上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

0 緒論

隨著軌交通車?yán)锍痰难娱L和運營年數(shù)的增加，軌交隧道結(jié)構(gòu)的安全愈顯重要，因此對于軌交已運行隧道的日常維修就顯得尤為重要。為保證隧道結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和軌交的正常運營，采取隧道內(nèi)安裝鋼環(huán)的技術(shù)措施，對管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期加固。維修過程中，由于施工空間狹小、大重量鋼板構(gòu)件難以精確定位和安裝等，給隧道管片加固的質(zhì)量、安全等帶來了一系列難題。

鋼環(huán)安裝機(jī)是一種專門用來在隧道施工時對鋼環(huán)進(jìn)行抓取、舉升以及調(diào)整鋼環(huán)姿態(tài)等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，它可以減輕體力勞動，提高勞動生產(chǎn)率，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行某些特殊的工藝操作，實現(xiàn)機(jī)械化和自動化[1]。

相較于國內(nèi)同類產(chǎn)品的少自由度，新設(shè)計的安裝機(jī)械手多達(dá)9 個自由度，末端斗桿機(jī)構(gòu)（安裝鉸）能旋轉(zhuǎn)并擺動，操作更為靈活簡單，可實現(xiàn)隧道維修全斷面任意位置的安裝。它具有快慢2 擋變速，有效提高了作業(yè)效率。

1 鋼環(huán)安裝機(jī)設(shè)計概述

1.1 鋼環(huán)安裝機(jī)設(shè)計要求

鋼環(huán)在安裝過程中需要包括2 個方面的內(nèi)容：一是鋼環(huán)機(jī)械手在安裝鋼環(huán)時，可在有抓取鋼環(huán)、安裝鋼環(huán)等過程時，機(jī)械手臂能靈活調(diào)整抓取姿態(tài)以適應(yīng)自動或人工安裝；二是在適應(yīng)隧道惡劣環(huán)境的同時，保證安裝機(jī)械手施工過程中設(shè)備及人員的安全性。

綜上所述，鋼環(huán)安裝機(jī)應(yīng)滿足以下設(shè)計要求：

（a）機(jī)械手臂應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足強(qiáng)度要求下保證安全穩(wěn)定性；

（b）機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)鋼環(huán)全方位移動，實現(xiàn)工件的六自由度移動、任意位置就位；

（c）行走底盤要有廣泛的適應(yīng)性，適用于惡劣環(huán)境；

（d）安全的液壓、電氣操控系統(tǒng)；

（e）經(jīng)濟(jì)適用，故障率低。

1.2 總體設(shè)計方案

工程機(jī)械設(shè)計的第一步是功能規(guī)劃與總體設(shè)計，通過分析工程機(jī)械的施工現(xiàn)狀和施工特點，提出臺車的設(shè)計要求和工作性能等參數(shù)。根據(jù)要實現(xiàn)的功能設(shè)計要求分析，規(guī)劃車輛的設(shè)計方案與總體布局。

鋼環(huán)安裝機(jī)放置于隧道標(biāo)準(zhǔn)平板車之上，主要由底盤、鋼環(huán)安裝機(jī)械手和液壓及電氣與控制系統(tǒng)等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于隧道內(nèi)施工過程中環(huán)境惡劣、工作時間長，對很多主體構(gòu)件受力要求較高，故伸縮臂都采用挖掘機(jī)大小臂類似的型鋼板材焊接，保證整體加工的強(qiáng)度與精度。機(jī)械伸縮臂通過轉(zhuǎn)臺固定在行走底盤上。在鋼環(huán)安裝過程中，主要需要完成鋼環(huán)的翻轉(zhuǎn)、圓周運動和左右擺動等動作。考慮到鋼環(huán)安裝中惡劣的環(huán)境影響，本鋼環(huán)安裝機(jī)采用液壓驅(qū)動的方式，主要分為3 個步驟：

