基于UG管片拼裝機微調機構的設計研究

段文軍　尹達　牟松　章龍管

（中鐵工程裝備集團機電工程有限公司，四川成都　610083）

基于UG管片拼裝機微調機構的設計研究

段文軍尹達牟松章龍管

（中鐵工程裝備集團機電工程有限公司，四川成都610083）

盾構機是當下最先進的隧道施工機械，而管片拼裝機是其關鍵部件之。筆者在對現在國內外廣泛采用的各種盾構進行了解和分析的基礎上，利用現代設計方法和理論，對土壓平衡盾構機的管片拼裝機微調機構進行機械結構設計，其主要由一個三自由度并聯機構實現微調機構的三個微調運動：俯仰、橫搖、偏轉。利用三維建模軟件UG NX8.0對所設計機構進行建模、裝配，然后利用UG NX/Motion模塊對所創建的模型進行運動仿真，得到相應的動力學參數，從而證明該機構的合理性。

管片拼裝機微調機構三自由度并聯機構UG

盾構法現廣泛應用于世界各地的地鐵、公路、市政、水電等隧道工程的建設，特別是在軟土地層中，其應用不可或缺。根據盾構法的施工特點，盾構管片是隧道的最終受力結構，管片拼裝質量的好壞直接關系到隧道的成洞質量。管片拼裝機作為盾構的重要組成部分，其作用是用預制的混凝土管片將挖好的隧道支護起來，并防止因開挖所引起的地表沉降和地下水的滲透對隧道的影響，同時，盾構管片拼裝與盾構機的推進相輔相成［1-2］。

微調機構主要實現管片拼裝機拼裝時對管片姿態的微調運動，包括俯仰、橫搖、偏轉這三個自由度方向上的運動，特點是運動幅度較小，但是為了提高拼裝效率，要求運動精度比較高。同時，由于

管片負載較大，對管片拼裝機有一定的剛度、強度要求。本文中介紹了一種三轉動自由度并聯機構來完成管片的三個微調運動。在管片的實際拼裝作業中，拼裝既要能保證管片具六個方向上的自由度：縱向直線方向（沿隧道軸線方向Z方向），徑向直線方向（沿隧道斷面方向X方向），圓周方向的回轉運動（Y方向），以及能夠實現管片姿態微調的三個自由度方向上的運動：偏轉運動、俯仰運動以及橫搖運動，示意圖如下圖1所示。這六個方向上的自由度主要通過電液比例控制來實現［3-5］。

圖1　管片6自由度示意圖

圖2　三轉動自由度并聯機構微調裝置原理圖

1　三自由度并聯微調機構原理介紹

該微調機構有運動上平臺、相對固定的下平臺以及兩個平臺之間的五條運動支鏈組成如圖2所示，上下平臺是2個相同變長的正三角形a1a2a3和A1A2A3，兩平臺中心為o，O。在這五條支鏈中，A1a1，A2a2，A3a3和輔助支鏈A4a4均為SPS支鏈，與上下平臺通過球鉸連接，另一條固定支鏈Pp一端與下固定平臺固結，另一端與動上平臺通過球鉸鏈接，鉸點為p。支點A3位于垂直且固連于下動平臺所在平面的立柱上面，a3位于上動平臺的中心o與鉸點 a2的連線上（A3a3垂直于pa3）。

結合管片拼裝機實際工作情況下的載荷和結構設計因素，通過所建立坐標系可以知道，α，β，χ分別對應微調機構的橫搖、俯仰、偏轉運動角度。

2　微調機構的運動學分析

對于微調機構來說，它通過三組主運動油缸和一組輔助支撐油缸來實現管片拼裝時的俯仰、偏轉以及橫搖三種微調運動，它的運動精度直接關系到了管片拼裝的精度，因此，筆者對其進行運動學進行了分析并得到相關曲線圖。由于微調機構上面共安裝有四組油缸實現微調運動，為了方便說明，我們在下面結合油缸的具體安裝位置來對油缸的運動學性能進行分析。

圖3　管片拼裝機微調機構姿態示意

圖4　1號微調油缸安裝位置

圖5　微調機構1號油缸運動曲線

圖6　2號油缸安裝位置

圖7　微調機構2號油缸運動曲線

圖8　3號微調油缸安裝位置

圖9　3號油缸運動曲線

圖10　4號微調油缸安裝位置

圖11　4號微調油缸運動曲線

從功能上分析，從圖4知1號油缸為輔助支撐油缸，我們需要1號微調油缸配合其他3個油缸實現微調運動，通過圖5運動曲線我們可以看出，1號油缸在運動過程中運行穩定，可以很好的實現其輔助功能。

圖6中2號油缸主要實現管片拼裝微調時的俯仰運動和偏轉運動，圖7中曲線中完整表述了該油缸的運動過程，其中前半部分表現的是俯仰運動，后半部分表示的是偏轉運動，從圖中我們可以看出該油缸在工作過程中運行較為穩定，但在極值點附近曲線變得很陡，這是因為在仿真中我們設置的驅動加速度較大造成的，在實際中碰到這種情況，可以根據曲線的變化對液壓系統進行優化設計，使機構運行更加平穩。

圖8中3號油缸在運動過程基本與2號油缸相反，從圖中可以看出，它與2號油缸運動曲線基本對稱，所以它的運動也比較穩定，存在問題與2號油缸類似，可以在液壓系統設計中考慮曲線與理想曲線的偏差來進行優化設計，是系統的工作更加穩定可靠。

圖10中4號微調油缸主要實現管片拼裝時的橫搖運動，用以修正管片安裝時沿隧道平面的偏差。從圖11運動曲線中我們可以看出，該油缸運動比較平穩，很好地實現了橫搖運動的要求，但是該油缸在運動過程中同樣存在一些沖擊，可以通過優化液壓回路的方法對曲線進行修正，使油缸在運動過程中沖擊更小，穩定性更好。

3　結語

在隧道施工中，管片拼裝是盾構施工中的關鍵技術之一，貫穿于盾構的整個施工過程，管片拼裝機的正常工作是盾構機穩定施工的前提?？刂坪枚軜嬀蜻M的軸線精度是提高隧道成型質量的前提，同時，要及時測量盾尾間隙及管片相對于盾構機上下左右的超前量等。本文對土壓平衡式盾構機的管片拼裝機微調機構的結構組成、工作原理、性能及參數性能進行了系統的分析，并提出了相應的改進方法。在現今設計制造水平不斷提高的基礎上，本文為盾構機今后的設計制造提供了參考。

［1］管會生，黃松和，徐濟平.管片拼裝機設計研究［J］.礦山機械，2005. 33（5）.

［2］張曉莉.盾構法隧道管片拼裝施工技術［J］.山西水利科技，2011.

［3］伊旅超，朱振宏等.譯.日本盾構隧道新技術［M］.華中理工大學出版社.

［4］張晉西，張甲瑞.G NX/Motion機構運動仿真基礎及實例［M］.清華大學出版.

［5］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.

The shield tunnel today is the most advanced construction machinery，while segment erector is one of its key components.In this paper，on the now w idely used at home and abroad to understand and analyze a variety of shield，based on the use of modern design methods and theories of earth pressure balance shield machine segment erector tuning mechanism for mechanical structure design.Mainly by a three degree of freedom parallel mechanism to achieve fine tuning exercise three institutions：pitch，roll，yaw.Using3D software UG NX8.0modeling agency for the design，assembly，and then use UG NX/Motion module created by the motion simulation model，the corresponding kinetic parameters，thus proving the agency's rationality.

Segment erecto；The fine adjustment mechanism；Three DOF parallel mechanism；UG