盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)振動與摩擦分析

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣東廣州 510641；2.中船重型裝備有限公司 廣東廣州 511466)

盾構(gòu)工法是利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)的方法，該方法能大大減少地鐵挖掘?qū)铣菂^(qū)工作和生活的影響[1-3]。管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)機(jī)主要部件之一，位于盾構(gòu)機(jī)體的盾尾部分，其主要功能是對掘進(jìn)之后的隧道進(jìn)行管片安裝，保護(hù)已開挖的隧道表面。管片拼裝機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性和運(yùn)動精度，將大大影響著管片拼裝的質(zhì)量和精度[4]。

目前的管片拼裝機(jī)存在運(yùn)行到水平或者垂直位置時發(fā)生劇烈振動和產(chǎn)生噪聲的問題，可能影響管片拼裝的精度，需要對振動和噪聲進(jìn)行分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[5]，以消除振動和噪聲。

1 管片拼裝機(jī)三維建模與仿真

以中船重型裝備有限公司φ6300機(jī)型為對象進(jìn)行研究，如圖1所示為該機(jī)型的管片拼裝機(jī)實(shí)物圖。

圖1 φ6300機(jī)型的管片拼裝機(jī)實(shí)物圖Fig 1 φ6300 Erector Physical map of segment assembly machine of φ6300 Erector

1.1 管片拼裝機(jī)三維模型的建立

如圖2所示，為管片拼裝機(jī)的三維模型圖。管片拼裝機(jī)包含5大主要機(jī)構(gòu)，分別為管片鎖緊機(jī)構(gòu)、周向回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向平移機(jī)構(gòu)、徑向平移結(jié)構(gòu)以及可以進(jìn)行俯仰、橫搖、偏轉(zhuǎn)的微調(diào)機(jī)構(gòu)。

圖2 管片拼裝機(jī)總體機(jī)構(gòu)圖Fig 2 Mechanism diagram of the segment assembly machine

1.2 管片拼裝過程分析

一環(huán)管片由三塊A型(A1、A2、A3)管片、兩塊B型(B1、B2)管片和一塊K型管片組成，如圖3所示。在管片拼裝過程中，先安裝底端的A1管片，然后依次安裝對稱的A2和A3管片，接著安裝B1和B2管片，最后安裝K型管片。根據(jù)施工隧道的不同，相鄰的兩環(huán)管片之間可能會有一定的角度，為了仿真的方便，文中只對圖3所示的管片拼裝方式進(jìn)行討論。

1.3 管片拼裝機(jī)運(yùn)行過程仿真

管片拼裝機(jī)的零件較多，難以進(jìn)行動力學(xué)仿真，需要對管片拼裝機(jī)進(jìn)行簡化，只留下與運(yùn)動相關(guān)的主要機(jī)構(gòu)。簡化后的模型圖如圖4所示。簡化模型只包含旋轉(zhuǎn)環(huán)、徑向平移機(jī)構(gòu)、軸向平移機(jī)構(gòu)(包括管片抓取頭)和管片4個機(jī)構(gòu)?；喓?個機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量需與簡化前模型對應(yīng)機(jī)構(gòu)一致，如表1所示。

圖3 直線襯砌環(huán)管片構(gòu)造圖Fig 3 Structural drawing of linear lining ring

圖4 簡化后的模型圖Fig 4 Simplified model diagram表1 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量及質(zhì)量Table 1 Inertia and mass of mechanism

機(jī)構(gòu)名稱Ixx/(kg·m-2)Iyy/(kg·m-2)Izz/(kg·m-2)質(zhì)量m/kg旋轉(zhuǎn)環(huán)2×10-41×10-41×10-46 182徑向運(yùn)動7 1845 0782 9887 831軸向運(yùn)動1069814700A型管片5 9415 2151 0834 823B型管片3 6433 3554873 227K型管片2591391361 071

為了模擬實(shí)際運(yùn)行條件，增加了機(jī)構(gòu)間的接觸應(yīng)力和摩擦力。鋼與鋼之間的靜摩擦因數(shù)為0.15，動摩擦因數(shù)為0.15，接觸應(yīng)力為207 GPa。腳墊與管片之間主要是靜摩擦，摩擦因數(shù)為0.8。

文中主要對管片抓取后受力情況進(jìn)行分析。在實(shí)際工作過程中，管片起吊螺栓和抓取頭連接塊對中后，通過鎖緊機(jī)構(gòu)自動將管片起吊螺栓鎖緊，然后徑向平移油缸提升管片；平移至待拼裝斷面后，接著周向回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將管片旋轉(zhuǎn)至確定的角度；徑向平移油缸下壓管片，完成管片在隧道中的初步定位[6-10]。以上步驟可以總結(jié)為表2所示的運(yùn)動速度及運(yùn)動時間等運(yùn)動仿真參數(shù)。

表2 管片運(yùn)動仿真條件Table 2 Simulation conditions of the motion of the tube

2 管片拼裝過程仿真結(jié)果及分析

分別對4種安裝情況進(jìn)行ADAMS運(yùn)動仿真，仿真結(jié)果如圖5—8所示。定義垂直向下方向?yàn)?°，順時針旋轉(zhuǎn)為正方向。X軸為時間，以抓取頭與管片螺栓進(jìn)行對中為起始點(diǎn)，對中過程持續(xù)10 s，Y軸為驅(qū)動力。