（a）鋼環(huán)安裝機(jī)用掛腳將鋼環(huán)抓舉到安裝位置；

（b）鋼環(huán)安裝機(jī)通過大小伸縮臂將鋼環(huán)舉升到一定高度，同時通過斗桿機(jī)構(gòu)來調(diào)整鋼環(huán)的姿態(tài)，從而將鋼環(huán)由運輸時的沿隧道軸線方向轉(zhuǎn)動改為垂直隧道軸線方向；

（c）在鋼環(huán)姿態(tài)調(diào)整好后，由安裝工人安裝鋼環(huán)端頭的連接螺栓。

圖1 鋼環(huán)安裝機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 鋼環(huán)安裝機(jī)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 底盤組件的設(shè)計

底盤主要由底盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底盤橫移機(jī)構(gòu)、底盤縱移機(jī)構(gòu)和底盤支撐組成。底盤橫向和縱向的移動是通過導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的，其設(shè)計克服了軌道牽引機(jī)車只能沿軌道縱向行駛的缺陷，用油缸來縱向與橫向運動的精確定位，大大節(jié)約了運行時間。底盤的支撐機(jī)構(gòu)由2 個支撐腳組成，見圖2。2 個支撐腳沿著隧道的徑向方向布置，這樣可以防止鋼環(huán)安裝機(jī)在施工過程中由于重心不穩(wěn)而發(fā)生傾覆。支撐腳與底盤主體是通過銷軸進(jìn)行連接的，當(dāng)施工完畢后可以將支撐腳折疊，從而可以減少鋼環(huán)安裝機(jī)的占地空間。

圖2 底盤支撐機(jī)構(gòu)伸展示意

2.2 伸縮臂的設(shè)計

伸縮臂安裝在底盤上部中心位置的回轉(zhuǎn)平臺上，如圖3所示，可以隨回轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動。伸縮臂由大臂和小臂組成，通過大小臂實現(xiàn)活動抓手遠(yuǎn)近高低的調(diào)整。大臂采用矩形截面的箱型結(jié)構(gòu)，通過連接件與底盤機(jī)構(gòu)連接，大臂與底盤的鉸接點位于底盤中心，在舉升液壓缸的作用下繞該點運動。大臂的2 個伸縮液壓缸并聯(lián)布置在底盤機(jī)構(gòu)上，通過液壓缸的作用可以實現(xiàn)大臂在垂直方向上0°～90°的轉(zhuǎn)動。小臂與大臂相鉸接，其伸縮液壓缸布置在大臂的箱型結(jié)構(gòu)上。小臂上部裝有一個轉(zhuǎn)動支架，可以為斗桿提供近360°的旋轉(zhuǎn)，從而增加了末端掛腳的自由度，其回轉(zhuǎn)用的液壓馬達(dá)與底盤用的液壓馬達(dá)形式是一樣的。

圖3 伸縮臂結(jié)構(gòu)

2.3 斗桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

斗桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計是本安裝機(jī)的一大亮點，其巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以增加安裝機(jī)的伸長范圍，還增加了末端掛腳的擺動范圍。斗桿機(jī)構(gòu)安裝于小臂上部的轉(zhuǎn)架之上，并可隨轉(zhuǎn)架繞小臂軸線方向作360°旋轉(zhuǎn)。

斗桿機(jī)構(gòu)（圖4）由斗桿油缸、斗桿箱體、小腳油缸一、小腳油缸二和掛腳組成。斗桿箱體鉸接在小臂上部的轉(zhuǎn)架上，在斗桿油缸的作用下繞該鉸接點轉(zhuǎn)動60°。其設(shè)計能使機(jī)械手在有限的空間內(nèi)微調(diào)鋼環(huán)片的位態(tài)。掛腳通過2個小腳油缸與斗桿箱相連，其中小腳油缸二被約束在箱體內(nèi)，只能沿其軸線作伸縮運動，而小腳油缸一有2 個自由度，即繞斗桿箱的轉(zhuǎn)動和沿油缸軸線的伸縮運動。在小腳油缸一和二的配合作用下，掛腳可以完成－65°～60°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

