盾構管片拼裝機舉升機構優化設計

王南,盧軍廣,平恩順,李鵬飛

(河北工程大學機電學院,河北邯鄲056038)

盾構機是一種用于隧道開挖的專用工程機械,現代盾構機集機、電、液、傳感、信息技術于一體,廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。管片拼裝機是盾構機的關鍵部件之一,當盾構向前掘進一環后,管片拼裝機會按預定要求將混凝土管片拼裝成環,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機企業正在研制高效、可靠、智能化的管片自動拼裝機系統。國內的盾構機生產研制企業以及一些高等院校在引進、消化、吸收國外盾構掘進機先進技術基礎上,在管片自動拼裝機研究方面積極跟進,設計出了一些新的構型。錢曉剛等[2]提出了一種基于球面2自由度并聯機構的管片拼裝機,具有一定的創新性。張占強[3]設計出6自由度串-并混聯構型的管片拼裝機,能夠精確快速定位拼裝。

平行四邊形舉升機構是一種結構穩定,定位快速、準確的構型,廣泛應用于旋挖鉆機、橋梁檢測車等工程機械,但是其在盾構管片拼裝機上的應用,目前僅見于德國海瑞克公司生產的AVN泥水平衡盾構機[4]。本文在對比平行四邊形舉升機構管片拼裝機與傳統的升降油缸管片拼裝機的基礎上,將平行四邊形舉升機構進行建模分析,并使用MATLAB優化工具箱對其進行了優化設計,為盾構管片拼裝機機構選型設計提供了參考和依據。

1 管片拼裝機工作原理

管片拼裝機由平移機構、回轉機構、舉升機構和微調機構組成,能實現平移、回轉、升降、仰俯、橫搖和偏轉6種動作。6種動作與管片的6個自由度相對應,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,平移機構將提起的管片移到拼裝的橫斷面位置,回轉機構再將該管片旋轉到相應的徑向位置;然后再用偏轉油缸、仰俯油缸和橫搖油缸的不同步伸縮進行微調定位(管片的姿態控制),最后完成安裝[5-6]。

2 管片拼裝機舉升機構類型

管片拼裝機舉升機構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有垂直升降油缸舉升機構和平行四邊形舉升機構兩種(圖2)。

2.1 垂直升降油缸舉升機構

垂直升降油缸舉升機構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,導向塊固定在旋轉盤體上,缸體從中間通過,導向塊起導向和增加缸體剛度的作用(圖2-a)。

垂直升降油缸舉升機構結構對稱,承載能力大,是目前應用最廣泛的類型。但是由于呈懸臂支撐結構,舉升機構在行程最大位置時的抗彎性能是設計時主要考慮的問題。另外舉升油缸尺寸較大,行程比較長,受壓時可能出現失穩現象,這將嚴重影響管片安裝精度[7]。

2.2 平行四邊形舉升機構

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

平行四邊形舉升機構具有油缸行程短、結構緊湊等特點,應用于空間較小的中小型盾構之中,可以避免抗彎特性差、油缸失穩等現象。

3 平行四邊形舉升機構的優化設計

3.1 模型分析

將上述管片拼裝機平行四邊形舉升機構進行簡化分析,得出如圖3所示機構簡圖。

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—平行四邊形機構旋轉角度;β—液壓油缸旋轉角度;G—管片重量,此機構由兩個液壓油缸驅動,因此圖示中所受載荷取G/2。

對平行四邊形舉升機構進行受力分析,

(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,當桿長確定時,液壓油缸軸向拉力隨著平行四邊形機構旋轉角θ變化而變化[8]。

3.2 優化設計

平行四邊形舉升機構優化設計的目標是在一定載荷下,在滿足設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轉動靈活,從而減小平行四邊形舉升機構的整體尺寸和重量[9-10]。

(1)確定設計變量

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

(2)建立目標函數

優化設計的目的是,在載荷G一定時,通過合理設計參數l1,l2,使得平行四邊形升降機構液壓油缸軸向拉力最小。根據舉升機構基本模型分析,可知目標函數為：

(3)確定約束條件

根據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,以及管片長度參數和微調機構參數,設計變量 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傳動靈活,能夠滿足工作要求,應使平行四邊形舉升機構的平行四邊形機構旋轉角度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優化工具箱中的fmincon函數進行優化,并編制計算程序。經過迭代運算,得到優化后的結果為x={l1,l2}=(25,40)。

利用MATLAB的繪圖函數PLOT繪制出優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,優化前平行四邊形舉升機構旋轉角度從60°增加到105°,液壓油缸受力從13kN近似線性減小到10.1kN。優化后從60°旋轉到到105°時,液壓油缸受力從10.2kN近似線性減小到6.6kN。優化后平行四邊形舉升機構油缸受力明顯比優化前小,優化效果非常明顯。

4 結論

1)平行四邊形舉升機構在空間布置和結構性能方面都優于垂直升降油缸舉升機構。

2)優化后平行四邊形舉升機構油缸受力明顯小于優化前,優化效果非常明顯。

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

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

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

[4]德國海瑞克公司.AVN2440DS泥水盾構技術文件[Z]. 2003.

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

[6]李文福.盾構管片拼裝機的結構分析[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計研究[D].長春：吉林大學,2005.

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

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

[10]華大年,華志宏.連桿機構設計與應用創新[M].北京：機械工業出版社,2008.