大直徑盾構機管片真空吸盤系統設計應用

嚴振林

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

國家“十四五規劃”強調要發展壯大城市群和都市圈，將規劃新增城市軌道交通運營里程3 000 km[1]。盾構法作為城市地下隧道施工的主流方法，具有對周圍環境影響小、自動化程度高、施工快速、優質高效、安全環保等優點，在地下施工中顯示出強大的優勢[2]。

盾構機是盾構法隧道施工的核心，盾構機施工過程中，通過盾體外殼和預制成型管片支承圍巖防止發生隧道內的坍塌，可實現隧道一次成型[3]。一般來說，直徑8 m以下中小型盾構機管片起吊及拼裝采用機械抓取完成，而直徑8 m以上大型盾構機管片起吊及拼裝則采用真空吸盤實現[4]。

管片真空吸盤系統是大型盾構機的核心部件之一，相比傳統機械抓取管片設備，真空吸盤抓取管片具有速度快、承載能力強及可靠性高等優勢。但由于涉及機械、電氣、液壓等多學科先進技術，通常只在大直徑管片起吊及拼裝時使用，其技術難點主要體現在大面積曲面鋼板焊接變形控制、大容量真空容器焊接氣密性控制以及大尺寸真空吸盤工業性試驗等方面[5-8]。

2 真空吸盤組成結構及工作原理

2.1 真空吸盤組成結構

真空吸盤與盾構機拼裝機之間通過紅、藍液壓缸連接，主要實現對管片的吸附、拼裝和釋放。真空吸盤可實現沿隧道橫斷面徑向位移、沿洞軸線縱向位移、沿拼裝機軸線360°回轉、沿吸盤中心線±3°微調回轉及±3°微調俯仰和小盤伸縮六個自由度的動作。為實現此工程需求，設計出的真空吸盤系統主要由吸盤主體結構、真空氣路系統(包括真空泵、單向閥、空氣濾清器、真空電磁閥、真空壓力傳感器、真空表、接頭、軟硬管路等)、管片類型識別系統(包括伸縮探針、探針接近開關、小盤伸縮液壓缸接近開關等)、管片定位系統(包括定位銷、激光發射器)、吸盤回轉液壓缸、吸盤俯仰液壓缸、小盤伸縮液壓缸、液壓控制閥、電控箱等部分組成，如圖1所示。

圖1 真空吸盤結構組成

2.2 真空吸盤工作原理

真空吸盤接收拼裝機系統的控制命令，完成指定動作后反饋執行結果至拼裝機，真空吸盤主要實現對管片的吸附和釋放。如圖2所示，真空泵通過止回閥，從真空腔體中抽出空氣，并保持真空度在85%以上(最大至99%)；兩位三通真空電磁閥4和5可通過電磁作用變換位置，連接真空腔、真空吸盤和外界大氣；按下吸附按鈕，吸盤控制系統會自動識別管片種類，并切換電磁閥至閥芯位置，此時真空腔與工作腔逐漸連通，至工作腔壓力大于80%滿足起吊條件；按下釋放按鈕0.5 s，空氣瞬間進入吸盤10、11、12，被吊管片隨即與吸盤脫離，完成管片釋放動作。真空腔與吸盤隔離，等待下一次的操作；電磁閥由電磁脈沖控制，在斷電情況下，電磁閥不會改變位置，管片依然能保持長時間吸附狀態。

圖2 真空吸盤工作原理

3 真空吸盤硬件設計

3.1 真空吸盤技術參數

(1)額定吊重:8 t；

(2)K塊吊重:2.6 t；

(3)K塊行程:180 mm；

(4)微調回轉:±3°；

(5)俯仰回轉:±3°。

針對8 t額定吊重，真空吸盤80%真空度時豎直向上的吸力為:

式中:Pv為100%真空度時的壓力；Sv為左、中、右三個工作腔面積之和。

設計取2.5倍的系數，則:

針對2.6 t的K塊吊重，真空吸盤80%真空度時豎直向上的吸力為:

式中:Pk為100%真空度時的壓力；Sk為中間工作腔面積。

同樣取2.5倍系數，則:

針對以上各參數，元器件選型及結構設計可完全滿足要求。

3.2 真空吸盤結構計算

依據吸盤系統具體結構，設計三維數學模型。按照實際工況，真空吸盤系統工作過程中，對結構考驗最為嚴苛的工況有三種。

(1)工況一:真空吸盤繞圓周旋轉至盤面與地面呈90°，此時吸盤受管片擠壓力Fa＝250 kN和管片重力G1＝80 kN。仿真計算中，大臂兩端與紅藍油缸連接處施加固定約束。由于擠壓力Fa和管片重力主要依靠定位銷承重，在兩個定位銷處各施加F＝(Fa+G1)/2＝165 kN的作用力，同時施加真空吸盤系統自重G，得到工況一仿真邊界條件，如圖3所示。