圖4 斗桿機(jī)構(gòu)

3 鋼環(huán)安裝機(jī)機(jī)構(gòu)自由度計算

鋼環(huán)安裝機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示，結(jié)構(gòu)簡圖將底盤回轉(zhuǎn)副和小臂上部的轉(zhuǎn)架回轉(zhuǎn)副均簡化成轉(zhuǎn)動副，從而巧妙地將空間機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成平面機(jī)構(gòu)。為了能夠正確算出機(jī)構(gòu)的空間自由度，本文采用歐陽富等[2]提出的空間機(jī)構(gòu)自由度計算公式，其表達(dá)式為：

式中：W——空間機(jī)構(gòu)的自由度；

P——空間機(jī)構(gòu)運動副自由度總數(shù)；

λ——空間機(jī)構(gòu)運動副的多余自由度數(shù)目；

3——空間機(jī)構(gòu)每個封閉環(huán)的約束數(shù)，或者說它是獨立位移方程數(shù)及條件約束數(shù)；

N——空間機(jī)構(gòu)的封閉環(huán)數(shù)。

由圖5可知，安裝機(jī)的運動副自由度總數(shù)為26，其中包括14 個轉(zhuǎn)動副，2 個移動副和5 個圓柱副。轉(zhuǎn)動副和移動副均只提供1 個自由度，圓柱副則提供2 個自由度。運動副多余自由度數(shù)目為5，機(jī)構(gòu)中的圓柱副可以提供移動和轉(zhuǎn)動2 個自由度，其中轉(zhuǎn)動自由度是多余的?？臻g機(jī)構(gòu)的封閉環(huán)數(shù)為4，其中大臂油缸、小臂油缸和斗桿油缸各組成1 個封閉環(huán)，2 個小腳油缸組成1 個封閉環(huán)。將以上數(shù)據(jù)帶入自由度計算公式可知：

因此，鋼環(huán)安裝機(jī)的自由度為9，這也與機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器數(shù)是相符的。對于三維空間中的任一剛體，其位姿必須由6 個參數(shù)才能確定，因此6自由度是具有完整空間定位能力的機(jī)器人最小的自由度數(shù)。

本文中的鋼環(huán)安裝機(jī)有9個自由度，從而增加了安裝機(jī)末端的靈活性和避障能力，改善了安裝機(jī)的運動學(xué)和動力學(xué)特性。

圖5 安裝機(jī)機(jī)構(gòu)

4 鋼環(huán)安裝機(jī)的工作空間

工作空間是指機(jī)器人臂桿末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點在一定條件下所能達(dá)到空間的位置集合。工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人的活動范圍，是衡量機(jī)器人工作能力的一個重要的運動學(xué)指標(biāo)[3]。

使用蒙特卡洛法求解機(jī)械手工作空間關(guān)鍵在于機(jī)械手各關(guān)節(jié)在相應(yīng)取值范圍內(nèi)工作，當(dāng)所有關(guān)節(jié)在取值范圍內(nèi)隨機(jī)遍歷取值后，得到的末端點的集合就構(gòu)成了機(jī)械手的工作空間。由蒙特卡洛法可以得出鋼環(huán)安裝機(jī)在隧道徑向的工作空間如圖6所示。

圖6 鋼環(huán)安裝機(jī)在隧道徑向的工作空間

5 結(jié)語

本文主要對鋼環(huán)安裝機(jī)的各個組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，計算出其自由度，并利用蒙特卡洛法描繪出了鋼環(huán)安裝機(jī)在隧道徑向操作的工作空間，為安裝機(jī)的實際操作提供了理論依據(jù)。通過上述研究，經(jīng)過上海軌交10號線新江灣城至殷高東路站隧道整修工程實際運作，滿足了管片加固中鋼環(huán)安裝的精確度等要求，為整修工程的順利完成打下了扎實基礎(chǔ)。