1P5R型管片拼裝機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

莊欠偉+楊正

摘 要：以寧波軌道交通3號(hào)線一期工程的類矩形盾構(gòu)機(jī)為依托，分析了類矩形管片拼裝的難點(diǎn)。利用機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，綜合傳統(tǒng)圓形拼裝機(jī)構(gòu)和該工程管片的特點(diǎn)，創(chuàng)新研發(fā)了一種1P5R串聯(lián)型拼裝機(jī)。結(jié)合對(duì)該拼裝機(jī)機(jī)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)原理的介紹，探討其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：體積小，動(dòng)作靈活，可以實(shí)現(xiàn)90°以上的姿態(tài)調(diào)整；既能夠完成類矩形圓周管片拼裝，又能完成大長(zhǎng)度中立柱的拼裝。

關(guān)鍵詞：類矩形盾構(gòu)機(jī)；1P5R型管片拼裝機(jī)；長(zhǎng)度空間比；中立柱

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0103-04

Abstract： Based on the rectangular shield machine for the first phase of Ningbo Rail Transit Line 3， the difficulties in assembling rectangular segments were analyzed. By using the knowledge of mechanism， traditional circular assembling mechanism and the characteristics of the segments， 1P5R， a tandem segment erector， was developed. The form and structural principle of the segment erector were introduced to discuss its characteristics and advantages： small volume， flexible movement， and is capable of making 90°of position adjustment. The segment erector applies to the assembly of both the rectangular-like pieces of circular tube and long columns.

Key words： rectangular shield machine； 1P5R segment erector； length-to-space ratio； center pillar

0 引 言

隨著城市現(xiàn)代化的推進(jìn)，為了更合理地運(yùn)用有限的地下空間，矩形或類矩形等異形斷面隧道被越來(lái)越多地應(yīng)用到城市隧道工程中[1-5]。矩形斷面的隧道尺寸越做越大，施工距離越來(lái)越長(zhǎng)[6-8]。當(dāng)前市場(chǎng)上缺少矩形盾構(gòu)機(jī)，投入到工程應(yīng)用的矩形或類矩形隧道掘進(jìn)機(jī)主要以頂管形式為主，不具備管片拼裝機(jī)等設(shè)備，管節(jié)跟隨掘進(jìn)機(jī)體一同向前頂進(jìn)，施工條件受到很大限制。而傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)所用的管片拼裝機(jī)受拼裝機(jī)械手活動(dòng)范圍限制，無(wú)法直接應(yīng)用在矩形等異形隧道掘進(jìn)機(jī)上，因此對(duì)可用于矩形及其他異形斷面的管片拼裝機(jī)進(jìn)行研究有重要的意義。

國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)管片拼裝機(jī)進(jìn)行了研究，提出了一些新的拼裝機(jī)構(gòu)類型。如武漢大學(xué)喻萌、程燕采用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了回轉(zhuǎn)加擺臂式拼裝機(jī)[9-10]；上海交通大學(xué)黃業(yè)平等人研究了基于3-RPS并聯(lián)構(gòu)型的管片拼裝機(jī)構(gòu)[11-12]；錢曉剛研究了采用球面二自由度的空間五桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)拼裝自由度[13-14]，為隧道管片拼裝技術(shù)提供了新的思路。

本文以應(yīng)用于寧波市軌道交通3號(hào)線一期工程出入段線的類矩形盾構(gòu)機(jī)為依托，對(duì)其管片拼裝機(jī)進(jìn)行研究。受施工區(qū)域空間條件限制，項(xiàng)目采用類矩形斷面管片，中間設(shè)置立柱，兩側(cè)區(qū)域分別供2條軌道線路使用，管片外廓尺寸為11.50 m×6.94 m。

針對(duì)工程中所用的類矩形特殊斷面，項(xiàng)目借助工業(yè)機(jī)器人理念，綜合機(jī)械工程理論、數(shù)學(xué)方法、控制理論、電氣工程技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等[15-19]，采用雙串聯(lián)機(jī)器臂式拼裝機(jī)構(gòu)，達(dá)到六自由度管片拼裝功能，同時(shí)滿足特殊空間角落的拼裝能力。

1 類矩形管片特點(diǎn)

