盾構(gòu)管片拼裝機舉升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王南,盧軍廣,平恩順,李鵬飛

(河北工程大學(xué)機電學(xué)院,河北邯鄲056038)

盾構(gòu)機是一種用于隧道開挖的專用工程機械,現(xiàn)代盾構(gòu)機集機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體,廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。管片拼裝機是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件之一,當(dāng)盾構(gòu)向前掘進一環(huán)后,管片拼裝機會按預(yù)定要求將混凝土管片拼裝成環(huán),形成襯砌,以此來支護剛開挖的隧道表面[1]。

目前日本和歐美等國盾構(gòu)機企業(yè)正在研制高效、可靠、智能化的管片自動拼裝機系統(tǒng)。國內(nèi)的盾構(gòu)機生產(chǎn)研制企業(yè)以及一些高等院校在引進、消化、吸收國外盾構(gòu)掘進機先進技術(shù)基礎(chǔ)上,在管片自動拼裝機研究方面積極跟進,設(shè)計出了一些新的構(gòu)型。錢曉剛等[2]提出了一種基于球面2自由度并聯(lián)機構(gòu)的管片拼裝機,具有一定的創(chuàng)新性。張占強[3]設(shè)計出6自由度串-并混聯(lián)構(gòu)型的管片拼裝機,能夠精確快速定位拼裝。

平行四邊形舉升機構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,定位快速、準(zhǔn)確的構(gòu)型,廣泛應(yīng)用于旋挖鉆機、橋梁檢測車等工程機械,但是其在盾構(gòu)管片拼裝機上的應(yīng)用,目前僅見于德國海瑞克公司生產(chǎn)的AVN泥水平衡盾構(gòu)機[4]。本文在對比平行四邊形舉升機構(gòu)管片拼裝機與傳統(tǒng)的升降油缸管片拼裝機的基礎(chǔ)上,將平行四邊形舉升機構(gòu)進行建模分析,并使用MATLAB優(yōu)化工具箱對其進行了優(yōu)化設(shè)計,為盾構(gòu)管片拼裝機機構(gòu)選型設(shè)計提供了參考和依據(jù)。

1 管片拼裝機工作原理

管片拼裝機由平移機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、舉升機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)組成,能實現(xiàn)平移、回轉(zhuǎn)、升降、仰俯、橫搖和偏轉(zhuǎn)6種動作。6種動作與管片的6個自由度相對應(yīng),如圖1所示。

管片拼裝機進行管片安裝時,先粗定位(管片的運動控制),即用管片夾具或真空吸盤抓住管片,升降油缸將其升降,平移機構(gòu)將提起的管片移到拼裝的橫斷面位置,回轉(zhuǎn)機構(gòu)再將該管片旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的徑向位置;然后再用偏轉(zhuǎn)油缸、仰俯油缸和橫搖油缸的不同步伸縮進行微調(diào)定位(管片的姿態(tài)控制),最后完成安裝[5-6]。

2 管片拼裝機舉升機構(gòu)類型

管片拼裝機舉升機構(gòu)主要功能是完成管片沿隧道徑向的舉升。目前來說,管片拼裝機舉升機構(gòu)有垂直升降油缸舉升機構(gòu)和平行四邊形舉升機構(gòu)兩種(圖2)。

2.1 垂直升降油缸舉升機構(gòu)

垂直升降油缸舉升機構(gòu)由對稱布置的兩個油缸以及升降梁組成,油缸缸體固定在旋轉(zhuǎn)盤體上,活塞桿與下部的升降梁鉸接,使升降梁和油缸同步運動,導(dǎo)向塊固定在旋轉(zhuǎn)盤體上,缸體從中間通過,導(dǎo)向塊起導(dǎo)向和增加缸體剛度的作用(圖2-a)。

垂直升降油缸舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱,承載能力大,是目前應(yīng)用最廣泛的類型。但是由于呈懸臂支撐結(jié)構(gòu),舉升機構(gòu)在行程最大位置時的抗彎性能是設(shè)計時主要考慮的問題。另外舉升油缸尺寸較大,行程比較長,受壓時可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,這將嚴(yán)重影響管片安裝精度[7]。

2.2 平行四邊形舉升機構(gòu)

兩曲柄等長的雙曲柄機構(gòu)稱為平行四邊形機構(gòu),它是應(yīng)用最廣的一種雙曲柄機構(gòu)。因平行四邊形機構(gòu)的兩個曲柄等速轉(zhuǎn)動,連桿平動,故又稱為等角速度機構(gòu),平行四邊形機構(gòu)可以實現(xiàn)連桿平動,因此可以作為管片拼裝機舉升機構(gòu)使用。德國海瑞克AVN2440DS泥水平衡盾構(gòu)機采取平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)垂直舉升功能(圖2-b),該平行四邊形舉升機構(gòu)由基座、轉(zhuǎn)動軸,兩個液壓油缸和鉸接板件以及微調(diào)機構(gòu)連接基座組成[4]。

平行四邊形舉升機構(gòu)具有油缸行程短、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,應(yīng)用于空間較小的中小型盾構(gòu)之中,可以避免抗彎特性差、油缸失穩(wěn)等現(xiàn)象。

