摘 要：六自由度管片拼裝機是因管片拼裝需要而設(shè)計的，它與以往通用的管片拼裝機有所不同，解決了管片不能左右、前后擺動問題。文章對拼裝管片時6個自由度的運動作了描述，并分別介紹了回轉(zhuǎn)機構(gòu)、平移機構(gòu)、提升及左右擺動機構(gòu)、前后擺動機構(gòu)、水平擺動機構(gòu)；管片拼裝機的限位控制及安全要求；最后，還對管片拼裝機的操作加以說明。

　　1 研究目的

　　管片拼裝機是盾構(gòu)掘進機的重要部件之一，該機構(gòu)的功能直接影響到管片的拼裝質(zhì)量及盾構(gòu)掘進機的施工效率。

　　目前，我國和日本所設(shè)計和使用的盾構(gòu)管片拼裝機形式均為環(huán)式結(jié)構(gòu)，管片拼裝機中的管片鉗，在空間的移動和定位是通過旋轉(zhuǎn)盤體的回轉(zhuǎn)、提升油缸的上下運動、平移油缸的前后運動及支撐油缸的上下運動來實現(xiàn)的，從而完成隧道內(nèi)管片的拼裝施工。由于該機構(gòu)的運動只具有5個自由度，若管片與隧道的橫截面存在著1個小的夾角，則管片鉗就不能將管片安裝到準確的位置；此外，該管片拼裝機的左右懸臂梁之間僅靠提升橫梁進行連接，因而整體的剛度較差，較大的工作負載會破壞左右2個提升油缸軸線的平行度，使2個提升油缸的升降運動不同步，從而造成管片拼裝錯位；再者，該管片拼裝機的管片鉗直接設(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動的平穩(wěn)性。

為此，決定設(shè)計開發(fā)一種具有6個自由度的管片拼裝機，使管片鉗的位置、姿態(tài)、移動能充分滿足管片拼裝的需要；通過改進結(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為管片拼裝機示意圖。

2  六自由度管片拼裝機的研究與設(shè)計

　　本課題以f6160mm土壓平衡盾構(gòu)管片拼裝機為研究對象，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)隧道的軸線方向為X軸，隧道徑向水平方向為Y軸，隧道徑向鉛垂方向為Z軸。管片的6個自由度運動如圖2所示。

2.1 六自由度管片拼裝機機構(gòu)分析

　　六自由度管片拼裝機主要由回轉(zhuǎn)機構(gòu)、平移機構(gòu)、提升及左右擺動機構(gòu)、前后擺動機構(gòu)、水平擺動機構(gòu)、活動橫梁等組成。

　�、� 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

　　回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)盤體、驅(qū)動裝置及管片配重組成，驅(qū)動裝置采用液壓驅(qū)動、無級調(diào)速，使管片繞隧道軸線在YZ平面作旋轉(zhuǎn)運動。為使管片拼裝機在帶管片旋轉(zhuǎn)和不帶管片空轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)扭矩基本相等，必須加入配重。

　　平衡方程為：N=T1=T2

　　式中： N－拼裝機回轉(zhuǎn)所需的凈扭矩；

　　　　　　T1－拼裝機帶管片旋轉(zhuǎn)時所需的凈扭矩；

　　　　　　T2－拼裝機不帶管片空轉(zhuǎn)時所需的凈扭矩。

　　經(jīng)計算，其配重的重量為4860kg，回轉(zhuǎn)時所需的凈扭矩為63kN×m ，考慮安全系數(shù)為3，則拼裝機所需的扭矩為189kN×m�；剞D(zhuǎn)采用內(nèi)嚙合齒輪傳動，用1套油馬達和減速器驅(qū)動，選用內(nèi)齒式雙排推力角接觸球轉(zhuǎn)盤軸承。回轉(zhuǎn)機構(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，可無級調(diào)速；回轉(zhuǎn)范圍為±200º。

　�、� 平移機構(gòu)

　　平移機構(gòu)主要由懸臂梁、平移油缸、安裝座、固定盤體、滾輪裝置、軌道及中間橫梁等組成；機構(gòu)的主要功能是使管片沿隧道軸線方向移動，由2只平移油缸驅(qū)動拼裝機整體沿X軸作前后移動（從管片儲存區(qū)域到插入封頂塊）。2只油缸所產(chǎn)生的推力，必須克服拼裝機移動和封頂塊插入時所產(chǎn)生的阻力；同時，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體的兩側(cè)，拼裝機通過滾輪裝置沿著軌道作前后移動。拼裝機平移速度為0～15m/min，可無級調(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 提升機構(gòu)

　　提升機構(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，并附有注入潤滑油脂的設(shè)備，可以減少相對滑動時產(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（見圖3）。通過2只提升油缸同時伸縮，使拼裝機沿Z軸移動，即管片沿隧道徑向上下移動。

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個導(dǎo)向套（每個540kg）重量的總和及導(dǎo)向內(nèi)套與外套之間的移動摩擦阻力；根據(jù)拼裝時需要的實際行程（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（無級調(diào)速）。

