掘進機用管片拼裝機回轉機構設計與分析

程曉曉

摘 要：目前，國內城市地鐵建設迅速發展，盾構機施工已經成為大多數城市地鐵隧道施工中的首選工法，管片拼裝機作為安裝襯砌管片的機器手，其管路設計特別是管路回轉機構的設計對管片拼裝機旋轉角度的設計有重要影響。本文針對管片拼裝機管路回轉機構進行設計，并針對現有的管路回轉機構進行了原理分析、結構計算說明及優缺點分析;為后期管片拼裝機管路設計提供了技術參考。

關鍵詞：管片拼裝機;回轉;設計;分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.053

0 引言

隨著現代化程度的提高，掘進機在地鐵、水電、煤礦等需要進行地下挖掘的領域正得到越來越廣泛的應用[1-3]。在國內，掘進機根據掘進方式及工程地質等方面的不同又分為盾構機、TBM（敞開式、單護盾、雙護盾）、頂管機等類型。盾構機以及部分TBM在隧道掘進過程中會使用管片拼裝襯砌，對隧道進行保護。隧道管片環一般采取對不同分塊管片旋轉特定角度拼裝的形式，因此頂部管片拼裝時旋轉角度需要大于180°。由于管片拼裝機抓取、微調管片需要一定數量的液壓、電氣管路提供動力，故需對相應管路回轉機構進行針對性設計。

1 管片模型

本文以某城市地鐵隧道用管片為例進行說明。管片外徑6m，分為6塊，如圖1所示。在該圖中，拼裝頂部管片時，管片拼裝機需旋轉理論量為180°。因此，為保證旋轉余量，設計管片拼裝機旋轉角度±200°。

2 管路回轉機構設計

常用的回轉機構，不同的廠家設計有不同的結構。概括來說，可分為拖鏈式、導輪式、卷線輪式3種不同的機構。

2.1 拖鏈式

該種機構常見于海瑞克、中鐵裝備、鐵建重工等廠家。

拖鏈雙向回轉各200°，使用電氣元件控制。結構采用管路支架引導及保護。不同直徑的管片對應設計有不同的管路支架及拖鏈。管路支架及拖鏈旋轉角度分析如圖2-3所示。

拖鏈內圈固定，外圈旋轉。圖示R1、R2、R3均相對于拖鏈中心線定義，為管片拼裝機其他結構確定后的尺寸，該處可作為已知條件。假設拖鏈總長度為L。則角度α、β、L為需求解參數。

圖2中，拖鏈由外圈固定端A沿順時針轉動角度δ（200°）至點B。圖3中，拖鏈由外圈固定端A沿逆時針轉動角度δ（200°）至點D。

由圖2-3及已知條件列方程：

該處以鐵建重工參數為例代入已知條件：R1=1600mm，R2=1915mm，R3=157.5mm。

可得：

α=1.5889=91.04°;β=0.3128=17.9°;L=6580.4mm。

根據拖鏈總長度尺寸L，可進一步確定拖鏈參數。

2.2 導輪式

該種機構常見于NFM等廠家。

導輪式回轉機構原理簡圖如圖5所示。

圖中，點E、F為管路的輸入端，相對固定;點G、H為管路輸出端，在管片拼裝機其他部件的驅動下，拉動管路繞中心點O轉動;D為導輪，被動旋轉。

采用該方式，回轉角度理論上可360°轉動，范圍大，空間占用也較小。但該方式對管路質量及相對滾動裝置的要求極高，在隧道施工經常出現泥漿、噴涌等環境中，易出現滾動裝置卡死、管路經常磨損更換等情況。圖6所示為12局某工地施工情況，圖7所示為20局某工地施工情況。圖6中所示磨損為滾動輪因泥漿導致卡死，管線直接滑動摩擦。

2.3 卷線輪式

該機構常見于日式盾構、羅賓斯、海瑞克（小盾構）等廠家。

卷線輪式回轉機構原理簡圖如圖8所示。圖9所示為11局某工地采用卷線輪的情況。

圖中，J為卷線輪，一般固定于機架上面;管路K固定于管片拼裝機旋轉機構，在回轉力矩驅動下，拉動J中卷繞的管路。

該結構回轉角度理論可達360°，可在隧道直徑小、回轉驅動力較小時使用。大直徑也有使用，但對管路要求較高，管路經常處于卷繞或者受拉狀態，易出現損壞。

3 優缺點分析

管片拼裝機的抓取、旋轉等操作，均需要相應液壓、電氣管路提供動力。在維持管片拼裝機使用功能的前提下，首先應確保管路的正常使用。

表1內所示為3種管片拼裝機回轉機構的優缺點分析對比。

4 結論

根據以上分析，管路回轉機構的設計與選擇應在保護管路的前提下，根據具體的工況、預留空間的大小、管路性能等確定。

（1）在空間允許的情況下，優先選擇拖鏈式。管路無附加外力與摩擦力。

（2）空間較小時，可選擇導輪式與卷線輪式。這兩種方式運行時管路均受到不同程度的拉力，導輪式更有可能導致滑動摩擦磨損。

參考文獻：

[1]王夢恕.中國鐵路、隧道與地下空間發展概況[J].隧道建設，2010，30（04）：351-364.

[2]張占強.全斷面掘進機管片拼裝機設計研究[D].長春.吉林大學，2009.

[3]Yukinori Koyama.Present status and technology of shield tunneling method in Japan[J].Tunneling and Underground Space Technology，2003（18）：145-459.