基于數據分析的管片拼裝機優化設計

胡燕偉，李龍飛

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

1 引 言

近年來盾構法施工以其施工效率高、安全性好和對地面環境影響小等優點得到了迅猛發展。管片拼裝機作為盾構法隧道施工過程中管片襯砌的專用部件，管片拼裝機性能和可靠性將直接影響隧道施工的效率與施工質量。因此，管片拼裝機的作用十分關鍵。梅勇兵[1]等對盾構隧道管片拼裝技術的應用與發展做了詳細介紹并對未來拼裝機發展趨勢進行了探討。張碧[2]等對盾構管片拼裝機國內外研究現狀進行了研究，提出當前拼裝機存在的問題并對未來發展方向做了探討。當前拼裝機形式多種多樣，各具特點。李剛[3]等對拼裝機進行了運動學和動力仿真的研究，對拼裝機設計及選型提供了依據。聶明濤[4]對拼裝機的結構和參數進行分析，并進行了優化。本文以主梁式拼裝機為研究對象，采集拼裝過程中的各項數據，結合采集的大數據和實際模型為依據在本文進行研究分析，對原先的理論值進行對比分析，然后對拼裝機進行優化設計。

2 主梁式管片拼裝機介紹

主梁式管片拼裝機主要用來對開挖的隧道進行襯砌管片，如圖1所示，它主要包括主梁、移動架、回轉架、回轉支撐、抓取鉗和工作平臺等部件。拼裝機共有6個自由度，能實現拼裝機的旋轉、前后平移、紅藍提升油缸提升動作和抓取鉗擺動動作等。拼裝機通過馬達帶動減速機、減速機帶動回轉支撐實現拼裝機結構件的回轉動作；通過軸向油缸的伸縮實現拼裝機主結構件的前后平移動作；通過紅藍油缸提升與伸出動作實現對抓取管片的升降動作；通過抓取鉗部件中的擺動油缸和抓持油缸動作分別實現對管片的抓取工作和管片的擺動工作[5-7]。

圖1 主梁式拼裝機結構圖

3 數據采樣與處理

本文對拼裝機進行了特殊設計，在拼裝機液壓馬達、紅藍提升油缸、軸向移動油缸（單根）、抓舉頭油缸的液壓管路上分別安裝壓力傳感器裝置，采集壓力數據。本文以鄭州地鐵5號線08標左線盾構為實驗平臺，對拼裝機在區間掘進時數據的采集，對數據抽樣采集、匯總、統計、處理，得到拼裝工作中拼裝機各個液壓元器件的壓力狀況。進而得出每個液壓元器件在拼裝過程中的各項輸出及時間占比，為今后參數和配置的設計做參考。

記錄的環號從始發時的-3環到出洞的第820環，設定PLC對壓力傳感器采集的數據每秒讀取一次，并進行儲存。數據總共記錄了16 502 407組，有效保證了數據的可靠性和真實性。由于原始數據記錄環號從-3環到820環，數據量非常龐大。本文對原始數據進行采樣統計分析:取第-3環開始前50環壓力數值、第51環-769環間每隔25環壓力、第770環-820環后50環壓力數值。篩選后的數據總共129組。本文在剔除明顯偏離數據樣本回歸線的誤差后對各個部件數據進行分析，得到各元器件壓力曲線圖如圖2～圖6所示。

圖2 拼裝機抓舉頭抓持油缸壓力值曲線圖

圖3 軸向平移油缸壓力曲線圖

4 分析與推斷

通過采集的各元器件數據，計算得出各元器件實際工作狀態能力與設計能力對比圖，如圖7所示。

圖4 藍提升油缸壓力曲線圖

圖5 紅提升油缸壓力曲線圖

圖6 拼裝機馬達壓力曲線

圖7 元器件參數對比圖

4.1 統計數據對比分析

從圖7中可知，各系統元器件實際輸出與理論輸出各有不同，通過對比得出各系統元器件實際使用情況：抓舉頭實際輸出能力與理論計算值相差不大；軸向移動油缸實際輸出能力比理論計算值明顯偏大；紅藍提升油缸理論輸出應為一致，但實際紅提升油缸輸出能力明顯大于藍提升；馬達的理論輸出能力較實際輸出明顯偏大。

4.2 分析推斷

1）抓取頭實際輸出與理論計算值相差不大，設計較為合理。

2）軸向移動油缸可能不同步工作，形成位移差，造成移動架兩側行走輪與主梁導軌產生別勁現象，或主梁導軌工作面存在土渣，影響拼裝機前后移動造成軸向油缸數據對比有明顯出入。

3）紅藍提升油缸伸出時一般為帶載動作，此時紅提升油缸輸出力明顯大于藍提升油缸提升力，與藍油缸相連的連接梁為單邊滑套式結構，滑動式的連接明顯減小了油缸受力。紅藍油缸內部設計均為內置套筒式設計，實際油缸輸出力不一致可能受到油缸裝配精度的影響。

4）馬達的理論輸出能力較實際輸出明顯偏大，拼裝管片時，管片間密封條壓縮時有較大的反作用力，拼裝機設計時能夠滿足提供壓縮管片密封所需的擠壓力，但實際現場施工時管片間密封條擠壓力由螺栓預緊力提供，造成數據的偏差。

5 設計優化

由以上數據可知，拼裝機系統中在軸向移動油缸、紅藍提升油缸和驅動馬達理論計算和實際輸出間有一定程度的偏差，各部件設計能力較實際輸出有冗余現象。針對以上分析，在保證系統有足夠安全余量的前提下，本文可以針對軸向移動油缸、紅藍提升油缸和驅動馬達做出一些的優化設計如下。

1）針對軸向移動油缸，對液壓系統進行優化，保證油缸同步工作[7]；結構上優化主梁軌道與移動滾輪的配合設計，并對主梁軌道刮渣裝置進行優化提高刮渣質量；加強對移動滾輪進行潤滑和保養[8]。

2）在紅藍提升油缸選型中，可以對與單邊滑套式連接梁結構相連的藍提升油缸進行適當降配，減小能力冗余現象；提升油缸裝配時，提高內部油缸件的裝配精度。

3）馬達理論扭矩輸出明顯大于馬達的實際輸出，在后續設計中降低拼裝機扭矩的邊界設定，降低管片間密封擠壓力對拼裝機扭矩的影響。

6 結 語

本文對主梁式拼裝機采集拼裝過程中的各項數據，結合采集的數據和實際施工現狀對拼裝機各元器件使用情況進行了有效分析，通過對比計算能夠確定本文現有拼裝機的設計較為合理，并根據數據結果對不同元器件做出相應的優化設計，對后續主梁式拼裝機的設計有了很大的提高，具有十分重要的意義。