盾构管片拼装机的精度实验

盾构管片拼装机的精度实验

郑思远

中铁上海工程局集团有限公司城市建设分公司   上海市   2000000

摘 要：盾构施工中，管片拼装对盾构施工掘进及隧道成型质量起着决定性因素，在上海地铁18号线二期工程中，采用新型预埋承插式盾构管片，摒弃了传统穿螺栓式管片连接方式，采用配合承插件进行连接，管片对拼装精度要求更高。为了验证现有管片拼装机在拼装管片时可实现的拼装精度，对盾构管片拼装机各项性能进行测试实验，对各项性能参数进行实验分析，并与出厂时性能进行比较，

旨在明确盾构管片拼装机拼装精度，并对设备使用后的性能变化原因进行探究。

关键词：掘进机；管片拼装机；预埋承插式管片；拼装精度

Precision experiment of shield segment assembling machine

Abstract: In shield construction, segment assembly plays a decisive role in shield construction tunneling and tunnel forming quality. In the second phase project of Shanghai metro line 18, a new embedded socket shield segment is adopted, which abandons the traditional bolt through segment connection and adopts the matching socket for connection. The segment has higher requirements for assembly accuracy. The purpose of this experiment is to find out the reasons for the changes of the performance of the shield machine and to compare the performance of the existing segment assembly machine when the shield machine is used, and to analyze the performance of the segment assembly machine.

0引言

盾构法隧道施工因对周边环境影响小，安全性强，效率高，已成为城市轨道地铁施工的首要之选。在上海市新一轮地铁规划中，摒弃了原有双头弯螺栓连接的方式，采用了新型的预埋承插式管片，该管片采用预埋承插件进行管片块间及环间连接，无需人工进行管片间螺栓连接。因该管片制作精度更高，管片成型后隧道成型质量更好，拼装成型后管片间配合间隙为3mm，且拼装时对管片榫插件间的对位调整精度极高，固对盾构管片拼装机拼装精度提出了更高要求。

盾构机是一种集机、电、液、光、计算机技术于一体的大型工程机械产品，盾构拼装机是盾构机的重要组成部分，具有六个自由度，可对管片进行空间三维坐标方向上的位移和旋转运动 ，实现单块管片拼装成环功能。在对常规螺栓管片进行拼装时，因管片配合间隙设计较大，为20mm左右，拼装机拼装精度要求不高，但是预埋承插式管片拼装完成后配合间隙为3mm，管片成型后精度极高，为了验证现有盾构拼装机拼装精度是否能满足要求，固通过实验对拼装机性能参数进行测试检验。

1拼装机机构组成分析

管片拼装机位于盾尾中心处，整体安装在两根双梁上，而双梁则通过螺栓连接在中盾H型梁上。如图1所示，管片拼装机具有平移，升降，旋转，前后倾，左右倾，抓举头松紧六个自由度。其中平移、伸缩、前后倾、左右倾、抓举头松紧均通过液压油缸伸缩实现功能，而旋转则通过液压马达旋转实现功能。

1.行走梁 2.液压马达 3.平移盘体 4.旋转盘体 5.提升横梁 6.伸缩油缸 7.平移油缸 8.前后倾角油缸 9.左右倾角油缸 10.管片

图1 管片拼装机结构示意图

2 管片拼装机工作原理及工作过程

管片拼装机在拼装管片时，先通过粗调将管片移动至大概位置，再通过微调将管片移动至精准位置，最后完成管片安装。

管片拼装机工作过程如下：首先由管片小车，双梁，喂片机将相应管片运输至拼装机下方，拼装机通过旋转，升降，平移三个粗定位运动，将拼装机抓举头滑入管片吊装头中，随后抓举头爪子抓紧，抓起当前管片。管片定位分为粗定位和微调定位两个阶段。粗定位是通过管片拼装机的旋转，平移，伸缩动作，将管片移动至大概位置。微调定位则是通过管片拼装机的旋转，伸缩油缸的同步或不同步伸缩，前后倾角油缸伸缩和左右倾角伸缩，将当前拼装块管片与已拼装完成管片间定位螺栓孔或连接件对合，当完成所有定位孔或连接件对合后，伸缩盾构机的推进油缸将管片顶紧，随后安装螺栓或通过自锁连接件将当前块管片拼装到位，即完成一块管片的拼装。通过反复进行这一系列的作业，即可完成1环管片的拼装。

要精确的完成管片的拼装，需要拼装机的能够带动管片完成6个方向的运动，如图2所示，轴向直线运动（沿隧道轴向Z方向），径向直线运动（沿隧道断面Y方向），圆周方向回转运动（X方向）以及实现管片姿态调整的前后倾（方向），左右倾（方向），上下倾（方向）。而对管片进行这个六个方向上的调整，则分别通过平移油缸（Z方向），红蓝油缸同步伸缩（Y方向），旋转（X方向），前后倾角油缸（方向），左右倾角油缸（方向），红蓝油缸不同步伸缩（方向）。因管片在拼装时，轴向直线运动往往在管片已调整到尾后，通过管片后方推进油缸直接顶紧到位，对拼装时对管片的姿态调整无影响，固盾构管片拼装机的拼装精度取决于上述除平移油缸外其他执行机构的性能。

图2 管片拼装需调自由度示意图

3 拼装机各动作性能的精度实验

对影响管片拼装机拼装精度的执行机构进行试验测试，通过现场实验的方式，对执行机构最大运动速度及单次动作最小位移量进行测试，以验证管片拼装机的主要性能及可实现管片精度定位的程度。

