盾構機管片拼裝機振動與摩擦分析

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院 廣東廣州 510641；2.中船重型裝備有限公司 廣東廣州 511466)

盾構工法是利用盾構機進行隧道掘進的方法，該方法能大大減少地鐵挖掘對老城區工作和生活的影響[1-3]。管片拼裝機是盾構機主要部件之一，位于盾構機體的盾尾部分，其主要功能是對掘進之后的隧道進行管片安裝，保護已開挖的隧道表面。管片拼裝機的可靠性、穩定性和運動精度，將大大影響著管片拼裝的質量和精度[4]。

目前的管片拼裝機存在運行到水平或者垂直位置時發生劇烈振動和產生噪聲的問題，可能影響管片拼裝的精度，需要對振動和噪聲進行分析，并對結構進行優化[5]，以消除振動和噪聲。

1 管片拼裝機三維建模與仿真

以中船重型裝備有限公司φ6300機型為對象進行研究，如圖1所示為該機型的管片拼裝機實物圖。

圖1 φ6300機型的管片拼裝機實物圖Fig 1 φ6300 Erector Physical map of segment assembly machine of φ6300 Erector

1.1 管片拼裝機三維模型的建立

如圖2所示，為管片拼裝機的三維模型圖。管片拼裝機包含5大主要機構，分別為管片鎖緊機構、周向回轉機構、軸向平移機構、徑向平移結構以及可以進行俯仰、橫搖、偏轉的微調機構。

圖2 管片拼裝機總體機構圖Fig 2 Mechanism diagram of the segment assembly machine

1.2 管片拼裝過程分析

一環管片由三塊A型(A1、A2、A3)管片、兩塊B型(B1、B2)管片和一塊K型管片組成，如圖3所示。在管片拼裝過程中，先安裝底端的A1管片，然后依次安裝對稱的A2和A3管片，接著安裝B1和B2管片，最后安裝K型管片。根據施工隧道的不同，相鄰的兩環管片之間可能會有一定的角度，為了仿真的方便，文中只對圖3所示的管片拼裝方式進行討論。

1.3 管片拼裝機運行過程仿真

管片拼裝機的零件較多，難以進行動力學仿真，需要對管片拼裝機進行簡化，只留下與運動相關的主要機構。簡化后的模型圖如圖4所示。簡化模型只包含旋轉環、徑向平移機構、軸向平移機構(包括管片抓取頭)和管片4個機構。化簡后4個機構的質量和轉動慣量需與簡化前模型對應機構一致，如表1所示。

圖3 直線襯砌環管片構造圖Fig 3 Structural drawing of linear lining ring

圖4 簡化后的模型圖Fig 4 Simplified model diagram表1 機構轉動慣量及質量Table 1 Inertia and mass of mechanism

機構名稱Ixx/(kg·m-2)Iyy/(kg·m-2)Izz/(kg·m-2)質量m/kg旋轉環2×10-41×10-41×10-46 182徑向運動7 1845 0782 9887 831軸向運動1069814700A型管片5 9415 2151 0834 823B型管片3 6433 3554873 227K型管片2591391361 071

為了模擬實際運行條件，增加了機構間的接觸應力和摩擦力。鋼與鋼之間的靜摩擦因數為0.15，動摩擦因數為0.15，接觸應力為207 GPa。腳墊與管片之間主要是靜摩擦，摩擦因數為0.8。

文中主要對管片抓取后受力情況進行分析。在實際工作過程中，管片起吊螺栓和抓取頭連接塊對中后，通過鎖緊機構自動將管片起吊螺栓鎖緊，然后徑向平移油缸提升管片；平移至待拼裝斷面后，接著周向回轉機構將管片旋轉至確定的角度；徑向平移油缸下壓管片，完成管片在隧道中的初步定位[6-10]。以上步驟可以總結為表2所示的運動速度及運動時間等運動仿真參數。

表2 管片運動仿真條件Table 2 Simulation conditions of the motion of the tube

2 管片拼裝過程仿真結果及分析

分別對4種安裝情況進行ADAMS運動仿真，仿真結果如圖5—8所示。定義垂直向下方向為0°，順時針旋轉為正方向。X軸為時間，以抓取頭與管片螺栓進行對中為起始點，對中過程持續10 s，Y軸為驅動力。