圖3 工況一仿真邊界條件

(2)工況二:真空吸盤繞盾構機圓周旋轉至盤面與地面呈90°，真空吸盤安裝管片過程中，受到上一環管片對吸盤系統沿掘進方向的作用力Fb＝150 kN和管片的重力G1＝80 kN。為此在仿真中，大臂兩端與紅藍油缸連接處施加固定約束。由于擠壓力Fb和管片重力G1主要依靠定位銷承重，但二者方向不同，因而兩個定位銷部位沿-Z方向各施加75 kN的力，沿-X方向各施加40 kN的力，同時施加真空吸盤系統自重G，得到工況二仿真邊界條件，如圖4所示。

圖4 工況二仿真邊界條件

(3)工況三:真空吸盤吸附管片過程中，受大油缸施加的豎直向下的力Fc＝700 kN，為此在仿真中，在吸盤下盤面及工作腔與管片接觸的棱邊施加固定約束，在大臂兩端與紅藍油缸連接處各施加沿圖5所示方向350 kN的作用力，同時施加真空吸盤系統自重，得到工況三仿真邊界條件，如圖5所示。

圖5 工況三仿真邊界條件

真空吸盤材料參數如表1所示，進行網格劃分并設置仿真算法與收斂精度，得到工況一條件下真空吸盤系統計算結果。

表1 真空吸盤材料參數

根據分析結果，工況一條件下真空吸盤最大應變發生在定位銷部位，最大應變值為0.17 mm，而此處的應力也最大，為145 MPa。

同理，進行工況二和工況三條件下真空吸盤系統應變和應力分析，去除應力奇異點，可以最終得到三種工況下真空吸盤系統應變和應力值，如表2所示。由表2可知，最大應變為2.71 mm，相比真空吸盤尺寸處于可接受的應變范圍。工況一和工況二條件下，最大應力為145.3 MPa，遠小于材料的屈服強度；工況三受力700 kN，最大應力為513.6 MPa，出現在大臂與盤面之間的定位銷處，該處材料屈服強度為930 MPa，滿足1.5倍的安全系數。綜上，真空吸盤系統滿足實際工況需求。

表2 真空吸盤系統性能參數

4 真空吸盤軟件設計

圖6為真空吸盤控制系統示意圖。真空吸盤系統設置獨立的從PLC控制器，負責管片拼裝過程中的信號采集和狀態控制，一方面接收遙控器通過拼裝機主PLC發送來的控制命令，另一方面將采集到的管片拼裝狀態信號發送回主PLC，整個過程可以實現自動化。真空吸盤從PLC所采集的信號包括:真空腔壓力、左工作腔壓力、中間工作腔壓力、右工作腔壓力，用以識別管片種類的左、中、右、小盤伸縮識別探針信號及進行管片定位的激光發射器信號等。所控制的狀態有:接通真空腔、工作腔、外界大氣的真空電磁閥狀態，控制小盤伸縮油缸、吸盤回轉油缸、吸盤俯仰油缸的液壓換向電磁閥狀態及進行故障提示的塔式報警燈狀態等。

圖6 真空吸盤控制系統示意

選擇西門子ST30 PLC作為吸盤系統控制器，通過編寫梯形圖程序實現管片拼裝系列功能動作，控制流程如圖7所示。可實現的主要動作包括:(1)操作拼裝機，使吸盤位于管片正上方。(2)伸出紅藍油缸，下降吸盤，使吸盤兩個定位銷對正管片的兩個定位銷孔，使一側的兩個激光發射器打出的光斑對準管片定位凹坑；當吸盤密封條與管片上表面開始接觸時停止紅藍油缸動作，觀察吸盤四周密封條與管片貼合情況，此時可通過操作微調回轉油缸或俯仰油缸調整吸盤的對位狀態。(3)繼續下降吸盤，至紅藍油缸不再伸出為止(操作工人目測判別)。(4)觀察吸盤四周，如無異常，按下吸盤吸附按鈕，待塔式報警燈顯示綠色后(此時吸盤工作腔的真空度達80%以上)，松開吸附按鈕。(5)操作拼裝機，使管片到達安裝位置。(6)連接待安裝管片與相鄰環向、縱向已安裝管片之間的連接螺栓，確保管片安全固定。(7)操作吸盤釋放按鈕，使吸盤與管片脫離。(8)操作拼裝機進入下一工作循環。

圖7 真空吸盤控制流程

5 真空吸盤樣機研制

管片真空吸盤系統需與拼裝機系統進行組裝、調試、試驗及聯動[9]。該系統可以完成隧道拼裝管片的吸附、釋放、回轉、俯仰等動作功能，吸盤需操作簡單、運行平穩、安全可靠，真空吸盤樣機研制著重考慮了安全性設計措施和真空保壓試驗[10-12]。

