嚴振林

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

國家“十四五規(guī)劃”強調(diào)要發(fā)展壯大城市群和都市圈，將規(guī)劃新增城市軌道交通運營里程3 000 km[1]。盾構(gòu)法作為城市地下隧道施工的主流方法，具有對周圍環(huán)境影響小、自動化程度高、施工快速、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保等優(yōu)點，在地下施工中顯示出強大的優(yōu)勢[2]。

盾構(gòu)機是盾構(gòu)法隧道施工的核心，盾構(gòu)機施工過程中，通過盾體外殼和預(yù)制成型管片支承圍巖防止發(fā)生隧道內(nèi)的坍塌，可實現(xiàn)隧道一次成型[3]。一般來說，直徑8 m以下中小型盾構(gòu)機管片起吊及拼裝采用機械抓取完成，而直徑8 m以上大型盾構(gòu)機管片起吊及拼裝則采用真空吸盤實現(xiàn)[4]。

管片真空吸盤系統(tǒng)是大型盾構(gòu)機的核心部件之一，相比傳統(tǒng)機械抓取管片設(shè)備，真空吸盤抓取管片具有速度快、承載能力強及可靠性高等優(yōu)勢。但由于涉及機械、電氣、液壓等多學(xué)科先進技術(shù)，通常只在大直徑管片起吊及拼裝時使用，其技術(shù)難點主要體現(xiàn)在大面積曲面鋼板焊接變形控制、大容量真空容器焊接氣密性控制以及大尺寸真空吸盤工業(yè)性試驗等方面[5-8]。

2 真空吸盤組成結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 真空吸盤組成結(jié)構(gòu)

真空吸盤與盾構(gòu)機拼裝機之間通過紅、藍液壓缸連接，主要實現(xiàn)對管片的吸附、拼裝和釋放。真空吸盤可實現(xiàn)沿隧道橫斷面徑向位移、沿洞軸線縱向位移、沿拼裝機軸線360°回轉(zhuǎn)、沿吸盤中心線±3°微調(diào)回轉(zhuǎn)及±3°微調(diào)俯仰和小盤伸縮六個自由度的動作。為實現(xiàn)此工程需求，設(shè)計出的真空吸盤系統(tǒng)主要由吸盤主體結(jié)構(gòu)、真空氣路系統(tǒng)(包括真空泵、單向閥、空氣濾清器、真空電磁閥、真空壓力傳感器、真空表、接頭、軟硬管路等)、管片類型識別系統(tǒng)(包括伸縮探針、探針接近開關(guān)、小盤伸縮液壓缸接近開關(guān)等)、管片定位系統(tǒng)(包括定位銷、激光發(fā)射器)、吸盤回轉(zhuǎn)液壓缸、吸盤俯仰液壓缸、小盤伸縮液壓缸、液壓控制閥、電控箱等部分組成，如圖1所示。

圖1 真空吸盤結(jié)構(gòu)組成

2.2 真空吸盤工作原理

真空吸盤接收拼裝機系統(tǒng)的控制命令，完成指定動作后反饋執(zhí)行結(jié)果至拼裝機，真空吸盤主要實現(xiàn)對管片的吸附和釋放。如圖2所示，真空泵通過止回閥，從真空腔體中抽出空氣，并保持真空度在85%以上(最大至99%)；兩位三通真空電磁閥4和5可通過電磁作用變換位置，連接真空腔、真空吸盤和外界大氣；按下吸附按鈕，吸盤控制系統(tǒng)會自動識別管片種類，并切換電磁閥至閥芯位置，此時真空腔與工作腔逐漸連通，至工作腔壓力大于80%滿足起吊條件；按下釋放按鈕0.5 s，空氣瞬間進入吸盤10、11、12，被吊管片隨即與吸盤脫離，完成管片釋放動作。真空腔與吸盤隔離，等待下一次的操作；電磁閥由電磁脈沖控制，在斷電情況下，電磁閥不會改變位置，管片依然能保持長時間吸附狀態(tài)。

圖2 真空吸盤工作原理

3 真空吸盤硬件設(shè)計

3.1 真空吸盤技術(shù)參數(shù)

