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【摘 要】 阐述了管片拼装机构对零部件要求，进而在环境下进行三维建模，根据模型及工程实际进行拼装机构的油缸极限位置动态干涉分析。介绍了管片拼装机构，绘制了空间机构简图，结合运动副分析整个机构的自由度，提出了为满足工程要求情况下对油缸自由度的限制。根据油缸在工作及非工作状态下的自由度要求，设计出在中位锁死，左右位安全运行的液压控制回路。
【关键词】 干涉分析自由度中位锁死
引言：
随着城市化进程的快速发展，盾构设备所面临的地质变化也越来越复杂，因此，对盾构设备的精度和可靠性要求也日趋严格。管片拼装机是隧道盾构施工过程中安装衬砌的设备。管片拼装精度是隧道施工精度的重要影响因素，管片的正确安装对整个工程的质量影响巨大。
本论文正是基于组合运动规律，对管片拼装机重要部件，机械手式管片抓取及微调拼装台的功能作用进行分析，建立模型进行模拟分析，优化设计提出在精度控制范围内的管片拼装控制模型。
1.管片拼装机结构
管片拼装机由固定框架、旋转框架、提升单元和抓取机构构成。固定框架为管片拼装机支撑架;旋转框架由液压马达提供动力，可以使管片拼装机在±220°的范围内回转;提升单元动力由液压油缸提供，油缸可以使管片拼装机沿隧道轴线方向移动，抓取待拼装的管片。管片拼装机的抓取机构由4个油缸控制，可使管片在拼装过程中实现绕X，Y，Z轴旋转，对管片的位姿进行微调。
2.管片拼装机结构及建模
管片拼装机构位于管片拼装机下部，主要功能是对管片姿态进行微调，使之满足衬砌环能精确安装。管片拼装机构要实现绕X，Y，Z轴旋转及沿管片半径方向上即沿Z轴方向上的伸缩。因此控制拼装机机构至少需要控制绕X，Y，Z油缸分别一个油缸，一个控制沿Z轴方向上的伸缩油缸和一个球头铰接。但是管片重量达到4.5吨，单靠球头铰接的力量很难实现在Z轴方向上的平衡，根据三点成面原理，在控制绕X，Y轴旋转设定3个油缸，一方面实现平衡承重功能，还起到绕X，Y轴微调的功能。根据以上分析，如图1所示。对拼装机机构的各个零部件逐一建模并装配。
图1 管片拼装结构模型
因为整个装配关系比较复杂，涉及零部件的尺寸及约束关系复杂，因此在装配后要对各个油缸极限位置进行干涉检查，以免在实际工作中出现由于某一油缸伸出过长造成类似管片与支撑臂及油缸与支撑臂之间的干涉。如图2所示，只列出右侧平衡油缸在极限位置时拼装管片模拟图。经过反复试验，模拟使各个零部件参数最优化，使各部分既能满足功能要求，又能实现节省材料，结构简洁。
图2 右侧平衡油缸在极限位置时模拟图
3.管片拼装机构分析
根据以上建模及干涉檢查的初步分析，管拼装机构已经完成，但是这只是一个在满足机械功能要求的基本结构架。为实现整个功能的要求，还需要对机构做机构分析。管片拼装机构共有左平衡油缸、右平衡油缸、尾部平衡油缸、旋转油缸和抓取油缸伸缩5组动作。首先管片要有微小提升动作，在提升到既定高度后，就要进行翻转微调。只对翻转过程做进一步分析，由于提升微调是整个拼装机构伸缩臂沿径向调节的继续，在这里不做赘述。而左平衡油缸、右平衡油缸、尾部平衡油缸、旋转油缸作用类似。经过对机构运动副及运动规律拆解分析，得到如图3所示的空间运动简图。
图3 管片拼装机构空间结构简图
根据空间机构自由度计算公式式1-1得到该机构的自由度为4。为自由状态。
（式1-1）
其中：F-机构自由度数目;
n-活动构建数目;
pi-i级活动副;
i-i级活动副数目。
在实际工程施工过程中，要求管片拼装可靠性及安全性能要非常高，特别是在管片抓取固定后，管片必须与拼装机构成为一体，即管片要完全被锁死，即自由度为0，就势必要锁定所有运动油缸。如图4所示，由式1-1得整个机构的自由度为0。从图中可以看出，整个机构的自由度主要是由油缸提供，而且两个油缸如果同时在自由状态，就会造成自由度数大于原动件数，系统不稳定，这是不允许的。在微调过程中，要运行x（1≤x≤4）个油缸，原动件数为x，自由度也为x。整个机构处于锁定状态。
