基于数据分析的管片拼装机优化设计

胡燕伟，李龙飞

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

1 引 言

近年来盾构法施工以其施工效率高、安全性好和对地面环境影响小等优点得到了迅猛发展。管片拼装机作为盾构法隧道施工过程中管片衬砌的专用部件，管片拼装机性能和可靠性将直接影响隧道施工的效率与施工质量。因此，管片拼装机的作用十分关键。梅勇兵[1]等对盾构隧道管片拼装技术的应用与发展做了详细介绍并对未来拼装机发展趋势进行了探讨。张碧[2]等对盾构管片拼装机国内外研究现状进行了研究，提出当前拼装机存在的问题并对未来发展方向做了探讨。当前拼装机形式多种多样，各具特点。李刚[3]等对拼装机进行了运动学和动力仿真的研究，对拼装机设计及选型提供了依据。聂明涛[4]对拼装机的结构和参数进行分析，并进行了优化。本文以主梁式拼装机为研究对象，采集拼装过程中的各项数据，结合采集的大数据和实际模型为依据在本文进行研究分析，对原先的理论值进行对比分析，然后对拼装机进行优化设计。

2 主梁式管片拼装机介绍

主梁式管片拼装机主要用来对开挖的隧道进行衬砌管片，如图1所示，它主要包括主梁、移动架、回转架、回转支撑、抓取钳和工作平台等部件。拼装机共有6个自由度，能实现拼装机的旋转、前后平移、红蓝提升油缸提升动作和抓取钳摆动动作等。拼装机通过马达带动减速机、减速机带动回转支撑实现拼装机结构件的回转动作；通过轴向油缸的伸缩实现拼装机主结构件的前后平移动作；通过红蓝油缸提升与伸出动作实现对抓取管片的升降动作；通过抓取钳部件中的摆动油缸和抓持油缸动作分别实现对管片的抓取工作和管片的摆动工作[5-7]。

图1 主梁式拼装机结构图

3 数据采样与处理

本文对拼装机进行了特殊设计，在拼装机液压马达、红蓝提升油缸、轴向移动油缸（单根）、抓举头油缸的液压管路上分别安装压力传感器装置，采集压力数据。本文以郑州地铁5号线08标左线盾构为实验平台，对拼装机在区间掘进时数据的采集，对数据抽样采集、汇总、统计、处理，得到拼装工作中拼装机各个液压元器件的压力状况。进而得出每个液压元器件在拼装过程中的各项输出及时间占比，为今后参数和配置的设计做参考。

记录的环号从始发时的-3环到出洞的第820环，设定PLC对压力传感器采集的数据每秒读取一次，并进行储存。数据总共记录了16 502 407组，有效保证了数据的可靠性和真实性。由于原始数据记录环号从-3环到820环，数据量非常庞大。本文对原始数据进行采样统计分析:取第-3环开始前50环压力数值、第51环-769环间每隔25环压力、第770环-820环后50环压力数值。筛选后的数据总共129组。本文在剔除明显偏离数据样本回归线的误差后对各个部件数据进行分析，得到各元器件压力曲线图如图2～图6所示。

图2 拼装机抓举头抓持油缸压力值曲线图

图3 轴向平移油缸压力曲线图

4 分析与推断

通过采集的各元器件数据，计算得出各元器件实际工作状态能力与设计能力对比图，如图7所示。

图4 蓝提升油缸压力曲线图

图5 红提升油缸压力曲线图

图6 拼装机马达压力曲线

图7 元器件参数对比图

4.1 统计数据对比分析

从图7中可知，各系统元器件实际输出与理论输出各有不同，通过对比得出各系统元器件实际使用情况：抓举头实际输出能力与理论计算值相差不大；轴向移动油缸实际输出能力比理论计算值明显偏大；红蓝提升油缸理论输出应为一致，但实际红提升油缸输出能力明显大于蓝提升；马达的理论输出能力较实际输出明显偏大。

4.2 分析推断

1）抓取头实际输出与理论计算值相差不大，设计较为合理。

2）轴向移动油缸可能不同步工作，形成位移差，造成移动架两侧行走轮与主梁导轨产生别劲现象，或主梁导轨工作面存在土渣，影响拼装机前后移动造成轴向油缸数据对比有明显出入。

3）红蓝提升油缸伸出时一般为带载动作，此时红提升油缸输出力明显大于蓝提升油缸提升力，与蓝油缸相连的连接梁为单边滑套式结构，滑动式的连接明显减小了油缸受力。红蓝油缸内部设计均为内置套筒式设计，实际油缸输出力不一致可能受到油缸装配精度的影响。

4）马达的理论输出能力较实际输出明显偏大，拼装管片时，管片间密封条压缩时有较大的反作用力，拼装机设计时能够满足提供压缩管片密封所需的挤压力，但实际现场施工时管片间密封条挤压力由螺栓预紧力提供，造成数据的偏差。

5 设计优化

由以上数据可知，拼装机系统中在轴向移动油缸、红蓝提升油缸和驱动马达理论计算和实际输出间有一定程度的偏差，各部件设计能力较实际输出有冗余现象。针对以上分析，在保证系统有足够安全余量的前提下，本文可以针对轴向移动油缸、红蓝提升油缸和驱动马达做出一些的优化设计如下。

1）针对轴向移动油缸，对液压系统进行优化，保证油缸同步工作[7]；结构上优化主梁轨道与移动滚轮的配合设计，并对主梁轨道刮渣装置进行优化提高刮渣质量；加强对移动滚轮进行润滑和保养[8]。

2）在红蓝提升油缸选型中，可以对与单边滑套式连接梁结构相连的蓝提升油缸进行适当降配，减小能力冗余现象；提升油缸装配时，提高内部油缸件的装配精度。

3）马达理论扭矩输出明显大于马达的实际输出，在后续设计中降低拼装机扭矩的边界设定，降低管片间密封挤压力对拼装机扭矩的影响。

6 结 语

本文对主梁式拼装机采集拼装过程中的各项数据，结合采集的数据和实际施工现状对拼装机各元器件使用情况进行了有效分析，通过对比计算能够确定本文现有拼装机的设计较为合理，并根据数据结果对不同元器件做出相应的优化设计，对后续主梁式拼装机的设计有了很大的提高，具有十分重要的意义。