(1)額定吊重:8 t；

(2)K塊吊重:2.6 t；

(3)K塊行程:180 mm；

(4)微調(diào)回轉(zhuǎn):±3°；

(5)俯仰回轉(zhuǎn):±3°。

針對8 t額定吊重，真空吸盤80%真空度時豎直向上的吸力為:

式中:Pv為100%真空度時的壓力；Sv為左、中、右三個工作腔面積之和。

設(shè)計取2.5倍的系數(shù)，則:

針對2.6 t的K塊吊重，真空吸盤80%真空度時豎直向上的吸力為:

式中:Pk為100%真空度時的壓力；Sk為中間工作腔面積。

同樣取2.5倍系數(shù)，則:

針對以上各參數(shù)，元器件選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計可完全滿足要求。

3.2 真空吸盤結(jié)構(gòu)計算

依據(jù)吸盤系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計三維數(shù)學(xué)模型。按照實際工況，真空吸盤系統(tǒng)工作過程中，對結(jié)構(gòu)考驗最為嚴苛的工況有三種。

(1)工況一:真空吸盤繞圓周旋轉(zhuǎn)至盤面與地面呈90°，此時吸盤受管片擠壓力Fa＝250 kN和管片重力G1＝80 kN。仿真計算中，大臂兩端與紅藍油缸連接處施加固定約束。由于擠壓力Fa和管片重力主要依靠定位銷承重，在兩個定位銷處各施加F＝(Fa+G1)/2＝165 kN的作用力，同時施加真空吸盤系統(tǒng)自重G，得到工況一仿真邊界條件，如圖3所示。

圖3 工況一仿真邊界條件

(2)工況二:真空吸盤繞盾構(gòu)機圓周旋轉(zhuǎn)至盤面與地面呈90°，真空吸盤安裝管片過程中，受到上一環(huán)管片對吸盤系統(tǒng)沿掘進方向的作用力Fb＝150 kN和管片的重力G1＝80 kN。為此在仿真中，大臂兩端與紅藍油缸連接處施加固定約束。由于擠壓力Fb和管片重力G1主要依靠定位銷承重，但二者方向不同，因而兩個定位銷部位沿-Z方向各施加75 kN的力，沿-X方向各施加40 kN的力，同時施加真空吸盤系統(tǒng)自重G，得到工況二仿真邊界條件，如圖4所示。

圖4 工況二仿真邊界條件

(3)工況三:真空吸盤吸附管片過程中，受大油缸施加的豎直向下的力Fc＝700 kN，為此在仿真中，在吸盤下盤面及工作腔與管片接觸的棱邊施加固定約束，在大臂兩端與紅藍油缸連接處各施加沿圖5所示方向350 kN的作用力，同時施加真空吸盤系統(tǒng)自重，得到工況三仿真邊界條件，如圖5所示。

圖5 工況三仿真邊界條件

真空吸盤材料參數(shù)如表1所示，進行網(wǎng)格劃分并設(shè)置仿真算法與收斂精度，得到工況一條件下真空吸盤系統(tǒng)計算結(jié)果。

表1 真空吸盤材料參數(shù)

根據(jù)分析結(jié)果，工況一條件下真空吸盤最大應(yīng)變發(fā)生在定位銷部位，最大應(yīng)變值為0.17 mm，而此處的應(yīng)力也最大，為145 MPa。

同理，進行工況二和工況三條件下真空吸盤系統(tǒng)應(yīng)變和應(yīng)力分析，去除應(yīng)力奇異點，可以最終得到三種工況下真空吸盤系統(tǒng)應(yīng)變和應(yīng)力值，如表2所示。由表2可知，最大應(yīng)變?yōu)?.71 mm，相比真空吸盤尺寸處于可接受的應(yīng)變范圍。工況一和工況二條件下，最大應(yīng)力為145.3 MPa，遠小于材料的屈服強度；工況三受力700 kN，最大應(yīng)力為513.6 MPa，出現(xiàn)在大臂與盤面之間的定位銷處，該處材料屈服強度為930 MPa，滿足1.5倍的安全系數(shù)。綜上，真空吸盤系統(tǒng)滿足實際工況需求。

表2 真空吸盤系統(tǒng)性能參數(shù)

