新型隧道鋼環安裝機的設計與研究

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

0 緒論

隨著軌交通車里程的延長和運營年數的增加，軌交隧道結構的安全愈顯重要，因此對于軌交已運行隧道的日常維修就顯得尤為重要。為保證隧道結構的耐久性、安全性和軌交的正常運營，采取隧道內安裝鋼環的技術措施，對管片結構進行長期加固。維修過程中，由于施工空間狹小、大重量鋼板構件難以精確定位和安裝等，給隧道管片加固的質量、安全等帶來了一系列難題。

鋼環安裝機是一種專門用來在隧道施工時對鋼環進行抓取、舉升以及調整鋼環姿態等作業的機械設備，它可以減輕體力勞動，提高勞動生產率，在生產過程中進行某些特殊的工藝操作，實現機械化和自動化[1]。

相較于國內同類產品的少自由度，新設計的安裝機械手多達9 個自由度，末端斗桿機構（安裝鉸）能旋轉并擺動，操作更為靈活簡單，可實現隧道維修全斷面任意位置的安裝。它具有快慢2 擋變速，有效提高了作業效率。

1 鋼環安裝機設計概述

1.1 鋼環安裝機設計要求

鋼環在安裝過程中需要包括2 個方面的內容：一是鋼環機械手在安裝鋼環時，可在有抓取鋼環、安裝鋼環等過程時，機械手臂能靈活調整抓取姿態以適應自動或人工安裝；二是在適應隧道惡劣環境的同時，保證安裝機械手施工過程中設備及人員的安全性。

綜上所述，鋼環安裝機應滿足以下設計要求：

（a）機械手臂應該結構緊湊，在滿足強度要求下保證安全穩定性；

（b）機械手臂能夠實現鋼環全方位移動，實現工件的六自由度移動、任意位置就位；

（c）行走底盤要有廣泛的適應性，適用于惡劣環境；

（d）安全的液壓、電氣操控系統；

（e）經濟適用，故障率低。

1.2 總體設計方案

工程機械設計的第一步是功能規劃與總體設計，通過分析工程機械的施工現狀和施工特點，提出臺車的設計要求和工作性能等參數。根據要實現的功能設計要求分析，規劃車輛的設計方案與總體布局。

鋼環安裝機放置于隧道標準平板車之上，主要由底盤、鋼環安裝機械手和液壓及電氣與控制系統等部分組成，結構如圖1所示。由于隧道內施工過程中環境惡劣、工作時間長，對很多主體構件受力要求較高，故伸縮臂都采用挖掘機大小臂類似的型鋼板材焊接，保證整體加工的強度與精度。機械伸縮臂通過轉臺固定在行走底盤上。在鋼環安裝過程中，主要需要完成鋼環的翻轉、圓周運動和左右擺動等動作?？紤]到鋼環安裝中惡劣的環境影響，本鋼環安裝機采用液壓驅動的方式，主要分為3 個步驟：

（a）鋼環安裝機用掛腳將鋼環抓舉到安裝位置；

（b）鋼環安裝機通過大小伸縮臂將鋼環舉升到一定高度，同時通過斗桿機構來調整鋼環的姿態，從而將鋼環由運輸時的沿隧道軸線方向轉動改為垂直隧道軸線方向；

（c）在鋼環姿態調整好后，由安裝工人安裝鋼環端頭的連接螺栓。

圖1 鋼環安裝機機械手結構

2 鋼環安裝機主要機械結構設計

2.1 底盤組件的設計

底盤主要由底盤回轉機構、底盤橫移機構、底盤縱移機構和底盤支撐組成。底盤橫向和縱向的移動是通過導軌機構來實現的，其設計克服了軌道牽引機車只能沿軌道縱向行駛的缺陷，用油缸來縱向與橫向運動的精確定位，大大節約了運行時間。底盤的支撐機構由2 個支撐腳組成，見圖2。2 個支撐腳沿著隧道的徑向方向布置，這樣可以防止鋼環安裝機在施工過程中由于重心不穩而發生傾覆。支撐腳與底盤主體是通過銷軸進行連接的，當施工完畢后可以將支撐腳折疊，從而可以減少鋼環安裝機的占地空間。

