真空吸盤式管片拼裝機在盾構(gòu)上的應(yīng)用

常巍峰，王 鑫，袁文征

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)是一種大型暗挖隧道掘進設(shè)備，管片拼裝機是盾構(gòu)的一個重要組成部分，用來拼裝襯砌管片，具有鎖緊、平移、升降、仰俯、回轉(zhuǎn)、橫搖和偏轉(zhuǎn)等動作，各種動作配合使用來實現(xiàn)管片的定位與安裝。

拼裝機夾具的構(gòu)造因管片構(gòu)造的不同而異，并將影響管片組裝作業(yè)及效率。通常使用的夾具有手動螺旋機械式、液壓缸機械式和真空吸盤式。其中手動螺旋機械式需要手工勞動，效率較低，已經(jīng)很少使用；液壓缸機械式抓舉管片動作可靠，具有聯(lián)鎖功能，當管片過重時機械式抓舉頭的抓舉力將超過管片的承受力，此時液壓缸機械式也不再適用。因此，真空吸盤式的抓舉方式是適用范圍更廣、使用安全性更高的一種方式。

圖1 真空吸盤式管片拼裝機結(jié)構(gòu)

1 管片拼裝機的結(jié)構(gòu)特點

圖1是在國外某地鐵隧道施工項目中使用的真空吸盤式管片拼裝機，由托梁、平移機構(gòu)、舉升機構(gòu)、舉重臂、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、真空吸盤、工作平臺、管路支架等組成。托梁連接主機部分與后配套拖車；移動架通過左右各2個滾輪安裝在拼裝機托梁的行走槽中，回轉(zhuǎn)架通過回轉(zhuǎn)支撐與移動架連接，舉重臂通過2根提升油缸（紅、藍缸）與回轉(zhuǎn)架連接，真空吸盤則連接在舉重臂上。該管片拼裝機有6個自由度：前后移動（0～2000mm）、旋轉(zhuǎn)（±200°）、油缸的同步伸縮（0～1200mm）、油缸的不同步伸縮（±5°）、抓舉裝置的俯仰（±5°）、抓舉裝置的旋轉(zhuǎn)（±5°）。

管片拼裝機以電機帶動液壓泵作為動力源，通過遙控器進行操作，管片拼裝機的伸縮、旋轉(zhuǎn)和移動等功能都是比例控制的，可以對管片實現(xiàn)精確定位。

假設(shè)真空吸盤在管片拼裝機正下方的位置，整個管片拼裝機（包括移動架、回轉(zhuǎn)架、提升油缸、舉重臂和真空吸盤）在2個平移油缸的控制下可以實現(xiàn)在托梁上沿隧道軸線方向平移；旋轉(zhuǎn)馬達安裝在移動架兩側(cè)，可以控制回轉(zhuǎn)架、舉重臂和真空吸盤順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)200°；通過提升油缸（紅、藍缸）上升或下降舉重臂和吸盤；再通過提升油缸的不同步伸縮配合舉重臂左側(cè)連接銷的左右滑動，可以使舉重臂和吸盤實現(xiàn)在左右方向上的擺動；真空吸盤豎直方向上的擺動和水平方向上的旋轉(zhuǎn)是由俯仰油缸和旋轉(zhuǎn)油缸的調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。這樣在拼裝管片時，就可以實現(xiàn)6個自由度動作使管片準確定位。

2 真空吸盤的工作原理及設(shè)計

2.1 工作原理

采用真空吸盤抓取管片的工作原理是通過抽取真空，抽出吸盤內(nèi)部的空氣，真空吸盤通過1kg/cm2（按100%真空度計算）的氣壓作用于物體。真空吸盤的3個主要優(yōu)勢如下。

1）使用簡單 已儲存在真空腔的真空被轉(zhuǎn)移到真空吸盤中，取放管片都是瞬間完成的，操作人員只需按下按鈕，任務(wù)便輕松完成。

2）安全性高 即使在真空泵斷電的情況下，真空腔內(nèi)的真空也可以保證負載持續(xù)幾個小時不掉落。真空度由真空開關(guān)及真空表來控制，可通過真空表來觀察漏氣情況，只要腔內(nèi)存有真空負載就不會掉落。

3）生產(chǎn)效率高 真空吸盤只需要幾秒就可以完成取放過程，而原來機械式抓取則需要幾分鐘才可實現(xiàn)。真空吸盤與產(chǎn)品接觸后，既不會在產(chǎn)品上留下痕跡，也不會損壞產(chǎn)品，而這要歸功與一種特殊橡膠的使用。

真空吸盤總成主要由真空系統(tǒng)、真空吸盤、機架等組成，其工作原理參見圖2。

真空吸盤總成安裝在舉重臂上，工作時管片機帶動真空吸盤運動到位后，真空吸盤緊貼在鋼筋混凝土管片的內(nèi)弧面上。真空泵通過單向閥抽空真空腔內(nèi)的空氣，同時維持真空腔的真空度大于或等于80%即可吸住管片。換向閥位于A側(cè)重物被舉起，換至B側(cè)重物被釋放。在此位置脫離吸盤，可進行下一次的抓舉工作。