圖5 平移油缸驅動力曲線Fig 5 Driving force curves of shift cylinder

由圖5可知：10 s附近管片抓取機構與管片螺栓進行對中，該處的驅動力小幅變大；10～30 s之間驅動力變化不劇烈；30～50 s之間為拼裝機轉動階段，這個過程的驅動力變化比較劇烈，峰值出現在40 s附近，即管片運行到水平處，此時最大的驅動力約為2.5×105N。目前使用的液壓缸最大驅動力為5×105N，能滿足平移運動。

由圖6可知：10 s附近力驅動力有一個小范圍的波動，管片在30 s之前需要一定的驅動力，但總體需要的驅動力比較平穩；30～50 s之間需要的驅動力增大，并一直呈增大趨勢，37 s附近驅動力最大，也是運動到水平位置處，此時最大驅動力約為3×105N。目前使用的液壓缸最大驅動力為5×105N，能滿足平移運動。

圖6 伸縮油缸驅動力曲線Fig 6 Driving force curves of telescopic cylinder

由圖7可知：前30 s在管片旋轉過程中，扭矩相對平穩為8×107N· m。而后30～50 s為旋轉運動，扭矩波動非常厲害，也達到最大值1.6×108N· m；60～70 s為管片拼裝過程，相對而言扭矩波動減緩。目前使用的液壓缸最大扭矩為3×108N· m，能滿足平移運動。

圖7 電動機扭矩曲線Fig 7 Motor torque curves

由圖8可知：連接副受到的力與管片質量相關。每次運動發生變動的時候，連接副都會受到一定的沖擊載荷，沖擊載荷的幅度均不大。連接副在管片達到±45°的位置時，受到的力最大；在±135°位置時，受到的力最小。

圖8 連接副受力曲線Fig 8 Force curves of connection pairs

3 針對振動與摩擦的改進

通過上節的分析可以得到，在正常摩擦因數為0.15時，液壓缸完全能滿足工作要求，但是如果由于安裝不正確或者加工沒達到精度要求，會使機構運動的摩擦力增大，可能超過液壓缸推力或者拉力極限，從而引起抖動。一般運行過程中受力最大的位置為旋轉過程，特別是運行到水平位置。在實際調試過程中，也是這個位置最容易發生抖動。

當管片運行到垂直處時，也即約55 s以后無論是平移油缸、伸縮油缸和電動機所需的驅動力都不大，因此產生噪聲的原因是：螺栓與抓舉頭都是鋼材，剛度比較大；同時為了方便管片的抓取，螺栓和抓取頭鏈接處有縫隙，因此當管片向下壓時，連接處產生碰撞從而引起噪聲。通過仿真可以得到接觸應力曲線如圖9所示。接觸面均為鋼材料，接觸應力為200 GPa，實際運行中接觸力最高達2×107N。

圖9 連接應力曲線Fig 9 Connection stress curve

為了降低機構運動的摩擦力，同時消除由接觸面間隙引起的噪聲，在抓取頭與螺栓連接處刷了一層約2 mm厚的金屬橡膠涂層。橡膠材料的接觸應力1 GPa。改進后的接觸應力曲線如圖10所示。改進后接觸力最高為2×106N。

圖10 改進后的連接應力曲線Fig 10 Connection stress curve after improvement

比較圖9、10可知：改進后最大接觸力下降了一個數量級，且最大應力的持續時間也減少。仿真結果證明該方法能有效降低接觸面上的應力，從而有利于降低運行過程中的振動和噪聲。

4 結論

(1)盾構機管片拼裝機產生振動的原因是機構安裝不正確或者加工沒達到精度要求，使機構運動的摩擦力增大，當摩擦力超過液壓缸推力或者拉力極限時，從而引起運動過程中的抖動。

(2)盾構機管片拼裝機產生噪聲的原因是管片螺栓和抓取頭是鋼和鋼接觸且連接有間隙，在管片運行到垂直方向時連接處會產生碰撞從而引起噪聲。

(3)提出在管片螺栓上涂金屬橡膠涂層以降低摩擦力和最大接觸力的解決方法。仿真結果證明該方法能有效降低接觸面上的應力，從而有利于降低運行過程中的振動和噪聲。

(4)對管片拼裝機中主要的液壓驅動進行仿真分析，得到運動過程中的受力曲線，為今后液壓缸的驅動力計算、壽命計算等提供有用數據。