圖2 底盤支撐機構伸展示意

2.2 伸縮臂的設計

伸縮臂安裝在底盤上部中心位置的回轉平臺上，如圖3所示，可以隨回轉平臺進行轉動。伸縮臂由大臂和小臂組成，通過大小臂實現活動抓手遠近高低的調整。大臂采用矩形截面的箱型結構，通過連接件與底盤機構連接，大臂與底盤的鉸接點位于底盤中心，在舉升液壓缸的作用下繞該點運動。大臂的2 個伸縮液壓缸并聯布置在底盤機構上，通過液壓缸的作用可以實現大臂在垂直方向上0°～90°的轉動。小臂與大臂相鉸接，其伸縮液壓缸布置在大臂的箱型結構上。小臂上部裝有一個轉動支架，可以為斗桿提供近360°的旋轉，從而增加了末端掛腳的自由度，其回轉用的液壓馬達與底盤用的液壓馬達形式是一樣的。

圖3 伸縮臂結構

2.3 斗桿機構的設計

斗桿機構的設計是本安裝機的一大亮點，其巧妙的結構設計不僅可以增加安裝機的伸長范圍，還增加了末端掛腳的擺動范圍。斗桿機構安裝于小臂上部的轉架之上，并可隨轉架繞小臂軸線方向作360°旋轉。

斗桿機構（圖4）由斗桿油缸、斗桿箱體、小腳油缸一、小腳油缸二和掛腳組成。斗桿箱體鉸接在小臂上部的轉架上，在斗桿油缸的作用下繞該鉸接點轉動60°。其設計能使機械手在有限的空間內微調鋼環片的位態。掛腳通過2個小腳油缸與斗桿箱相連，其中小腳油缸二被約束在箱體內，只能沿其軸線作伸縮運動，而小腳油缸一有2 個自由度，即繞斗桿箱的轉動和沿油缸軸線的伸縮運動。在小腳油缸一和二的配合作用下，掛腳可以完成－65°～60°范圍內的旋轉。

圖4 斗桿機構

3 鋼環安裝機機構自由度計算

鋼環安裝機的機構簡圖如圖5所示，結構簡圖將底盤回轉副和小臂上部的轉架回轉副均簡化成轉動副，從而巧妙地將空間機構轉化成平面機構。為了能夠正確算出機構的空間自由度，本文采用歐陽富等[2]提出的空間機構自由度計算公式，其表達式為：

式中：W——空間機構的自由度；

P——空間機構運動副自由度總數；

λ——空間機構運動副的多余自由度數目；

3——空間機構每個封閉環的約束數，或者說它是獨立位移方程數及條件約束數；

N——空間機構的封閉環數。

由圖5可知，安裝機的運動副自由度總數為26，其中包括14 個轉動副，2 個移動副和5 個圓柱副。轉動副和移動副均只提供1 個自由度，圓柱副則提供2 個自由度。運動副多余自由度數目為5，機構中的圓柱副可以提供移動和轉動2 個自由度，其中轉動自由度是多余的?？臻g機構的封閉環數為4，其中大臂油缸、小臂油缸和斗桿油缸各組成1 個封閉環，2 個小腳油缸組成1 個封閉環。將以上數據帶入自由度計算公式可知：

因此，鋼環安裝機的自由度為9，這也與機構的驅動器數是相符的。對于三維空間中的任一剛體，其位姿必須由6 個參數才能確定，因此6自由度是具有完整空間定位能力的機器人最小的自由度數。

本文中的鋼環安裝機有9個自由度，從而增加了安裝機末端的靈活性和避障能力，改善了安裝機的運動學和動力學特性。

圖5 安裝機機構

4 鋼環安裝機的工作空間

工作空間是指機器人臂桿末端關節坐標系原點在一定條件下所能達到空間的位置集合。工作空間的形狀和大小反映了機器人的活動范圍，是衡量機器人工作能力的一個重要的運動學指標[3]。

使用蒙特卡洛法求解機械手工作空間關鍵在于機械手各關節在相應取值范圍內工作，當所有關節在取值范圍內隨機遍歷取值后，得到的末端點的集合就構成了機械手的工作空間。由蒙特卡洛法可以得出鋼環安裝機在隧道徑向的工作空間如圖6所示。

圖6 鋼環安裝機在隧道徑向的工作空間

5 結語

本文主要對鋼環安裝機的各個組成結構進行了闡述，計算出其自由度，并利用蒙特卡洛法描繪出了鋼環安裝機在隧道徑向操作的工作空間，為安裝機的實際操作提供了理論依據。通過上述研究，經過上海軌交10號線新江灣城至殷高東路站隧道整修工程實際運作，滿足了管片加固中鋼環安裝的精確度等要求，為整修工程的順利完成打下了扎實基礎。