類矩形管片有如下特點(diǎn)。

（1）隧道斷面大。外廓尺寸寬11.50 m，高6.94 m。

（2）管片結(jié)構(gòu)復(fù)雜。單環(huán)管片分為11片，中間設(shè)置立柱，立柱高度為5.22 m。

（3）錯(cuò)縫拼裝。要求左右拼裝機(jī)均能完成各塊管片的拼裝。

管片斷面及分塊如圖1所示。

管片斷面為非圓形，內(nèi)部用于管片拼裝的空間也為非圓環(huán)形；管片形狀為非統(tǒng)一圓弧，有單一圓弧，有兩段圓弧，中立柱管片為直線，拾取點(diǎn)處圓弧為非統(tǒng)一圓心；拾取點(diǎn)為非質(zhì)心，機(jī)械手需要承擔(dān)較大力矩。管片長(zhǎng)度空間比非常大，已超過(guò)0.8，且管片形狀為大長(zhǎng)度直線管片，而拼裝空間近環(huán)形，管片無(wú)法在拼裝空間平面拼裝，常規(guī)圓形拼裝機(jī)長(zhǎng)度空間比均為0.4左右，管片形狀與拼裝控制相似，無(wú)法完成本工程管片拼裝功能，需要突破傳統(tǒng)的拼裝思路。

2 傳統(tǒng)圓形拼裝機(jī)分析

目前，圓形拼裝機(jī)將管片拼裝成一個(gè)圓柱形襯砌，如圖2 （a）所示，常規(guī)圓型拼裝機(jī)如圖2 （b）所示。拼裝機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2（c）所示，位置控制機(jī)構(gòu)為PRP結(jié)構(gòu)形式。第一個(gè)運(yùn)動(dòng)副為沿Z軸移動(dòng)的大平移機(jī)構(gòu)，是一個(gè)冗余滑動(dòng)副（P）；第2個(gè)運(yùn)動(dòng)副為沿φ方向的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副（R）；第3個(gè)運(yùn)動(dòng)副為沿ρ方向移動(dòng)的徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)冗余滑動(dòng)副（P）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系一致，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需運(yùn)動(dòng)耦合。

如圖3（a）所示，常規(guī)圓形隧道為不變半徑L3，通過(guò)PRP結(jié)構(gòu)形式定位的拼裝機(jī)適合圓形斷面管片拼裝。目前，寧波三號(hào)線隧道斷面如圖3（b）所示，其內(nèi)部空間為非圓形，長(zhǎng)邊L2和短邊L1差值大。內(nèi)部管片工作空間狹長(zhǎng)，管片運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，通過(guò)PRP結(jié)構(gòu)形式定位的拼裝機(jī)基本無(wú)法拼裝；中立柱無(wú)法在拼裝空間平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，也難以完成拼裝，急需研發(fā)新型機(jī)構(gòu)來(lái)完成這類情況下的管片拼裝。

3 1P5R拼裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該類矩形管片形成的隧道是非圓斷面的柱狀體，可采用一個(gè)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柱狀體軸線方向運(yùn)動(dòng)。類矩形斷面內(nèi)部空間不規(guī)則且狹長(zhǎng)，RRR運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式有3個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副串聯(lián)，可靈活控制管片平面位置點(diǎn)和位置平面姿態(tài)，有利于管片在狹窄空間完成拼裝。拼裝機(jī)的定位機(jī)構(gòu)采用PRR定位機(jī)構(gòu)加R姿態(tài)機(jī)構(gòu)形式。

管片C1、C3、T2、T1的拼裝軸線不過(guò)拼裝圓心，其平面姿態(tài)調(diào)節(jié)范圍較大，對(duì)應(yīng)立體坐標(biāo)系繞Z1周旋轉(zhuǎn)的范圍大。類矩形管片中立柱縱向輸送到拼裝機(jī)拾取處，如圖4所示。中立柱拼裝目的處為圖4虛線處。PRR定位機(jī)構(gòu)的拼裝只能將中立柱送達(dá)圖中所示位置，需管片位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)將其繞x1軸旋轉(zhuǎn)90°。繞Z1和x1軸旋轉(zhuǎn)角度均較大，常規(guī)的并聯(lián)三自由度機(jī)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種大范圍的姿態(tài)調(diào)整，只能采取串聯(lián)型的機(jī)構(gòu)。綜合以上情況，并考慮到管片姿態(tài)調(diào)整還需一個(gè)繞y1軸的微小姿態(tài)調(diào)整，該管片拼裝機(jī)采用串聯(lián)型的RRR結(jié)構(gòu)形式，如圖5、6所示。因此，類矩形管片拼裝機(jī)的機(jī)構(gòu)采用PRRRRR形式，即1P5R形式。

