胡燕偉，李龍飛

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

1 引 言

近年來盾構(gòu)法施工以其施工效率高、安全性好和對地面環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展。管片拼裝機(jī)作為盾構(gòu)法隧道施工過程中管片襯砌的專用部件，管片拼裝機(jī)性能和可靠性將直接影響隧道施工的效率與施工質(zhì)量。因此，管片拼裝機(jī)的作用十分關(guān)鍵。梅勇兵[1]等對盾構(gòu)隧道管片拼裝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展做了詳細(xì)介紹并對未來拼裝機(jī)發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。張碧[2]等對盾構(gòu)管片拼裝機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，提出當(dāng)前拼裝機(jī)存在的問題并對未來發(fā)展方向做了探討。當(dāng)前拼裝機(jī)形式多種多樣，各具特點(diǎn)。李剛[3]等對拼裝機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力仿真的研究，對拼裝機(jī)設(shè)計(jì)及選型提供了依據(jù)。聶明濤[4]對拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了優(yōu)化。本文以主梁式拼裝機(jī)為研究對象，采集拼裝過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合采集的大數(shù)據(jù)和實(shí)際模型為依據(jù)在本文進(jìn)行研究分析，對原先的理論值進(jìn)行對比分析，然后對拼裝機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 主梁式管片拼裝機(jī)介紹

主梁式管片拼裝機(jī)主要用來對開挖的隧道進(jìn)行襯砌管片，如圖1所示，它主要包括主梁、移動架、回轉(zhuǎn)架、回轉(zhuǎn)支撐、抓取鉗和工作平臺等部件。拼裝機(jī)共有6個自由度，能實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)、前后平移、紅藍(lán)提升油缸提升動作和抓取鉗擺動動作等。拼裝機(jī)通過馬達(dá)帶動減速機(jī)、減速機(jī)帶動回轉(zhuǎn)支撐實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的回轉(zhuǎn)動作；通過軸向油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)主結(jié)構(gòu)件的前后平移動作；通過紅藍(lán)油缸提升與伸出動作實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)采樣與處理

本文對拼裝機(jī)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在拼裝機(jī)液壓馬達(dá)、紅藍(lán)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(shù)據(jù)。本文以鄭州地鐵5號線08標(biāo)左線盾構(gòu)為實(shí)驗(yàn)平臺，對拼裝機(jī)在區(qū)間掘進(jìn)時數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)抽樣采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、處理，得到拼裝工作中拼裝機(jī)各個液壓元器件的壓力狀況。進(jìn)而得出每個液壓元器件在拼裝過程中的各項(xiàng)輸出及時間占比，為今后參數(shù)和配置的設(shè)計(jì)做參考。

記錄的環(huán)號從始發(fā)時的-3環(huán)到出洞的第820環(huán)，設(shè)定PLC對壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)每秒讀取一次，并進(jìn)行儲存。數(shù)據(jù)總共記錄了16 502 407組，有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。由于原始數(shù)據(jù)記錄環(huán)號從-3環(huán)到820環(huán)，數(shù)據(jù)量非常龐大。本文對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)分析:取第-3環(huán)開始前50環(huán)壓力數(shù)值、第51環(huán)-769環(huán)間每隔25環(huán)壓力、第770環(huán)-820環(huán)后50環(huán)壓力數(shù)值。篩選后的數(shù)據(jù)總共129組。本文在剔除明顯偏離數(shù)據(jù)樣本回歸線的誤差后對各個部件數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(shù)據(jù)，計(jì)算得出各元器件實(shí)際工作狀態(tài)能力與設(shè)計(jì)能力對比圖，如圖7所示。

圖4 藍(lán)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(jī)馬達(dá)壓力曲線

圖7 元器件參數(shù)對比圖

4.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比分析

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

4.2 分析推斷

1）抓取頭實(shí)際輸出與理論計(jì)算值相差不大，設(shè)計(jì)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(cè)行走輪與主梁導(dǎo)軌產(chǎn)生別勁現(xiàn)象，或主梁導(dǎo)軌工作面存在土渣，影響拼裝機(jī)前后移動造成軸向油缸數(shù)據(jù)對比有明顯出入。

3）紅藍(lán)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(lán)提升油缸提升力，與藍(lán)油缸相連的連接梁為單邊滑套式結(jié)構(gòu)，滑動式的連接明顯減小了油缸受力。紅藍(lán)油缸內(nèi)部設(shè)計(jì)均為內(nèi)置套筒式設(shè)計(jì)，實(shí)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(dá)的理論輸出能力較實(shí)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(jī)設(shè)計(jì)時能夠滿足提供壓縮管片密封所需的擠壓力，但實(shí)際現(xiàn)場施工時管片間密封條擠壓力由螺栓預(yù)緊力提供，造成數(shù)據(jù)的偏差。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

由以上數(shù)據(jù)可知，拼裝機(jī)系統(tǒng)中在軸向移動油缸、紅藍(lán)提升油缸和驅(qū)動馬達(dá)理論計(jì)算和實(shí)際輸出間有一定程度的偏差，各部件設(shè)計(jì)能力較實(shí)際輸出有冗余現(xiàn)象。針對以上分析，在保證系統(tǒng)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(lán)提升油缸和驅(qū)動馬達(dá)做出一些的優(yōu)化設(shè)計(jì)如下。

1）針對軸向移動油缸，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，保證油缸同步工作[7]；結(jié)構(gòu)上優(yōu)化主梁軌道與移動滾輪的配合設(shè)計(jì)，并對主梁軌道刮渣裝置進(jìn)行優(yōu)化提高刮渣質(zhì)量；加強(qiáng)對移動滾輪進(jìn)行潤滑和保養(yǎng)[8]。

2）在紅藍(lán)提升油缸選型中，可以對與單邊滑套式連接梁結(jié)構(gòu)相連的藍(lán)提升油缸進(jìn)行適當(dāng)降配，減小能力冗余現(xiàn)象；提升油缸裝配時，提高內(nèi)部油缸件的裝配精度。

3）馬達(dá)理論扭矩輸出明顯大于馬達(dá)的實(shí)際輸出，在后續(xù)設(shè)計(jì)中降低拼裝機(jī)扭矩的邊界設(shè)定，降低管片間密封擠壓力對拼裝機(jī)扭矩的影響。

6 結(jié) 語

本文對主梁式拼裝機(jī)采集拼裝過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)和實(shí)際施工現(xiàn)狀對拼裝機(jī)各元器件使用情況進(jìn)行了有效分析，通過對比計(jì)算能夠確定本文現(xiàn)有拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)較為合理，并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對不同元器件做出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對后續(xù)主梁式拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)有了很大的提高，具有十分重要的意義。