图4 自由度为0的机构空间结构简图
4.拼装机构控制部分设计
由以上对管片拼装机构的机构分析可知，要满足机构自由度要求，所有油缸在正常状态下要处于锁定状态，而在微调后也要及时锁定其位置，因此在液压设计中对油缸要有位置锁定功能，由图3知控制油缸的功能和作用类似，可做并联设计。本论文只以左平衡油缸为例设计其液压系统，如图5所示，为左平衡油缸的液压系统图。
图5 左平衡油缸液压控制回路空间结构简图
虚线内阀组实现了单个油缸位置锁定功能，即换向阀在中位时，油缸进出油路关闭，油缸锁定位置。换向阀在左右位时油缸移动，整个机构自由度加1，结构稳定。这四组油缸的控制逻辑完全一致，都是在满足拼装台安全启动条件前提下，选择了遥控器有效或者控制面板有效，然后再扳动相应的开关来下达伸出或缩回命令，该命令控制对应的电磁换向阀来完成动作。
5.结论
本论文以土压平横盾构机管片拼装机的安装机构为研究对象，针对实际管片拼装过程要求和整个管片拼装机的设计架构要求对管片拼装机构进行零部件分析，进而在Solidworks环境下进行三维建模，根据模型及实际需要进行拼装机构的油缸极限位置动态干涉分析，确定整个结构完整性。
根据模型及实际工作状态，对管片拼装机构进行机构分析，拆分结构，绘制空间机构结构简图，进而结合运动副分析整个机构的自由度，提出了为满足工程要求情况下对油缸自由度的限制。
根据油缸在工作及非工作状态下的自由度要求，设计出在中位锁死，左右位动作的油缸回路，进而根据控制要求进行逻辑设计，为PLC程序编制提供依据。
参考文献：
[1]周振国，郭磊，郭卫社.盾构施工姿态控制和管片选型[J]西部探矿工程，2002，（05）.
[2]蒋洪胜，侯学渊.盾构法隧道管片接头转动刚度的理论研究[J]岩石力学与工程学报，2004，（09）.
[3]朱合华，崔茂玉，杨金松.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究[J]岩土工程学报，2000，（02）.
[4]叶康慨.盾构隧道管片位移分析[J]隧道建设，2003，（05）.
[5]李含春.盾构管片拼装试验机构控制系统研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008，（05）
【关键词】 干涉分析自由度中位锁死
引言：
随着城市化进程的快速发展，盾构设备所面临的地质变化也越来越复杂，因此，对盾构设备的精度和可靠性要求也日趋严格。管片拼装机是隧道盾构施工过程中安装衬砌的设备。管片拼装精度是隧道施工精度的重要影响因素，管片的正确安装对整个工程的质量影响巨大。
本论文正是基于组合运动规律，对管片拼装机重要部件，机械手式管片抓取及微调拼装台的功能作用进行分析，建立模型进行模拟分析，优化设计提出在精度控制范围内的管片拼装控制模型。
1.管片拼装机结构
管片拼装机由固定框架、旋转框架、提升单元和抓取机构构成。固定框架为管片拼装机支撑架;旋转框架由液压马达提供动力，可以使管片拼装机在±220°的范围内回转;提升单元动力由液压油缸提供，油缸可以使管片拼装机沿隧道轴线方向移动，抓取待拼装的管片。管片拼装机的抓取机构由4个油缸控制，可使管片在拼装过程中实现绕X，Y，Z轴旋转，对管片的位姿进行微调。
2.管片拼装机结构及建模
管片拼装机构位于管片拼装机下部，主要功能是对管片姿态进行微调，使之满足衬砌环能精确安装。管片拼装机构要实现绕X，Y，Z轴旋转及沿管片半径方向上即沿Z轴方向上的伸缩。因此控制拼装机机构至少需要控制绕X，Y，Z油缸分别一个油缸，一个控制沿Z轴方向上的伸缩油缸和一个球头铰接。但是管片重量达到4.5吨，单靠球头铰接的力量很难实现在Z轴方向上的平衡，根据三点成面原理，在控制绕X，Y轴旋转设定3个油缸，一方面实现平衡承重功能，还起到绕X，Y轴微调的功能。根据以上分析，如图1所示。对拼装机机构的各个零部件逐一建模并装配。
图1 管片拼装结构模型