六自由度串聯(lián)管片拼裝機(jī)由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、平移系統(tǒng)、機(jī)械臂和機(jī)械手構(gòu)成。其中回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要功能是在拼裝管片的過(guò)程中提供回轉(zhuǎn)力矩，形成機(jī)構(gòu)整體繞管片軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且為整個(gè)拼裝系統(tǒng)提供支撐作用。提升系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是2個(gè)提升油缸和2個(gè)導(dǎo)桿，2個(gè)提升油缸完成對(duì)管片的提升和上推；平移系統(tǒng)主要由1個(gè)雙作用油缸和2根水平導(dǎo)桿組成；夾取裝置用于拾取管片并進(jìn)行微小的姿態(tài)調(diào)節(jié)。

如圖7所示，六自由度串聯(lián)型拼裝機(jī)由6個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)，6個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全約束拼裝機(jī)械手的6個(gè)自由度。其中平移油缸提供拼裝機(jī)整體沿隧道軸線（z軸）平移；回轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)拼裝機(jī)整體沿軸線回轉(zhuǎn)，大臂油缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械大臂擺動(dòng)，小臂油缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手裝置整體（小臂）在大臂上擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)和大臂、小臂油缸共同作用調(diào)整管片沿x、y軸向的位置以及繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的姿態(tài)；仰俯油缸和平轉(zhuǎn)油缸分別驅(qū)動(dòng)機(jī)械手帶動(dòng)管片繞x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

此外，拼裝機(jī)械手裝置內(nèi)設(shè)有管片夾取裝置，內(nèi)置油缸安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)板上，油缸伸縮帶動(dòng)吊裝螺栓拾取管片，管片貼緊轉(zhuǎn)動(dòng)板之后隨轉(zhuǎn)動(dòng)板一起作空間六自由度運(yùn)動(dòng)。

在xy軸平面內(nèi)，由回轉(zhuǎn)馬達(dá)和大臂、小臂油缸共同作用，使管片按所需軌跡運(yùn)動(dòng)。圖8中，以ω為OA相對(duì)x軸的轉(zhuǎn)角，由回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)量直接控制ω值，θ1為∠OAB，由大臂油缸伸出量控制θ1值，θ2為∠ABC，由大臂油缸伸出量控制θ2值。根據(jù)ω、θ1、θ2以及相關(guān)臂長(zhǎng)數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系進(jìn)行三角函數(shù)計(jì)算，可得出拼裝機(jī)拾取點(diǎn)C的平面坐標(biāo)以及繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)角度。同樣，對(duì)于指定的管片拾取或安裝點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出所需的回轉(zhuǎn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度以及油缸行程，將拼裝機(jī)運(yùn)行至相應(yīng)的位置；根據(jù)合適的管片拼裝路徑也能計(jì)算出相應(yīng)的執(zhí)行元件（馬達(dá)和油缸等）的動(dòng)作指令。

根據(jù)拼裝機(jī)機(jī)械臂的張開大小，管片與拼裝機(jī)之間的連接點(diǎn)可在直徑為3.67～6.95 m的范圍運(yùn)動(dòng)，如圖9（a）所示。通過(guò)2臺(tái)串聯(lián)型拼裝機(jī)協(xié)作施工，可完全覆蓋本工程所用類矩形隧道管片所有拾取及安裝區(qū)域，如圖9（b）所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的1P5R型管片拼裝機(jī)，創(chuàng)新地將串聯(lián)型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于隧道盾構(gòu)管片拼裝機(jī)中，這種新型拼裝機(jī)解決了工程中類矩形斷面隧道管片的拼裝難題，亦可擴(kuò)展應(yīng)用至其他異形斷面隧道管片的拼裝。通過(guò)在計(jì)算機(jī)預(yù)置拼裝路徑，根據(jù)需要實(shí)時(shí)計(jì)算各執(zhí)行元件的動(dòng)作過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)軌

跡，提高了施工效率，并為隧道施工的自動(dòng)化和智能化提供了發(fā)展空間。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]