則管片鉗就不能將管片安裝到準(zhǔn)確的位置；此外，該管片拼裝機(jī)的左右懸臂梁之間僅靠提升橫梁進(jìn)行連接，因而整體的剛度較差，較大的工作負(fù)載會(huì)破壞左右2個(gè)提升油缸軸線的平行度，使2個(gè)提升油缸的升降運(yùn)動(dòng)不同步，從而造成管片拼裝錯(cuò)位；再者，該管片拼裝機(jī)的管片鉗直接設(shè)置于平移油缸上，管片的全部重量都由平移油缸的缸體承受，這將影響平移油缸及其平移運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
為此，決定設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種具有6個(gè)自由度的管片拼裝機(jī)，使管片鉗的位置、姿態(tài)、移動(dòng)能充分滿足管片拼裝的需要；通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，可提高平移裝置和懸臂梁的整體穩(wěn)定性和剛性。圖1為管片拼裝機(jī)示意圖。
2 六自由度管片拼裝機(jī)的研究與設(shè)計(jì)
本課題以f6160mm土壓平衡盾構(gòu)管片拼裝機(jī)為研究對(duì)象，管片外徑6000mm，內(nèi)徑
5400 mm，寬1500mm，單塊管片的最大重量約4000kg。
設(shè)隧道的軸線方向?yàn)閄軸，隧道徑向水平方向?yàn)閅軸，隧道徑向鉛垂方向?yàn)閆軸。管片的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)如圖2所示。
2.1 六自由度管片拼裝機(jī)機(jī)構(gòu)分析
六自由度管片拼裝機(jī)主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、提升及左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、活動(dòng)橫梁等組成。
�、� 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)盤(pán)體、驅(qū)動(dòng)裝置及管片配重組成，驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速，使管片繞隧道軸線在YZ平面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為使管片拼裝機(jī)在帶管片旋轉(zhuǎn)和不帶管片空轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)扭矩基本相等，必須加入配重。
平衡方程為：N=T1=T2
式中： N－拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)所需的凈扭矩；
T1－拼裝機(jī)帶管片旋轉(zhuǎn)時(shí)所需的凈扭矩；
T2－拼裝機(jī)不帶管片空轉(zhuǎn)時(shí)所需的凈扭矩。
經(jīng)計(jì)算，其配重的重量為4860kg，回轉(zhuǎn)時(shí)所需的凈扭矩為63kN×m ，考慮安全系數(shù)為3，則拼裝機(jī)所需的扭矩為189kN×m。回轉(zhuǎn)采用內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，用1套油馬達(dá)和減速器驅(qū)動(dòng)，選用內(nèi)齒式雙排推力角接觸球轉(zhuǎn)盤(pán)軸承�；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大扭矩為206kN×m；最大壓力為12MPa；回轉(zhuǎn)速度為0～1.8r/min，可無(wú)級(jí)調(diào)速；回轉(zhuǎn)范圍為±200º。
⑵ 平移機(jī)構(gòu)
平移機(jī)構(gòu)主要由懸臂梁、平移油缸、安裝座、固定盤(pán)體、滾輪裝置、軌道及中間橫梁等組成；機(jī)構(gòu)的主要功能是使管片沿隧道軸線方向移動(dòng)，由2只平移油缸驅(qū)動(dòng)拼裝機(jī)整體沿X軸作前后移動(dòng)（從管片儲(chǔ)存區(qū)域到插入封頂塊）。2只油缸所產(chǎn)生的推力，必須克服拼裝機(jī)移動(dòng)和封頂塊插入時(shí)所產(chǎn)生的阻力；同時(shí)，還要考慮矯正組裝好管片的形狀所需的推、壓力。
懸臂梁的上方與下方設(shè)置軌道，滾輪裝置焊接在固定盤(pán)體的兩側(cè)，拼裝機(jī)通過(guò)滾輪裝置沿著軌道作前后移動(dòng)。拼裝機(jī)平移速度為0～15m/min，可無(wú)級(jí)調(diào)速；平移距離為2000mm，可選用2只行程為2 100mm的油缸，最大油壓為20MPa。
⑶ 提升機(jī)構(gòu)