圖2 真空吸盤工作原理圖

2.2 真空吸盤設(shè)計

在滿足吸力要求的情況下應(yīng)盡量選取較低的真空度，根據(jù)經(jīng)驗取真空度百分數(shù)≥80%，此時吸盤與管片之間空腔內(nèi)的壓強≤20kPa。根據(jù)被吸管片的表面狀態(tài)及抓舉重量，采用1.5kW旋片式真空泵，最大空氣流量為50m3/h。

管片實際最大重力為26kN，K塊重力為8.5kN，按照真空吸盤最大抓取能力為35kN、中心吸盤抓取能力為12kN進行設(shè)計。考慮到隧道設(shè)備的特殊性和實際吸吊時的各種意外因素，設(shè)計時選取較高的安全系數(shù)，一般可取2.5～3[2]，在正常工作狀態(tài)時選用的真空泵可維持真空度百分數(shù)在95%～98%，即可計算出吸盤實際所需要的吸附面積。

由于管片形狀為圓弧狀，采用多個吸盤分別均布吸附在管片上，將對管片的均勻受力十分有利，可以保證運輸拼裝的質(zhì)量；而且沿管片圓周方向吸盤的弧長較短，也可以更好地保證吸盤與管片的接觸密封性[2]。在拼裝封頂塊(K塊)時中心吸盤單獨抓取，同時為了安裝管片螺栓的需要，要求中心吸盤可以相對于其他兩個吸盤單獨進行伸縮動作，參見圖3。

2.3 真空儲氣罐

圖3 真空吸盤與管片

管片拼裝機由于結(jié)構(gòu)緊湊，盾體內(nèi)部空間有限，無法設(shè)置單獨的真空儲氣罐，因此一般把真空腔設(shè)置在管片拼裝機結(jié)構(gòu)內(nèi)部。常用的真空腔結(jié)構(gòu)有兩種：第一種將真空腔設(shè)計于回轉(zhuǎn)架內(nèi)部，優(yōu)點是空間充足，允許設(shè)計較大的真空腔容積，缺點是距離真空吸盤工作位置較遠，真空管路較長，增加了真空泄露點，降低了真空吸盤的反應(yīng)靈敏度；第二種將真空腔設(shè)計于舉重臂內(nèi)部，其優(yōu)缺點與第一種方案正好相反。在實際應(yīng)用過程中，如果管片重量較重，常采用第一種方案，而較輕的管片則采用第二種方案，本項目采用第二種方案的真空腔設(shè)計。真空腔的容積大小與真空吸盤斷電后保壓時間的長短有關(guān)系。當真空吸盤斷電后保壓時間為15min時，一般真空腔容積應(yīng)為吸盤容氣量的10倍以上。真空吸盤工作時，吸盤上的密封條會發(fā)生變形，經(jīng)試驗，當真空度達到80%時，變形后吸盤腔內(nèi)的高度為10mm，據(jù)此可計算出真空腔的容積[3]。

2.4 真空吸盤的定位及管片識別裝置

使用真空吸盤抓取管片時，需要將真空吸盤與管片精確定位。在真空吸盤后部有兩個激光定位裝置，對應(yīng)管片上的兩個定位孔，移動真空吸盤使兩束激光打到兩個定位孔中，說明位置已經(jīng)對準，可以將真空吸盤下降進行抓舉了；在中心吸盤上有兩個安全銷，用來固定管片，防止管片在拼裝的過程中滑動或者旋轉(zhuǎn)，并且可以吸收放置管片時產(chǎn)生的剪切力以防止真空失效。

圖4 真空吸盤示意圖

管片分封頂塊（K塊）和其它塊兩種類型，封頂塊（K塊）的大小一般只有其它塊的1/3大小。本項目的K塊識別方案為：管片拼裝機吸盤設(shè)計有3個接近開關(guān)分別位于左、右真空吸盤及中心真空吸盤處，當只有中部接近開關(guān)頂起，左右兩個接近開關(guān)沒頂起時，系統(tǒng)識別為K塊；當3個接近開關(guān)均頂起時，系統(tǒng)識別為其它塊。

3 建 議

真空吸盤大大提高了拼裝管片的工作效率，降低了人工勞動強度。為了確保真空吸盤工作正常，每天必須檢查真空吸盤的密封情況，及時更換已損壞的密封條，根據(jù)使用經(jīng)驗，每3個月需要對密封條進行一次更換。每天必須檢查襯墊的橡膠密封，及時更換已損壞的橡膠密封，檢查管片安全銷是否損壞。每天清理真空泵進氣和排氣的濾芯，檢查真空軟管是否存在破損和漏氣的情況，真空壓力表是否工作正常，報警器、報警燈在出現(xiàn)故障情況下是否能正常報警，真空壓力傳感器的安全防護，K塊檢測器傳感銷子是否伸縮正常。

[1]徐成海.真空工程技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2]鄧嘉鳴,沈惠平,高宗華,等.大噸位隧道混凝土管片真空吸吊翻轉(zhuǎn)機的設(shè)計與研制[J].機械設(shè)計，2008，(8):76-78.

[3]容 錦.大型盾構(gòu)管片吊機真空吸盤的研究及應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2012，(10):18-20+24.

[4]葉 忠.盾構(gòu)管片拼裝機原理及故障診斷與預防[J].隧道建設(shè)，2010,(4)：486-491.