因为整个装配关系比较复杂，涉及零部件的尺寸及约束关系复杂，因此在装配后要对各个油缸极限位置进行干涉检查，以免在实际工作中出现由于某一油缸伸出过长造成类似管片与支撑臂及油缸与支撑臂之间的干涉。如图2所示，只列出右侧平衡油缸在极限位置时拼装管片模拟图。经过反复试验，模拟使各个零部件参数最优化，使各部分既能满足功能要求，又能实现节省材料，结构简洁。
图2 右侧平衡油缸在极限位置时模拟图
3.管片拼装机构分析
根据以上建模及干涉檢查的初步分析，管拼装机构已经完成，但是这只是一个在满足机械功能要求的基本结构架。为实现整个功能的要求，还需要对机构做机构分析。管片拼装机构共有左平衡油缸、右平衡油缸、尾部平衡油缸、旋转油缸和抓取油缸伸缩5组动作。首先管片要有微小提升动作，在提升到既定高度后，就要进行翻转微调。只对翻转过程做进一步分析，由于提升微调是整个拼装机构伸缩臂沿径向调节的继续，在这里不做赘述。而左平衡油缸、右平衡油缸、尾部平衡油缸、旋转油缸作用类似。经过对机构运动副及运动规律拆解分析，得到如图3所示的空间运动简图。
图3 管片拼装机构空间结构简图
根据空间机构自由度计算公式式1-1得到该机构的自由度为4。为自由状态。
（式1-1）
其中：F-机构自由度数目;
n-活动构建数目;
pi-i级活动副;
i-i级活动副数目。
在实际工程施工过程中，要求管片拼装可靠性及安全性能要非常高，特别是在管片抓取固定后，管片必须与拼装机构成为一体，即管片要完全被锁死，即自由度为0，就势必要锁定所有运动油缸。如图4所示，由式1-1得整个机构的自由度为0。从图中可以看出，整个机构的自由度主要是由油缸提供，而且两个油缸如果同时在自由状态，就会造成自由度数大于原动件数，系统不稳定，这是不允许的。在微调过程中，要运行x（1≤x≤4）个油缸，原动件数为x，自由度也为x。整个机构处于锁定状态。
图4 自由度为0的机构空间结构简图
4.拼装机构控制部分设计
由以上对管片拼装机构的机构分析可知，要满足机构自由度要求，所有油缸在正常状态下要处于锁定状态，而在微调后也要及时锁定其位置，因此在液压设计中对油缸要有位置锁定功能，由图3知控制油缸的功能和作用类似，可做并联设计。本论文只以左平衡油缸为例设计其液压系统，如图5所示，为左平衡油缸的液压系统图。
图5 左平衡油缸液压控制回路空间结构简图
虚线内阀组实现了单个油缸位置锁定功能，即换向阀在中位时，油缸进出油路关闭，油缸锁定位置。换向阀在左右位时油缸移动，整个机构自由度加1，结构稳定。这四组油缸的控制逻辑完全一致，都是在满足拼装台安全启动条件前提下，选择了遥控器有效或者控制面板有效，然后再扳动相应的开关来下达伸出或缩回命令，该命令控制对应的电磁换向阀来完成动作。
5.结论
本论文以土压平横盾构机管片拼装机的安装机构为研究对象，针对实际管片拼装过程要求和整个管片拼装机的设计架构要求对管片拼装机构进行零部件分析，进而在Solidworks环境下进行三维建模，根据模型及实际需要进行拼装机构的油缸极限位置动态干涉分析，确定整个结构完整性。
根据模型及实际工作状态，对管片拼装机构进行机构分析，拆分结构，绘制空间机构结构简图，进而结合运动副分析整个机构的自由度，提出了为满足工程要求情况下对油缸自由度的限制。
根据油缸在工作及非工作状态下的自由度要求，设计出在中位锁死，左右位动作的油缸回路，进而根据控制要求进行逻辑设计，为PLC程序编制提供依据。
参考文献：
[1]周振国，郭磊，郭卫社.盾构施工姿态控制和管片选型[J]西部探矿工程，2002，（05）.
[2]蒋洪胜，侯学渊.盾构法隧道管片接头转动刚度的理论研究[J]岩石力学与工程学报，2004，（09）.
[3]朱合华，崔茂玉，杨金松.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究[J]岩土工程学报，2000，（02）.
[4]叶康慨.盾构隧道管片位移分析[J]隧道建设，2003，（05）.
[5]李含春.盾构管片拼装试验机构控制系统研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008，（05）