基于3-PRPS并聯機構的管片拼裝系統的設計與應用

孫志超，黃曉華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

管片拼裝機是隧道施工用的盾構掘進機中的重要關鍵部件之一［1］。在掘進完一環的距離后，管片拼裝機負責將預制的管片安裝到剛開挖好的隧道面上，形成襯砌，用來支護剛開挖好的隧道表面。管片拼裝的品質會直接影響到地下水的滲透和地表沉降。管片拼裝的速度對于整個盾構掘進的速度也影響很大，提高管片拼裝效率能夠有效地加快隧道施工進度，從而降低建設成本［2］。

目前，國內盾構施工都是采用管片拼裝系統將管片拼裝成隧道襯砌，管片拼裝系統由行走梁、平移機構、回轉機構、拼裝機構等組成，雖然實現了管片移動的機械化，但是管片的對中、就位、拼裝等大多數還是靠人工作業［3］。

南京三號線以及十號線所使用的德國海瑞克以及美國ROBBINS公司的六自由度管片安裝機雖然能實現一般路段的拼裝需求。但是在某些特殊路段，例如江邊，過江隧道等特殊路段，由于地質中水分含量較高，這就要求在掘進完一環以后，迅速進行管片安裝以及同步注漿。上述拼裝機不能很好的滿足這些特殊路段的要求。

本文設計了一種新型六自由度管片拼裝機，它不但能實現六自由度的安裝需求，而且與傳統的拼裝機相比，它能大幅度降低每一環所需的拼裝時間。

1 新型拼裝機機構創新設計

設計的管片拼裝機安裝于中盾H梁上，運行于盾尾，主要由平移機構，回轉機構，調節機構以及鎖緊機構組成。

如圖1所示，它能實現平移、回轉、升降、偏移、俯仰、搖擺六個動作。而且它能夠同時拼裝兩個管片，提高管片拼裝的效率。

圖1 拼裝機結構簡圖

2 新型拼裝機工作過程及工作原理

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為標準塊，B為連接塊，K為封頂塊。新型管片拼裝機的拼裝順序為，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）。

管片拼裝機在安裝管片時，左臂先進行粗定位，用舉重鉗抓取A2管片，然后平移油缸退回，隨后右臂順時針旋至始發位置，抓取A3管片，在左臂拼裝管片的同時，右臂移動到下一管片的位置，當左臂裝完第一塊管片后，右臂立即開始拼裝第二塊管片。以此循環，直到一環管片拼裝完成。

圖2 3A+2B+1K的管片建環

本論文所設計的具有六自由度的雙臂交錯拼裝的盾構管片拼裝機分左、右兩套獨立系統，結構和原理相同，以一套為例。

兩個懸臂梁沿盾構軸線方向且左右平行地固定在盾構機中盾的H梁上面，在其中間設有中間橫梁。回轉軸承內圈通過套筒套在懸臂梁上，它可以單獨沿z軸平移和繞z軸旋轉，它的外圈一側與升降油缸及調節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上，液壓馬達通過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，其同步伸縮帶動升降油缸和調節油缸一起通過回轉軸承在懸臂梁上滑動，也即沿z軸方向作前后平移運動。

調節油缸與升降油缸通過螺栓固定在回轉軸承外圈一側上，液壓馬達同步轉動帶動回轉軸承繞z軸方向作旋轉運動。

調節油缸、升降油缸配合平移油缸的協調運動可實現x軸向微調（左右搖擺）。

如圖3所示，升降油缸和調節油缸行程差配合平移油缸可實現繞x軸轉動（yz平面內俯仰）。

圖3 管片前后俯仰

升降油缸和調節油缸的升降配合調節油缸所對應的回轉軸承的旋轉可實現y軸升降。

如圖4所示，平移油缸的行程差配合調節油缸、升降油缸可實現繞y軸轉動（xz平面內偏移）。

更重要的是，通過雙臂的交錯拼裝，能大幅度降低一環管片的拼裝時間，提高拼裝效率。

圖4 管片左右搖擺

3 新型拼裝機自由度分析

根據空間機構自由度的分析，其自由度為:

式中:n為構件數，g為機構運動副數，fi為第i個運動副的自由度。

本機構中，n=12，g=13，分別為3個轉動副，6個移動副，3個球副，所以，自由度m=6。通過分析，該拼裝機為3-PRPS六自由度并聯機構，它主要以平移、旋轉、升降為主，俯仰運動、偏移運動和搖擺運動對活塞桿的位移基本沒有影響。

4 新型拼裝機安裝時間優化設計（表1）

拼裝機一般要求在30 min內完成一環管片的建環，管片建環的速度直接影響了整個路段的進程。原管片拼裝機需要四個工步，每個工步所需時間為206 s，236 s，256 s，291 s。設計完成一環管片所用時間:t1=206+2×236+2 ×256+291=1 481 s。

由于是雙臂交錯拼裝，在左臂第三工步完成y軸旋轉初調后，右臂就能開始第三工步并且能預先調整好x向移動，右臂第三工步的時間為t2=326－20－35－8－30－8－50=175 s，所以總的時間為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，極大減少了單環管片的安裝時間，提高了拼裝機的安裝效率，節約了整個線路開挖成本。

如果進一步采用雙電瓶車供給管片的話，能進一步節約一環管片的拼裝時間，大約能提高45%的效率。

表1 新機構一環管片的安裝時間

5 結論

本文設計的新型六自由度雙臂交錯拼裝的盾構管片拼裝機，與以往管片拼裝機的不同在于，這種新型拼裝機不僅能實現六自由度的全方位定位，而且通過雙臂的交錯拼裝，能極大地提高管片拼裝速度，加快整個路線的進程，節約盾構機的施工成本。通過將該系統與視覺測量系統相結合可以實現管片的全自動拼裝，進一步提高效率。

［1］何其平.海瑞克盾構在南京地鐵工程中的應用［J］.工程機械，2003（2）:12-15.

［2］陳緯.盾構管片拼裝機結構及功能簡介［J］.機械工程與自動化，2012（1）:92-94.

［3］崔國華，王國強，何恩光，等.盾構機的研究現狀及發展前景［J］.礦山機械，2006（6）:24-27.