　　油缸內(nèi)裝有行程傳感器，通過PLC控制，限制2只提升油缸的最大行程為655mm；提升時，2只油缸小腔同時進油，最大油壓20MPa；推出時，2只油缸大腔同時進油，最大油壓14MPa。為防止提升機構(gòu)在抓取管片時壓壞管片，提升機構(gòu)在垂直向下運動時，通過PLC控制2只提升油缸的最大油壓在5 MPa以內(nèi)。

　�、� 左右擺動機構(gòu)

　　左右擺動機構(gòu)是由拼裝機兩端的導(dǎo)向內(nèi)套，通過大銷軸，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)動的力學(xué)模型）。當(dāng)2只提升油缸的伸出量（行程）不同時，即h1>h2或者h1=<H2時，提升橫梁就會產(chǎn)生在YZ平面左右擺動，根據(jù)△h值的不同，可產(chǎn)生不同的水平擺動角度，最大擺動角α為11.75°（見圖4）。

⑸ 前后擺動機構(gòu)

　　前后擺動機構(gòu)由提升橫梁、管片鉗頭裝置、轉(zhuǎn)動平臺、中心球關(guān)節(jié)軸承、傾斜油缸、轉(zhuǎn)動油缸、銷軸和耳板A、B組成（見圖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)動平臺上；轉(zhuǎn)動平臺和活動橫梁用中心球關(guān)節(jié)軸承連接，轉(zhuǎn)動平臺可繞軸承的中心在XZ平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)；傾斜油缸的一端通過固定在提升橫梁上的耳板A和銷軸，與提升橫梁相鉸接，另一端通過固定在轉(zhuǎn)動平臺上的耳板B和銷軸，與轉(zhuǎn)動平臺相鉸接，油缸的軸線與轉(zhuǎn)動平臺的平面成一夾角。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，管片處于水平位置；油缸縮，轉(zhuǎn)動板帶著管片繞關(guān)節(jié)軸承球心沿隧道縱向向前擺動；油缸伸，管片則向后擺動。根據(jù)油缸的伸縮量大小，前后擺動的最大角度β為±2º。

水平擺動機構(gòu)由提升橫梁、傾斜油缸、轉(zhuǎn)動油缸、銷軸和耳板C、D組成（見圖6）。轉(zhuǎn)動油缸的軸線平行于轉(zhuǎn)動平臺，其一端通過銷軸和耳板C（固定在提升橫梁上），與提升橫梁相鉸接；另一端通過銷軸和耳板D（固定在轉(zhuǎn)動平臺上），與轉(zhuǎn)動平臺鉸接。轉(zhuǎn)動平臺在XY平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

　　轉(zhuǎn)動油缸的行程為30mm（±15mm），最大油壓21MPa，速度為0.6～1.8m/min。通

過油缸的伸縮，使轉(zhuǎn)動平臺帶著管片繞關(guān)節(jié)軸承球心沿盾構(gòu)推進方向作水平前后擺動，最大轉(zhuǎn)動角度g為±2.5º。 

　　2.2  六自由度拼裝機的限位控制及安全要求

　�、� 在拼裝機水平移動行程的兩端，各設(shè)置1只接近開關(guān)，用于限制縱向水平油缸的行程≤2000mm，但必須保證拼裝機能抓取管片和插入封頂塊；

　�、� 為限制拼裝機的回轉(zhuǎn)范圍，每端設(shè)置2只（雙重保險，當(dāng)?shù)谝恢晃雌鹱饔脮r，能發(fā)出報警信號）接近開關(guān)，保證拼裝機的機身旋轉(zhuǎn)范圍不超過±200º；

　　⑶ 設(shè)置2只旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)（在拼裝時不起作用），限止拼裝機在水平移動至取管片的位置時，只能在±5º～10º的小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動；

　�、� 在提升油缸內(nèi)裝有行程傳感器，在實際使用時，通過PLC控制2只提升油缸的最大行程為655mm；

　　⑸ 為防止拼裝機提升機構(gòu)在抓取管片時壓壞管片，在提升機構(gòu)垂直向下運動時，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的操作

　　⑴ 固定管片

　　先由管片吊運機構(gòu)將需要拼裝的管片吊運至準備拼裝的位置（推進油缸頂著的一環(huán)最下方）；然后，移動水平油缸，使管片拼裝機靠近待拼裝的管片，當(dāng)拼裝機上的管片固定夾頭移動到待拼管片邊緣上方時，降下夾頭，將夾頭的缺口對準管片上的吊裝螺栓（固定夾頭緩行到夾頭的中心，與吊裝螺栓中心重合時停止）；最后，操作管片固定油缸，使管片貼緊夾頭（通過聚氨酯橡膠墊），并固定在夾頭上。

　�、� 管片拼裝

　　管片的拼裝順序為：隧道正下方的管片（第一塊）→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

　　隨著我國地下隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，對地下施工機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強度，就需要設(shè)計、制造出性能好的施工機械。

六自由度管片拼裝機的設(shè)計，就是為了滿足管片拼裝的需要，新設(shè)計的管片拼裝機將接受施工實踐的考驗，希望得到同行們的幫助、指正，使其更加完善。