5.1 安全性設計措施

硬件方面，選用真空單向閥防止斷電情況下空氣回流，選用具有斷電保持功能的真空電磁閥，防止斷電后外界與真空腔連通，避免真空度下降誘發管片脫落。遙控操作面板設置雙釋放按鈕，防止操作員誤動作引發的不安全事故。

軟件方面，設計PLC控制邏輯，判斷真空壓力傳感器采集到的真空度數據，當不滿足80%的吸附條件時，吸附按鈕不可用；管片拼裝整個過程中，真空度低于80%時，塔式報警燈紅色閃爍并停止動作。系統設有安全繼電器，排除故障后需在遙控器手動復位后，紅燈滅、綠燈亮，系統可繼續運行。

5.2 真空保壓試驗

真空吸盤在盾構現場驗收時，需進行保壓測試，啟動真空泵直至真空腔真空度達到-0.99 bar。吸附管片后，關閉真空泵30 min，確保真空腔、左腔、中間腔、右吸腔真空度均不低于-0.8 bar，否則認為氣體泄漏過快，需查找漏點進行處理。

6 關鍵技術

對于真空吸盤而言，技術難點主要體現在兩個方面，一是大容量真空容器焊接氣密性控制，即進行大尺寸真空吸盤工業性試驗時如何保證真空度；二是吸盤盤面的大面積曲面鋼板焊接變形控制。

6.1 氣密性控制

真空吸盤氣密性控制主要包括密封槽焊接工藝、密封條裝配工藝以及保壓試驗檢測。

(1)密封槽焊接工藝:按照圖紙要求將槽鋼切段、開坡口，并將槽鋼卷圓；將已鉚焊好的吸盤翻轉固定，用密封槽樣板靠在吸盤盤面上放樣，根據放樣形狀，逐條拼焊密封槽并修正圓弧形狀，保證整體曲面輪廓度≤3 mm；用樣板與密封槽比對，保證密封槽輪廓度在3 mm以內，對局部高點采用火焰加熱、銅棒敲擊以降低高度，局部低點采用堆焊后打磨以填補高度，直至輪廓度≤3 mm。對于密封槽的局部修正應保證修正后密封槽表面的連續平順性。焊接完成后，對焊縫進行探傷檢測及氣密性檢測，不合格的焊縫重新焊接，直至整個焊接件全部合格為止，最后對整個焊接件進行去應力退火。

(2)密封條裝配工藝:密封條只允許有1個接口，密封條從接口處為起點，先把一側斜插入密封槽內，用工具壓縮密封條，然后緩慢將密封條另一側塞入密封槽內；全部塞入后，檢驗密封條，對于突出不平的地方用橡膠錘多次輕敲，保證平整度；最后將對接處粘接。在整個裝配過程中須保證密封條不能有損傷以及密封條的平整度，以保證吸盤真空腔的氣密性良好。

(3)保壓試驗檢測:保壓試驗前，調整工裝重心使其位于吸盤中軸線上，并保持整個工裝平衡。通電吸附之前，檢查電路系統、真空表以及真空傳感器等是否正常工作。準備工作完成后，打開真空泵控制按鈕，開始對真空腔抽真空，當真空表達到-0.96 MPa以下時，關閉真空泵，并保壓30 min，檢測真空度在-0.8 MPa以下即為合格，否則視為氣密性不合格，需查找漏點。

6.2 變形控制

吸盤盤面是一個大面積曲面，因為面積大，盤面鋼板厚度小，焊接部件多，很容易導致焊接之后的盤面發生變形。為此，采用針對性的吸盤盤面焊接工藝:將卷圓之后的盤面放置在事先加工好的鉚焊工裝上，并用支撐筋支撐盤面；根據圖紙及焊接工藝參數，依次將每個部件焊接在吸盤盤面上；焊接完成后，保持工裝和焊接件不變，自然冷卻至常溫后，依次對焊縫進行探傷檢測并涂抹泡沫水進行氣密性檢測，對于不合格的焊縫重新焊接，保證質量，直到合格為止。最關鍵工藝:整個焊接過程在鉚焊工裝上進行，密封槽焊接之后，對整個焊接件進行去應力退火，去除殘余應力，有效控制整個盤面變形。

7 結論

本文結合實際工程項目，重點闡述大直徑盾構機管片真空吸盤組成結構與工作原理，完成了機械系統分析計算、電控系統調試及與拼裝機系統現場聯調。得出如下結論:(1)該大直徑盾構機管片真空吸盤系統操作簡便、運行平穩、安全可靠，可配合拼裝機基本實現管片拼裝的自動化；(2)真空吸盤結構設計與控制原理可以推廣至相關真空吸盤產品領域設計；(3)通過國內核心零部件的自主設計研發及系統整體集成化設計，可大幅降低真空吸盤系統成本，實現設備的設計及制造自主可控。