4 真空吸盤軟件設(shè)計

圖6為真空吸盤控制系統(tǒng)示意圖。真空吸盤系統(tǒng)設(shè)置獨立的從PLC控制器，負責管片拼裝過程中的信號采集和狀態(tài)控制，一方面接收遙控器通過拼裝機主PLC發(fā)送來的控制命令，另一方面將采集到的管片拼裝狀態(tài)信號發(fā)送回主PLC，整個過程可以實現(xiàn)自動化。真空吸盤從PLC所采集的信號包括:真空腔壓力、左工作腔壓力、中間工作腔壓力、右工作腔壓力，用以識別管片種類的左、中、右、小盤伸縮識別探針信號及進行管片定位的激光發(fā)射器信號等。所控制的狀態(tài)有:接通真空腔、工作腔、外界大氣的真空電磁閥狀態(tài)，控制小盤伸縮油缸、吸盤回轉(zhuǎn)油缸、吸盤俯仰油缸的液壓換向電磁閥狀態(tài)及進行故障提示的塔式報警燈狀態(tài)等。

圖6 真空吸盤控制系統(tǒng)示意

選擇西門子ST30 PLC作為吸盤系統(tǒng)控制器，通過編寫梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)管片拼裝系列功能動作，控制流程如圖7所示?？蓪崿F(xiàn)的主要動作包括:(1)操作拼裝機，使吸盤位于管片正上方。(2)伸出紅藍油缸，下降吸盤，使吸盤兩個定位銷對正管片的兩個定位銷孔，使一側(cè)的兩個激光發(fā)射器打出的光斑對準管片定位凹坑；當吸盤密封條與管片上表面開始接觸時停止紅藍油缸動作，觀察吸盤四周密封條與管片貼合情況，此時可通過操作微調(diào)回轉(zhuǎn)油缸或俯仰油缸調(diào)整吸盤的對位狀態(tài)。(3)繼續(xù)下降吸盤，至紅藍油缸不再伸出為止(操作工人目測判別)。(4)觀察吸盤四周，如無異常，按下吸盤吸附按鈕，待塔式報警燈顯示綠色后(此時吸盤工作腔的真空度達80%以上)，松開吸附按鈕。(5)操作拼裝機，使管片到達安裝位置。(6)連接待安裝管片與相鄰環(huán)向、縱向已安裝管片之間的連接螺栓，確保管片安全固定。(7)操作吸盤釋放按鈕，使吸盤與管片脫離。(8)操作拼裝機進入下一工作循環(huán)。

圖7 真空吸盤控制流程

5 真空吸盤樣機研制

管片真空吸盤系統(tǒng)需與拼裝機系統(tǒng)進行組裝、調(diào)試、試驗及聯(lián)動[9]。該系統(tǒng)可以完成隧道拼裝管片的吸附、釋放、回轉(zhuǎn)、俯仰等動作功能，吸盤需操作簡單、運行平穩(wěn)、安全可靠，真空吸盤樣機研制著重考慮了安全性設(shè)計措施和真空保壓試驗[10-12]。

5.1 安全性設(shè)計措施

硬件方面，選用真空單向閥防止斷電情況下空氣回流，選用具有斷電保持功能的真空電磁閥，防止斷電后外界與真空腔連通，避免真空度下降誘發(fā)管片脫落。遙控操作面板設(shè)置雙釋放按鈕，防止操作員誤動作引發(fā)的不安全事故。

軟件方面，設(shè)計PLC控制邏輯，判斷真空壓力傳感器采集到的真空度數(shù)據(jù)，當不滿足80%的吸附條件時，吸附按鈕不可用；管片拼裝整個過程中，真空度低于80%時，塔式報警燈紅色閃爍并停止動作。系統(tǒng)設(shè)有安全繼電器，排除故障后需在遙控器手動復(fù)位后，紅燈滅、綠燈亮，系統(tǒng)可繼續(xù)運行。

5.2 真空保壓試驗

真空吸盤在盾構(gòu)現(xiàn)場驗收時，需進行保壓測試，啟動真空泵直至真空腔真空度達到-0.99 bar。吸附管片后，關(guān)閉真空泵30 min，確保真空腔、左腔、中間腔、右吸腔真空度均不低于-0.8 bar，否則認為氣體泄漏過快，需查找漏點進行處理。

6 關(guān)鍵技術(shù)

