基于UG管片拼装机微调机构的设计研究

段文军　尹达　牟松　章龙管

（中铁工程装备集团机电工程有限公司，四川成都　610083）

基于UG管片拼装机微调机构的设计研究

段文军尹达牟松章龙管

（中铁工程装备集团机电工程有限公司，四川成都610083）

盾构机是当下最先进的隧道施工机械，而管片拼装机是其关键部件之。笔者在对现在国内外广泛采用的各种盾构进行了解和分析的基础上，利用现代设计方法和理论，对土压平衡盾构机的管片拼装机微调机构进行机械结构设计，其主要由一个三自由度并联机构实现微调机构的三个微调运动：俯仰、横摇、偏转。利用三维建模软件UG NX8.0对所设计机构进行建模、装配，然后利用UG NX/Motion模块对所创建的模型进行运动仿真，得到相应的动力学参数，从而证明该机构的合理性。

管片拼装机微调机构三自由度并联机构UG

盾构法现广泛应用于世界各地的地铁、公路、市政、水电等隧道工程的建设，特别是在软土地层中，其应用不可或缺。根据盾构法的施工特点，盾构管片是隧道的最终受力结构，管片拼装质量的好坏直接关系到隧道的成洞质量。管片拼装机作为盾构的重要组成部分，其作用是用预制的混凝土管片将挖好的隧道支护起来，并防止因开挖所引起的地表沉降和地下水的渗透对隧道的影响，同时，盾构管片拼装与盾构机的推进相辅相成［1-2］。

微调机构主要实现管片拼装机拼装时对管片姿态的微调运动，包括俯仰、横摇、偏转这三个自由度方向上的运动，特点是运动幅度较小，但是为了提高拼装效率，要求运动精度比较高。同时，由于

管片负载较大，对管片拼装机有一定的刚度、强度要求。本文中介绍了一种三转动自由度并联机构来完成管片的三个微调运动。在管片的实际拼装作业中，拼装既要能保证管片具六个方向上的自由度：纵向直线方向（沿隧道轴线方向Z方向），径向直线方向（沿隧道断面方向X方向），圆周方向的回转运动（Y方向），以及能够实现管片姿态微调的三个自由度方向上的运动：偏转运动、俯仰运动以及横摇运动，示意图如下图1所示。这六个方向上的自由度主要通过电液比例控制来实现［3-5］。

图1　管片6自由度示意图

图2　三转动自由度并联机构微调装置原理图

1　三自由度并联微调机构原理介绍

该微调机构有运动上平台、相对固定的下平台以及两个平台之间的五条运动支链组成如图2所示，上下平台是2个相同变长的正三角形a1a2a3和A1A2A3，两平台中心为o，O。在这五条支链中，A1a1，A2a2，A3a3和辅助支链A4a4均为SPS支链，与上下平台通过球铰连接，另一条固定支链Pp一端与下固定平台固结，另一端与动上平台通过球铰链接，铰点为p。支点A3位于垂直且固连于下动平台所在平面的立柱上面，a3位于上动平台的中心o与铰点 a2的连线上（A3a3垂直于pa3）。

结合管片拼装机实际工作情况下的载荷和结构设计因素，通过所建立坐标系可以知道，α，β，χ分别对应微调机构的横摇、俯仰、偏转运动角度。

2　微调机构的运动学分析

对于微调机构来说，它通过三组主运动油缸和一组辅助支撑油缸来实现管片拼装时的俯仰、偏转以及横摇三种微调运动，它的运动精度直接关系到了管片拼装的精度，因此，笔者对其进行运动学进行了分析并得到相关曲线图。由于微调机构上面共安装有四组油缸实现微调运动，为了方便说明，我们在下面结合油缸的具体安装位置来对油缸的运动学性能进行分析。

图3　管片拼装机微调机构姿态示意

图4　1号微调油缸安装位置

图5　微调机构1号油缸运动曲线

图6　2号油缸安装位置

图7　微调机构2号油缸运动曲线

图8　3号微调油缸安装位置

图9　3号油缸运动曲线

图10　4号微调油缸安装位置

图11　4号微调油缸运动曲线

从功能上分析，从图4知1号油缸为辅助支撑油缸，我们需要1号微调油缸配合其他3个油缸实现微调运动，通过图5运动曲线我们可以看出，1号油缸在运动过程中运行稳定，可以很好的实现其辅助功能。

图6中2号油缸主要实现管片拼装微调时的俯仰运动和偏转运动，图7中曲线中完整表述了该油缸的运动过程，其中前半部分表现的是俯仰运动，后半部分表示的是偏转运动，从图中我们可以看出该油缸在工作过程中运行较为稳定，但在极值点附近曲线变得很陡，这是因为在仿真中我们设置的驱动加速度较大造成的，在实际中碰到这种情况，可以根据曲线的变化对液压系统进行优化设计，使机构运行更加平稳。

图8中3号油缸在运动过程基本与2号油缸相反，从图中可以看出，它与2号油缸运动曲线基本对称，所以它的运动也比较稳定，存在问题与2号油缸类似，可以在液压系统设计中考虑曲线与理想曲线的偏差来进行优化设计，是系统的工作更加稳定可靠。

图10中4号微调油缸主要实现管片拼装时的横摇运动，用以修正管片安装时沿隧道平面的偏差。从图11运动曲线中我们可以看出，该油缸运动比较平稳，很好地实现了横摇运动的要求，但是该油缸在运动过程中同样存在一些冲击，可以通过优化液压回路的方法对曲线进行修正，使油缸在运动过程中冲击更小，稳定性更好。

3　结语

在隧道施工中，管片拼装是盾构施工中的关键技术之一，贯穿于盾构的整个施工过程，管片拼装机的正常工作是盾构机稳定施工的前提。控制好盾构掘进的轴线精度是提高隧道成型质量的前提，同时，要及时测量盾尾间隙及管片相对于盾构机上下左右的超前量等。本文对土压平衡式盾构机的管片拼装机微调机构的结构组成、工作原理、性能及参数性能进行了系统的分析，并提出了相应的改进方法。在现今设计制造水平不断提高的基础上，本文为盾构机今后的设计制造提供了参考。

［1］管会生，黄松和，徐济平.管片拼装机设计研究［J］.矿山机械，2005. 33（5）.

［2］张晓莉.盾构法隧道管片拼装施工技术［J］.山西水利科技，2011.

［3］伊旅超，朱振宏等.译.日本盾构隧道新技术［M］.华中理工大学出版社.

［4］张晋西，张甲瑞.G NX/Motion机构运动仿真基础及实例［M］.清华大学出版.

［5］钱晓刚，高峰，郭为忠.六自由度盾构管片拼装机机构设计［J］.机械设计与研究，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