提升機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向外套、導(dǎo)向內(nèi)套、提升油缸及銅墊等部件組成。導(dǎo)向內(nèi)套與導(dǎo)向外套的截面均為矩形，導(dǎo)向內(nèi)套的外表面與導(dǎo)向外套的內(nèi)表面之間設(shè)置銅墊，并附有注入潤(rùn)滑油脂的設(shè)備，可以減少相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。提升油缸設(shè)置在導(dǎo)向內(nèi)套內(nèi)，缸體頭部與導(dǎo)向外套固支，活塞桿端與內(nèi)套鉸接（見(jiàn)圖3）。通過(guò)2只提升油缸同時(shí)伸縮，使拼裝機(jī)沿Z軸移動(dòng)，即管片沿隧道徑向上下移動(dòng)。
2只提升油缸所產(chǎn)生的推力，必須克服最重管片（約4000kg）、提升橫梁（1500kg）、左右2個(gè)導(dǎo)向套（每個(gè)540kg）重量的總和及導(dǎo)向內(nèi)套與外套之間的移動(dòng)摩擦阻力；根據(jù)拼裝時(shí)需要的實(shí)際行程（655mm）和安裝的需要，選用2只行程為800 mm的油缸，速度為0～15m/min（無(wú)級(jí)調(diào)速）。
油缸內(nèi)裝有行程傳感器，通過(guò)PLC控制，限制2只提升油缸的最大行程為655mm；提升時(shí)，2只油缸小腔同時(shí)進(jìn)油，最大油壓20MPa；推出時(shí)，2只油缸大腔同時(shí)進(jìn)油，最大油壓14MPa。為防止提升機(jī)構(gòu)在抓取管片時(shí)壓壞管片，提升機(jī)構(gòu)在垂直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)PLC控制2只提升油缸的最大油壓在5 MPa以?xún)?nèi)。
�、� 左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)
左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是由拼裝機(jī)兩端的導(dǎo)向內(nèi)套，通過(guò)大銷(xiāo)軸，與底部的提升橫梁鉸接而成的（可視為一端固支，另一端為固支轉(zhuǎn)動(dòng)的力學(xué)模型）。當(dāng)2只提升油缸的伸出量（行程）不同時(shí)，即h1>h2或者h(yuǎn)1=<H2時(shí)，提升橫梁就會(huì)產(chǎn)生在YZ平面左右擺動(dòng)，根據(jù)△h值的不同，可產(chǎn)生不同的水平擺動(dòng)角度，最大擺動(dòng)角α為11.75°（見(jiàn)圖4）。
⑸ 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)
前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由提升橫梁、管片鉗頭裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、中心球關(guān)節(jié)軸承、傾斜油缸、轉(zhuǎn)動(dòng)油缸、銷(xiāo)軸和耳板A、B組成（見(jiàn)圖5）。管片鉗頭裝置（設(shè)有螺紋口，以連接和鉗移管片）固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上；轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和活動(dòng)橫梁用中心球關(guān)節(jié)軸承連接，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)可繞軸承的中心在XZ平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)；傾斜油缸的一端通過(guò)固定在提升橫梁上的耳板A和銷(xiāo)軸，與提升橫梁相鉸接，另一端通過(guò)固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的耳板B和銷(xiāo)軸，與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)相鉸接，油缸的軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的平面成一夾角。傾斜油缸的行程為35mm（±17.5mm），最大油壓21MPa，速度0.6～1.8 m/min。傾斜油缸處于中位時(shí)，管片處于水平位置；油缸縮，轉(zhuǎn)動(dòng)板帶著管片繞關(guān)節(jié)軸承球心沿隧道縱向向前擺動(dòng)；油缸伸，管片則向后擺動(dòng)。根據(jù)油缸的伸縮量大小，前后擺動(dòng)的最大角度β為±2º。
