一种新型盾构管片拼装系统设计与研究

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管片拼装是利用盾构法修建隧道的重要工序之-，在盾构施工过程中，开挖后的隧道需要用预制好的管片进行永久性支护，所以，管片拼装质量直接影响隧道工程质量。为了适应隧道管片形式的不断变化以及盾构工法的不断改进，管片拼装机从设计开发到生产制造都在进行不断的改进。国际上先后出现的典型管片拼装机主要有，日本 HITACHI集团研制的六自由度串联构型管片安装机、美国 Robbins公司开发出的单举重臂式管片拼装机、德国 Wirth集团开发的真空吸盘式管片拼装机 及德国Herenknecht公司生产的高精度对称举重臂式管片拼装机。

由于管片拼装机结构复杂、定位/控制精度高、运动特性复杂等原因，管片拼装技术仍是我国盾构施工过程中遇到的主要难点之-。随着机电液-体化技术、智能控制技术及数据处理技术等的快速发展，如何提高管片拼装机的自动化水平和管片拼装精度已经成为盾构施工领域的热门研究课题。2003年，蔡河山详细论述了国外土压平衡盾构管片拼装机液压系统的先进成套技术，并介绍了系统的工作特点、关键比例元件及系统成套路线；2004年，李含春 等设计了-种盾构管片拼装机无线控制器；2005年，丁书福 对盾构管片拼装机电液控制系统及无线邑器的软硬件进行了研究；2006年，石端伟 等开发出 GP6500型管片拼装机的虚拟样机，并对其动态特性进行了分析；2008年，张友湖 等，基于ADAMS平台进行了管片拼装机多体动力学仿真分析；2009年，赫万军 等提出了基于混联构型的管片拼装机设计方案；2010年，梅勇兵 8 等对盾构隧道管片拼装技术的研究现状和发展趋势进行了阐述。目前，国内关于管片拼装技术的研究多是运用三维设计软件进行参数化建模和设计，并借助于有限元分析软件和虚拟样机技术对整机的机械结构及其受力进行计算分析和功能模拟，少有专用于盾构管片拼装机特性研究的实体平台。为更好进行实验研究，本研究设计了-种管片拼装机模拟系统平台，能够为后期进行管片拼装系统运动特性的研究提供可靠的平台支撑。

1 机械结构设计管片拼装机的功能是在特定的隧道空间内完成管片的夹娶提升、定位和拼装，形成衬砌，使隧道-次成型〖虑到管片拼装机的施工环境和其低速重载、周期性往复作业的特点，选择采用液压驱动方式。图 1为管片拼装机六 自由度示意图，为实现管片在空间6个自由度的无干涉运动，管片拼装机应具有实现平动、仰俯、侧翻、横尧提升及回转等 6个动作的能力。

管片拼装机的动作分为粗调和微调两类，其中平动、提升及回转为粗调动作，仰俯 、侧翻及横摇为微调收稿日期：2013-03-07基金项 目：国家973课题(2012CB724308)；国家国际科技合作专项资助(201 1 DFB71550)作者简介：冯欢欢 (1987-)，男，湖北随州人，助工，硕士，主要从事盾构液压系统设计与研究工作。

72 液压与气动 2013年第9期1--平动 2--仰俯 3--侧翻 4--横摇5--提升 6--回转图 1 管片拼装机 6自由度示意图动作。在该实验台设计过程中，对管片拼装机的机械结构进行了简化，图2为实现管片拼装机平动、提升动作的机械结构简图，管片的微调动作由5个液压缸分别驱动实现。

图 2 粗调机构 示意 图管片通过支撑滑块(惯性负载)与执行机构相连，在水平液压缸和竖直液压缸的推动下，支撑滑块分别沿着水平导轨和竖直导轨进行运动，进而实现了管片的水平和竖直移动。管片的回转运动，是通过液压马达、行星减速器及-级圆柱齿轮传动实现的(图3)。

液压马达的输出扭矩经减速器、圆柱齿轮传递给回转支架，从而驱动回转架及安装在其上的管片旋转。

图 3 回转机构局部结构 图2 控制方案管片拼装机的所有动作均由液压系统来驱动完成，分别为纵向平动液压系统、仰俯及侧翻液压系统、横摇液压系统、提升液压系统、回转液压系统。

2.1 回转 系统液压原理如图4所示，管片的回转运动主要由液压马达7驱动实现，同时由于管片及回转机构在转动时具有较大的惯性，为减小冲击，配备了两个平衡阀，该系统所需最大流量为40 L/rain。

2.2 提升 系统管片的竖直方向运动靠两个竖直液压缸 5、6来实1.比例方向阀 2.平衡阀 3.压力表 4.压力传感器5.扭矩传感器 6.角度传感器 7.马达图4 回转液压系统原理图现，为实现竖直位移和运动速度的精确控制，分别配备了外置式位移传感器。平衡阀2用来保证管片竖直方向运动的平稳性，同时避免管片由于重力作用而突然下滑，提高系统的安全性，液压原理如图5所示。系统工作压力28 MPa，液压管直径为 DN10，单支路最大流量为 1 lMmin。

41.比例方向阀 2.平衡阀 3.压力传感器 4.压力表 5、6.液压缸图5 提升液压系统原理图2.3 平动横摇 系统平动、横摇液压系统(图6)主要由液压缸、液压锁及换向阀等元件组成，平动、横摇支路所需最大流量分别为0.2 IMmin、0.3 L/rain，系统工作压力为28 MPa。

工作时，比例方向阀6控制管片的运动速度和方向，液压缸4、7驱动管片实现平动和横摇动作。

1.溢流阀 2.压力表 3.压力传感器 4、7.液压缸5.液压锁 6.比例方向阀图6 平动横摇液压系统原理图2.4 仰俯侧翻 系统管片的俯仰、侧翻动作主要依靠液压缸 4～7实2013年第9期 液压与气动 73现。起初 4个液压缸同时顶在管片内侧，当液压缸 4与 5，缸6与7分别同时动作时，可实现管片俯俯仰动作，当压缸4与7、缸5与6分别同时动作时，可实现管片侧翻动作。由于管片拼装时对管片的空间位置精度要求较高，因此每个支路均由比例方向阀 9进行流量的控制，并通过压力传感器 2和压力表 3实时检测和显示液压管压力，具体如图7所示。

1.溢流阀 2.压力传感器 3.压力表 4～7.液压缸8.液压锁 9.比例方向阀图7 俯仰侧翻液压系统原理图3 液压系统设计由于管片拼装系统的 6个子液压系统不同时工作，