圖5 平移油缸驅(qū)動力曲線Fig 5 Driving force curves of shift cylinder

由圖5可知：10 s附近管片抓取機(jī)構(gòu)與管片螺栓進(jìn)行對中，該處的驅(qū)動力小幅變大；10～30 s之間驅(qū)動力變化不劇烈；30～50 s之間為拼裝機(jī)轉(zhuǎn)動階段，這個過程的驅(qū)動力變化比較劇烈，峰值出現(xiàn)在40 s附近，即管片運(yùn)行到水平處，此時最大的驅(qū)動力約為2.5×105N。目前使用的液壓缸最大驅(qū)動力為5×105N，能滿足平移運(yùn)動。

由圖6可知：10 s附近力驅(qū)動力有一個小范圍的波動，管片在30 s之前需要一定的驅(qū)動力，但總體需要的驅(qū)動力比較平穩(wěn)；30～50 s之間需要的驅(qū)動力增大，并一直呈增大趨勢，37 s附近驅(qū)動力最大，也是運(yùn)動到水平位置處，此時最大驅(qū)動力約為3×105N。目前使用的液壓缸最大驅(qū)動力為5×105N，能滿足平移運(yùn)動。

圖6 伸縮油缸驅(qū)動力曲線Fig 6 Driving force curves of telescopic cylinder

由圖7可知：前30 s在管片旋轉(zhuǎn)過程中，扭矩相對平穩(wěn)為8×107N· m。而后30～50 s為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，扭矩波動非常厲害，也達(dá)到最大值1.6×108N· m；60～70 s為管片拼裝過程，相對而言扭矩波動減緩。目前使用的液壓缸最大扭矩為3×108N· m，能滿足平移運(yùn)動。

圖7 電動機(jī)扭矩曲線Fig 7 Motor torque curves

由圖8可知：連接副受到的力與管片質(zhì)量相關(guān)。每次運(yùn)動發(fā)生變動的時候，連接副都會受到一定的沖擊載荷，沖擊載荷的幅度均不大。連接副在管片達(dá)到±45°的位置時，受到的力最大；在±135°位置時，受到的力最小。

圖8 連接副受力曲線Fig 8 Force curves of connection pairs

3 針對振動與摩擦的改進(jìn)

通過上節(jié)的分析可以得到，在正常摩擦因數(shù)為0.15時，液壓缸完全能滿足工作要求，但是如果由于安裝不正確或者加工沒達(dá)到精度要求，會使機(jī)構(gòu)運(yùn)動的摩擦力增大，可能超過液壓缸推力或者拉力極限，從而引起抖動。一般運(yùn)行過程中受力最大的位置為旋轉(zhuǎn)過程，特別是運(yùn)行到水平位置。在實(shí)際調(diào)試過程中，也是這個位置最容易發(fā)生抖動。

當(dāng)管片運(yùn)行到垂直處時，也即約55 s以后無論是平移油缸、伸縮油缸和電動機(jī)所需的驅(qū)動力都不大，因此產(chǎn)生噪聲的原因是：螺栓與抓舉頭都是鋼材，剛度比較大；同時為了方便管片的抓取，螺栓和抓取頭鏈接處有縫隙，因此當(dāng)管片向下壓時，連接處產(chǎn)生碰撞從而引起噪聲。通過仿真可以得到接觸應(yīng)力曲線如圖9所示。接觸面均為鋼材料，接觸應(yīng)力為200 GPa，實(shí)際運(yùn)行中接觸力最高達(dá)2×107N。

圖9 連接應(yīng)力曲線Fig 9 Connection stress curve

為了降低機(jī)構(gòu)運(yùn)動的摩擦力，同時消除由接觸面間隙引起的噪聲，在抓取頭與螺栓連接處刷了一層約2 mm厚的金屬橡膠涂層。橡膠材料的接觸應(yīng)力1 GPa。改進(jìn)后的接觸應(yīng)力曲線如圖10所示。改進(jìn)后接觸力最高為2×106N。

圖10 改進(jìn)后的連接應(yīng)力曲線Fig 10 Connection stress curve after improvement

比較圖9、10可知：改進(jìn)后最大接觸力下降了一個數(shù)量級，且最大應(yīng)力的持續(xù)時間也減少。仿真結(jié)果證明該方法能有效降低接觸面上的應(yīng)力，從而有利于降低運(yùn)行過程中的振動和噪聲。

4 結(jié)論

(1)盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)產(chǎn)生振動的原因是機(jī)構(gòu)安裝不正確或者加工沒達(dá)到精度要求，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動的摩擦力增大，當(dāng)摩擦力超過液壓缸推力或者拉力極限時，從而引起運(yùn)動過程中的抖動。

(2)盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因是管片螺栓和抓取頭是鋼和鋼接觸且連接有間隙，在管片運(yùn)行到垂直方向時連接處會產(chǎn)生碰撞從而引起噪聲。

(3)提出在管片螺栓上涂金屬橡膠涂層以降低摩擦力和最大接觸力的解決方法。仿真結(jié)果證明該方法能有效降低接觸面上的應(yīng)力，從而有利于降低運(yùn)行過程中的振動和噪聲。

(4)對管片拼裝機(jī)中主要的液壓驅(qū)動進(jìn)行仿真分析，得到運(yùn)動過程中的受力曲線，為今后液壓缸的驅(qū)動力計算、壽命計算等提供有用數(shù)據(jù)。