3 平行四邊形舉升機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 模型分析

將上述管片拼裝機平行四邊形舉升機構(gòu)進行簡化分析,得出如圖3所示機構(gòu)簡圖。

圖中,l1—連桿AD長度;l2—連桿 AB長度; l3—桿EF長度;FCD—CD桿所受壓力;FBA—AB桿所受拉力;FY—液壓油缸軸向拉力;θ—平行四邊形機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度;β—液壓油缸旋轉(zhuǎn)角度;G—管片重量,此機構(gòu)由兩個液壓油缸驅(qū)動,因此圖示中所受載荷取G/2。

對平行四邊形舉升機構(gòu)進行受力分析,

(1)CD桿所受壓力FCD

(2)液壓油缸軸向拉力FY

化簡可得

通過計算可知液壓油缸軸向拉力的大小與連桿A D長度l1和連桿AB長度l2有關(guān),當(dāng)桿長確定時,液壓油缸軸向拉力隨著平行四邊形機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角θ變化而變化[8]。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

平行四邊形舉升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是在一定載荷下,在滿足設(shè)計要求和約束條件的情況下,使液壓油缸軸向拉力最小,并使平行四邊形舉升機構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活,從而減小平行四邊形舉升機構(gòu)的整體尺寸和重量[9-10]。

(1)確定設(shè)計變量

根據(jù)平行四邊形機構(gòu)受力特點,選取l1、l2、l3為設(shè)計變量,但由于液壓油缸軸向拉力的大小與l3無關(guān),所以設(shè)計變量為x={l1,l2}。

(2)建立目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化設(shè)計的目的是,在載荷G一定時,通過合理設(shè)計參數(shù)l1,l2,使得平行四邊形升降機構(gòu)液壓油缸軸向拉力最小。根據(jù)舉升機構(gòu)基本模型分析,可知目標(biāo)函數(shù)為：

(3)確定約束條件

根據(jù)管片拼裝機水平移動距離為1 385cm,垂直移動距離為474cm的要求,以及管片長度參數(shù)和微調(diào)機構(gòu)參數(shù),設(shè)計變量 l1,l2允許變化的范圍是15cm≤l1≤25cm;40cm≤l2≤55cm。

其約束條件為：g1：15-l1≤0;g2：l1-25≤0; g3：40-l2≤0;g4：l2-55≤0。

為了保證平行四邊形舉升機構(gòu)傳動靈活,能夠滿足工作要求,應(yīng)使平行四邊形舉升機構(gòu)的平行四邊形機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度θ滿足條件60°≤θ≤105°。

其約束條件為：g5：60°-θ≤0;g6：θ-1 05°≤0。

(4)計算求解

使用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)進行優(yōu)化,并編制計算程序。經(jīng)過迭代運算,得到優(yōu)化后的結(jié)果為x={l1,l2}=(25,40)。

利用MATLAB的繪圖函數(shù)PLOT繪制出優(yōu)化前后液壓油缸在角度變化時受力曲線如圖4所示。

從圖4可以看出,優(yōu)化前平行四邊形舉升機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度從60°增加到105°,液壓油缸受力從13kN近似線性減小到10.1kN。優(yōu)化后從60°旋轉(zhuǎn)到到105°時,液壓油缸受力從10.2kN近似線性減小到6.6kN。優(yōu)化后平行四邊形舉升機構(gòu)油缸受力明顯比優(yōu)化前小,優(yōu)化效果非常明顯。

4 結(jié)論

1)平行四邊形舉升機構(gòu)在空間布置和結(jié)構(gòu)性能方面都優(yōu)于垂直升降油缸舉升機構(gòu)。

2)優(yōu)化后平行四邊形舉升機構(gòu)油缸受力明顯小于優(yōu)化前,優(yōu)化效果非常明顯。

[1]陳饋,康寶生.國內(nèi)外盾構(gòu)法隧道施工實例[M].洛陽：中鐵隧道集團有限公司,2006.

[2]錢曉剛,高峰,郭為忠.六自由度盾構(gòu)管片拼裝機機構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,2008,24(1)：17-20.

[3]張占強.小直徑全斷面掘進機管片拼裝機設(shè)計研究[D].長春：吉林大學(xué),2009.

[4]德國海瑞克公司.AVN2440DS泥水盾構(gòu)技術(shù)文件[Z]. 2003.

[5]管會生,黃松和,徐濟平.盾構(gòu)管片拼裝機設(shè)計研究[J].礦山機械,2005,33(3)：15-16.

[6]李文福.盾構(gòu)管片拼裝機的結(jié)構(gòu)分析[J].山西建筑, 2010,36(5)：337-339.

[7]岳彥炯.基于虛擬樣機的六自由度隧道管片拼裝機設(shè)計研究[D].長春：吉林大學(xué),2005.

[8]林建龍,王小北.平動式輕型裝卸機機械手的優(yōu)化設(shè)計[J].輕工機械,2004(1)：57-59.

[9]MAGRAB E B.MATLAB原理與工程應(yīng)用[M].高會生,李新葉,胡智奇,譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社, 2006.

[10]華大年,華志宏.連桿機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.