水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由提升橫梁、傾斜油缸、轉(zhuǎn)動(dòng)油缸、銷(xiāo)軸和耳板C、D組成（見(jiàn)圖6）。轉(zhuǎn)動(dòng)油缸的軸線平行于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，其一端通過(guò)銷(xiāo)軸和耳板C（固定在提升橫梁上），與提升橫梁相鉸接；另一端通過(guò)銷(xiāo)軸和耳板D（固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上），與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)鉸接。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在XY平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)動(dòng)油缸的行程為30mm（±15mm），最大油壓21MPa，速度為0.6～1.8m/min。通
過(guò)油缸的伸縮，使轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)帶著管片繞關(guān)節(jié)軸承球心沿盾構(gòu)推進(jìn)方向作水平前后擺動(dòng)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度g為±2.5º。
2.2 六自由度拼裝機(jī)的限位控制及安全要求
⑴ 在拼裝機(jī)水平移動(dòng)行程的兩端，各設(shè)置1只接近開(kāi)關(guān)，用于限制縱向水平油缸的行程≤2000mm，但必須保證拼裝機(jī)能抓取管片和插入封頂塊；
⑵ 為限制拼裝機(jī)的回轉(zhuǎn)范圍，每端設(shè)置2只（雙重保險(xiǎn)，當(dāng)?shù)谝恢晃雌鹱饔脮r(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)）接近開(kāi)關(guān)，保證拼裝機(jī)的機(jī)身旋轉(zhuǎn)范圍不超過(guò)±200º；
⑶ 設(shè)置2只旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)（在拼裝時(shí)不起作用），限止拼裝機(jī)在水平移動(dòng)至取管片的位置時(shí)，只能在±5º～10º的小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；
⑷ 在提升油缸內(nèi)裝有行程傳感器，在實(shí)際使用時(shí)，通過(guò)PLC控制2只提升油缸的最大行程為655mm；
�、� 為防止拼裝機(jī)提升機(jī)構(gòu)在抓取管片時(shí)壓壞管片，在提升機(jī)構(gòu)垂直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由PLC控制2只提升油缸的最大油壓在5MPa內(nèi)。
3 六自由度管片拼裝機(jī)的操作
�、� 固定管片
先由管片吊運(yùn)機(jī)構(gòu)將需要拼裝的管片吊運(yùn)至準(zhǔn)備拼裝的位置（推進(jìn)油缸頂著的一環(huán)最下方）；然后，移動(dòng)水平油缸，使管片拼裝機(jī)靠近待拼裝的管片，當(dāng)拼裝機(jī)上的管片固定夾頭移動(dòng)到待拼管片邊緣上方時(shí)，降下夾頭，將夾頭的缺口對(duì)準(zhǔn)管片上的吊裝螺栓（固定夾頭緩行到夾頭的中心，與吊裝螺栓中心重合時(shí)停止）；最后，操作管片固定油缸，使管片貼緊夾頭（通過(guò)聚氨酯橡膠墊），并固定在夾頭上。
�、� 管片拼裝
管片的拼裝順序?yàn)椋核淼勒路降墓芷ǖ谝粔K）→與該管片相連接的2塊管片（第二、三塊）→與第二、三塊相連接的2塊鄰接塊管片（第四、五塊，此2塊均是一端為平直面，另一端為斜面，平直的一端與第四、五塊管片相聯(lián)接）→封頂塊管片（第六塊，兩側(cè)均有斜角，便于插入）。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)地下隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)地下施工機(jī)械的綜合性能要求也將日益提高，為了縮短施工周期、提高隧道整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、極大地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，就需要設(shè)計(jì)、制造出性能好的施工機(jī)械。
六自由度管片拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)，就是為了滿足管片拼裝的需要，新設(shè)計(jì)的管片拼裝機(jī)將接受施工實(shí)踐的考驗(yàn)，希望得到同行們的幫助、指正，使其更加完善。
