掘進(jìn)機(jī)用管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

程曉曉

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)城市地鐵建設(shè)迅速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)施工已經(jīng)成為大多數(shù)城市地鐵隧道施工中的首選工法，管片拼裝機(jī)作為安裝襯砌管片的機(jī)器手，其管路設(shè)計(jì)特別是管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)計(jì)有重要影響。本文針對(duì)管片拼裝機(jī)管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)現(xiàn)有的管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了原理分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算說(shuō)明及優(yōu)缺點(diǎn)分析;為后期管片拼裝機(jī)管路設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：管片拼裝機(jī);回轉(zhuǎn);設(shè)計(jì);分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.053

0 引言

隨著現(xiàn)代化程度的提高，掘進(jìn)機(jī)在地鐵、水電、煤礦等需要進(jìn)行地下挖掘的領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。在國(guó)內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)根據(jù)掘進(jìn)方式及工程地質(zhì)等方面的不同又分為盾構(gòu)機(jī)、TBM（敞開(kāi)式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾）、頂管機(jī)等類型。盾構(gòu)機(jī)以及部分TBM在隧道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)使用管片拼裝襯砌，對(duì)隧道進(jìn)行保護(hù)。隧道管片環(huán)一般采取對(duì)不同分塊管片旋轉(zhuǎn)特定角度拼裝的形式，因此頂部管片拼裝時(shí)旋轉(zhuǎn)角度需要大于180°。由于管片拼裝機(jī)抓取、微調(diào)管片需要一定數(shù)量的液壓、電氣管路提供動(dòng)力，故需對(duì)相應(yīng)管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1 管片模型

本文以某城市地鐵隧道用管片為例進(jìn)行說(shuō)明。管片外徑6m，分為6塊，如圖1所示。在該圖中，拼裝頂部管片時(shí)，管片拼裝機(jī)需旋轉(zhuǎn)理論量為180°。因此，為保證旋轉(zhuǎn)余量，設(shè)計(jì)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度±200°。

2 管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，不同的廠家設(shè)計(jì)有不同的結(jié)構(gòu)。概括來(lái)說(shuō)，可分為拖鏈?zhǔn)?、?dǎo)輪式、卷線輪式3種不同的機(jī)構(gòu)。

2.1 拖鏈?zhǔn)?/p>

該種機(jī)構(gòu)常見(jiàn)于海瑞克、中鐵裝備、鐵建重工等廠家。

拖鏈雙向回轉(zhuǎn)各200°，使用電氣元件控制。結(jié)構(gòu)采用管路支架引導(dǎo)及保護(hù)。不同直徑的管片對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)有不同的管路支架及拖鏈。管路支架及拖鏈旋轉(zhuǎn)角度分析如圖2-3所示。

拖鏈內(nèi)圈固定，外圈旋轉(zhuǎn)。圖示R1、R2、R3均相對(duì)于拖鏈中心線定義，為管片拼裝機(jī)其他結(jié)構(gòu)確定后的尺寸，該處可作為已知條件。假設(shè)拖鏈總長(zhǎng)度為L(zhǎng)。則角度α、β、L為需求解參數(shù)。

圖2中，拖鏈由外圈固定端A沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ（200°）至點(diǎn)B。圖3中，拖鏈由外圈固定端A沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ（200°）至點(diǎn)D。

由圖2-3及已知條件列方程：

該處以鐵建重工參數(shù)為例代入已知條件：R1=1600mm，R2=1915mm，R3=157.5mm。

可得：

α=1.5889=91.04°;β=0.3128=17.9°;L=6580.4mm。

根據(jù)拖鏈總長(zhǎng)度尺寸L，可進(jìn)一步確定拖鏈參數(shù)。

2.2 導(dǎo)輪式

該種機(jī)構(gòu)常見(jiàn)于NFM等廠家。

導(dǎo)輪式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖中，點(diǎn)E、F為管路的輸入端，相對(duì)固定;點(diǎn)G、H為管路輸出端，在管片拼裝機(jī)其他部件的驅(qū)動(dòng)下，拉動(dòng)管路繞中心點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng);D為導(dǎo)輪，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

采用該方式，回轉(zhuǎn)角度理論上可360°轉(zhuǎn)動(dòng)，范圍大，空間占用也較小。但該方式對(duì)管路質(zhì)量及相對(duì)滾動(dòng)裝置的要求極高，在隧道施工經(jīng)常出現(xiàn)泥漿、噴涌等環(huán)境中，易出現(xiàn)滾動(dòng)裝置卡死、管路經(jīng)常磨損更換等情況。圖6所示為12局某工地施工情況，圖7所示為20局某工地施工情況。圖6中所示磨損為滾動(dòng)輪因泥漿導(dǎo)致卡死，管線直接滑動(dòng)摩擦。

2.3 卷線輪式

該機(jī)構(gòu)常見(jiàn)于日式盾構(gòu)、羅賓斯、海瑞克（小盾構(gòu)）等廠家。

卷線輪式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖8所示。圖9所示為11局某工地采用卷線輪的情況。

圖中，J為卷線輪，一般固定于機(jī)架上面;管路K固定于管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動(dòng)下，拉動(dòng)J中卷繞的管路。

該結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度理論可達(dá)360°，可在隧道直徑小、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)使用。大直徑也有使用，但對(duì)管路要求較高，管路經(jīng)常處于卷繞或者受拉狀態(tài)，易出現(xiàn)損壞。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

管片拼裝機(jī)的抓取、旋轉(zhuǎn)等操作，均需要相應(yīng)液壓、電氣管路提供動(dòng)力。在維持管片拼裝機(jī)使用功能的前提下，首先應(yīng)確保管路的正常使用。

表1內(nèi)所示為3種管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，管路回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇應(yīng)在保護(hù)管路的前提下，根據(jù)具體的工況、預(yù)留空間的大小、管路性能等確定。

（1）在空間允許的情況下，優(yōu)先選擇拖鏈?zhǔn)?。管路無(wú)附加外力與摩擦力。

（2）空間較小時(shí)，可選擇導(dǎo)輪式與卷線輪式。這兩種方式運(yùn)行時(shí)管路均受到不同程度的拉力，導(dǎo)輪式更有可能導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦磨損。

參考文獻(xiàn)：

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