新型隧道鋼環(huán)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(shù)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(huán)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(huán)安裝機是一種專門用來在隧道施工時對鋼環(huán)進行抓取、舉升以及調整鋼環(huán)姿態(tài)等作業(yè)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)效率。

1 鋼環(huán)安裝機設計概述

1.1 鋼環(huán)安裝機設計要求

鋼環(huán)在安裝過程中需要包括2 個方面的內容：一是鋼環(huán)機械手在安裝鋼環(huán)時，可在有抓取鋼環(huán)、安裝鋼環(huán)等過程時，機械手臂能靈活調整抓取姿態(tài)以適應自動或人工安裝；二是在適應隧道惡劣環(huán)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(huán)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(wěn)定性；

（b）機械手臂能夠實現(xiàn)鋼環(huán)全方位移動，實現(xiàn)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(huán)境；

（d）安全的液壓、電氣操控系統(tǒng)；

（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(guī)劃與總體設計，通過分析工程機械的施工現(xiàn)狀和施工特點，提出臺車的設計要求和工作性能等參數(shù)。根據(jù)要實現(xiàn)的功能設計要求分析，規(guī)劃車輛的設計方案與總體布局。

鋼環(huán)安裝機放置于隧道標準平板車之上，主要由底盤、鋼環(huán)安裝機械手和液壓及電氣與控制系統(tǒng)等部分組成，結構如圖1所示。由于隧道內施工過程中環(huán)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(huán)安裝過程中，主要需要完成鋼環(huán)的翻轉、圓周運動和左右擺動等動作。考慮到鋼環(huán)安裝中惡劣的環(huán)境影響，本鋼環(huán)安裝機采用液壓驅動的方式，主要分為3 個步驟：

（a）鋼環(huán)安裝機用掛腳將鋼環(huán)抓舉到安裝位置；

（b）鋼環(huán)安裝機通過大小伸縮臂將鋼環(huán)舉升到一定高度，同時通過斗桿機構來調整鋼環(huán)的姿態(tài)，從而將鋼環(huán)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(huán)姿態(tài)調整好后，由安裝工人安裝鋼環(huán)端頭的連接螺栓。

圖1 鋼環(huán)安裝機機械手結構

2 鋼環(huán)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(xiàn)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(jié)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(huán)安裝機在施工過程中由于重心不穩(wěn)而發(fā)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(huán)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(xiàn)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(lián)布置在底盤機構上，通過液壓缸的作用可以實現(xiàn)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(huán)片的位態(tài)。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(huán)安裝機機構自由度計算

鋼環(huán)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(shù)；

λ——空間機構運動副的多余自由度數(shù)目；

3——空間機構每個封閉環(huán)的約束數(shù)，或者說它是獨立位移方程數(shù)及條件約束數(shù)；

N——空間機構的封閉環(huán)數(shù)。

由圖5可知，安裝機的運動副自由度總數(shù)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(shù)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(huán)數(shù)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(huán)，2 個小腳油缸組成1 個封閉環(huán)。將以上數(shù)據(jù)帶入自由度計算公式可知：

因此，鋼環(huán)安裝機的自由度為9，這也與機構的驅動器數(shù)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(shù)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(shù)。

本文中的鋼環(huán)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(huán)安裝機的工作空間

工作空間是指機器人臂桿末端關節(jié)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(jié)在相應取值范圍內工作，當所有關節(jié)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(huán)安裝機在隧道徑向的工作空間如圖6所示。

圖6 鋼環(huán)安裝機在隧道徑向的工作空間

5 結語

本文主要對鋼環(huán)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(huán)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(jù)。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(huán)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。