對于真空吸盤而言，技術(shù)難點主要體現(xiàn)在兩個方面，一是大容量真空容器焊接氣密性控制，即進行大尺寸真空吸盤工業(yè)性試驗時如何保證真空度；二是吸盤盤面的大面積曲面鋼板焊接變形控制。

6.1 氣密性控制

真空吸盤氣密性控制主要包括密封槽焊接工藝、密封條裝配工藝以及保壓試驗檢測。

(1)密封槽焊接工藝:按照圖紙要求將槽鋼切段、開坡口，并將槽鋼卷圓；將已鉚焊好的吸盤翻轉(zhuǎn)固定，用密封槽樣板靠在吸盤盤面上放樣，根據(jù)放樣形狀，逐條拼焊密封槽并修正圓弧形狀，保證整體曲面輪廓度≤3 mm；用樣板與密封槽比對，保證密封槽輪廓度在3 mm以內(nèi)，對局部高點采用火焰加熱、銅棒敲擊以降低高度，局部低點采用堆焊后打磨以填補高度，直至輪廓度≤3 mm。對于密封槽的局部修正應(yīng)保證修正后密封槽表面的連續(xù)平順性。焊接完成后，對焊縫進行探傷檢測及氣密性檢測，不合格的焊縫重新焊接，直至整個焊接件全部合格為止，最后對整個焊接件進行去應(yīng)力退火。

(2)密封條裝配工藝:密封條只允許有1個接口，密封條從接口處為起點，先把一側(cè)斜插入密封槽內(nèi)，用工具壓縮密封條，然后緩慢將密封條另一側(cè)塞入密封槽內(nèi)；全部塞入后，檢驗密封條，對于突出不平的地方用橡膠錘多次輕敲，保證平整度；最后將對接處粘接。在整個裝配過程中須保證密封條不能有損傷以及密封條的平整度，以保證吸盤真空腔的氣密性良好。

(3)保壓試驗檢測:保壓試驗前，調(diào)整工裝重心使其位于吸盤中軸線上，并保持整個工裝平衡。通電吸附之前，檢查電路系統(tǒng)、真空表以及真空傳感器等是否正常工作。準備工作完成后，打開真空泵控制按鈕，開始對真空腔抽真空，當真空表達到-0.96 MPa以下時，關(guān)閉真空泵，并保壓30 min，檢測真空度在-0.8 MPa以下即為合格，否則視為氣密性不合格，需查找漏點。

6.2 變形控制

吸盤盤面是一個大面積曲面，因為面積大，盤面鋼板厚度小，焊接部件多，很容易導(dǎo)致焊接之后的盤面發(fā)生變形。為此，采用針對性的吸盤盤面焊接工藝:將卷圓之后的盤面放置在事先加工好的鉚焊工裝上，并用支撐筋支撐盤面；根據(jù)圖紙及焊接工藝參數(shù)，依次將每個部件焊接在吸盤盤面上；焊接完成后，保持工裝和焊接件不變，自然冷卻至常溫后，依次對焊縫進行探傷檢測并涂抹泡沫水進行氣密性檢測，對于不合格的焊縫重新焊接，保證質(zhì)量，直到合格為止。最關(guān)鍵工藝:整個焊接過程在鉚焊工裝上進行，密封槽焊接之后，對整個焊接件進行去應(yīng)力退火，去除殘余應(yīng)力，有效控制整個盤面變形。

7 結(jié)論

本文結(jié)合實際工程項目，重點闡述大直徑盾構(gòu)機管片真空吸盤組成結(jié)構(gòu)與工作原理，完成了機械系統(tǒng)分析計算、電控系統(tǒng)調(diào)試及與拼裝機系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)調(diào)。得出如下結(jié)論:(1)該大直徑盾構(gòu)機管片真空吸盤系統(tǒng)操作簡便、運行平穩(wěn)、安全可靠，可配合拼裝機基本實現(xiàn)管片拼裝的自動化；(2)真空吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制原理可以推廣至相關(guān)真空吸盤產(chǎn)品領(lǐng)域設(shè)計；(3)通過國內(nèi)核心零部件的自主設(shè)計研發(fā)及系統(tǒng)整體集成化設(shè)計，可大幅降低真空吸盤系統(tǒng)成本，實現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計及制造自主可控。