3.1 实验原理

1）油缸最大伸缩速度测试

首先，将油缸全部缩回，测量初始油缸长度，随后将油缸以最大速度完全伸出，测量油缸完全伸出后长度，通过油缸完全伸出长度减去完全缩回长度，得到油缸行程长度。在油缸伸缩过程中，通过秒表计时，得到时间t,通过即可算出油缸伸缩最大速度v。

2）油缸单次动作最小位移量测试

将油缸伸出部分，测量初始长度，随后点动操作油缸伸出或缩回，再次测量油缸长度，测量结束长度，通过对比初始长度及结束长度行程差，即可得出单次点动伸缩油缸最小位移量。

3）倾角油缸单次动作最小位移量测试

因拼装机倾角油缸点动位移量过小，难以使用人工测量，固先将倾角油缸完全缩回，然后点动伸出，重复点动伸出直至油缸完全伸出，记录重复次数，通过油缸伸缩总行程除以重复次数，即可得出单次点动伸出倾角油缸位移量。倾角油缸点动缩回位移量测试原理与之一致。

4）拼装机最大旋转速度测试

如图3，首先在拼装机上选取一基准点，作为初始观测点。利用水平尺及靠尺，过基准点垂直盾尾内壁（半径R=3300）做一初始标记，操作拼装机以最大速度旋转固定时间，然后在基准点结束位置垂直盾尾做一结束标记，测量初始及结束位置之间的弦长L，根据：得到转动角度，再由

图3 弦长转弧长示意图

求出角速度，再由，即可求出在拼装机在拼装时，管片旋转的线速度。

5）拼装机单次动作最小位移量测试

图4 旋转点动量测量示意图

如图4，首先在拼装机上选取一基准点，作为观测点。利用水平尺及靠尺，过基准点垂直盾尾内壁做一初始标记，在不同模式下点动旋转拼装机，然后在基准点结束位置垂直盾尾做一结束标记，因移动距离过小，弦长与弧长值接近，则测量初始及结束位置之间的弧长，即为不同模式下拼装机旋转最小点动位移量，再通过相识三角形原理，根据，即可算出管片拼装半径下的旋转最小点动量。

3.2 实验数据及分析

实验数据如表1，将数据分空载最大速度（单位mm/s），负载最大速度(mm/s)，空载点动最小位移量(mm)，负载点动最小位移量(mm)进行排布。

1）空载下油缸最大速度性能测试

由表1数据可得出，红缸与蓝缸伸出速度基本相同，但是蓝缸缩回速度比红缸缩回速度慢了13.8%，针对不同油缸，受到元器件差异，可能会导致油缸伸缩速度不一致的情况。红蓝缸同时伸出时速度降低明显，查询拼装机红蓝油缸伸缩液压图纸，发现拼装机红蓝油缸均由一根主油管供油，初步判断为受到总供油量限制，此液路总供油量无法满足红蓝油缸同时以最大速度伸出所需供油流量，固红蓝油缸同时伸出时速度降低。

平移油缸伸缩速度为拼装机执行油缸中最快，但是在伸缩过程中，每次动作启停时均会导致拼装机整体的明显晃动，而红蓝油缸伸缩时晃动现象不明显。分析为平移油缸缸径为130mm，而红蓝油缸缸径为300mm，且红蓝油缸伸缩仅受到管片及油缸本身约4吨重量的惯性冲击影响，而平移油缸伸缩时受到管片和拼装机整体机构约14吨重量的惯性冲击影响，固导致了拼装机在以最大速度平移停下时晃动明显。

前后倾角油缸和左右倾角油缸伸缩速度较低，用于管片姿态最后调整时的微调所用，其单根油缸的伸出和缩回速度，均有单独的节流阀通过流量调节来控制，其数据之间没有什么必然联系，仅体现了我们对节流阀开口大小的调整量，后续也可以根据需求，重新调整节流阀开口大小，在液压元器件可实现范围内对倾角油缸伸缩速度进行调节。

2）空载下油缸单次动作最小位移量测试

由表1数据可得出，对于可无级调速且运行平稳的的红蓝油缸，点动操作位移量约为每秒最大运动位移量的1.25%-1.91%。而对于同样可无极调速但是受冲击而晃动明显的平移油缸，单次点动位移量为每秒最大运动位移量的3.4%和3.67%，单次动作最小位移量翻了一倍。

对于恒定速度的倾角油缸，单次点动位移量分别为每秒位移量的17.6%，16.7%，20.0%，18.1%，可以看出在低速平稳且恒速的油缸伸缩中，点动位移量约为每秒运动位移量的16.7-20%之间。

3）空载下拼装机最大旋转速度实验

拼装机向右旋转最大平均角速度为6.86°/s，转换为在R=3300mm盾尾内壁半径上平均线速度为374mm/s。拼装机向左旋转最大平均角速度为6.71°/s，转换为在R=3300mm盾尾内壁半径上平均线速度为366mm/s。此实验数据结果与设备性能参数表中的拼装机最大旋转速度为1.5转/分（在R=3300mm旋转半径上线速度为518mm/s）数据不符，固再次前往现场对拼装机整体速度进行了实验，拼装机旋转90°/180°/380°所用时间分别为12.42秒，24.56秒，52.35秒，与实验数据吻合，与性能参数表内容不符。通过查询设备出厂验收记录，与性能参数表数据一致，可确认管片拼装机在使用过程中，最大旋转速度性能降低了28%。

4）空载下旋转单次点动最小位移量实验

拼装机向左单次点动最小位移量平均值为5.4mm，向右单次点动最小位移量平均值为7.0mm。向左单次点动位移量明显小于向右单次点动位移量，且拼装机向左旋转最大速度比向右旋转最大速度略小，可能是元器件差异性导致。此单次点动最小位移量为操作人员经过反复训练后可实现的最小点动量，实际值可能会受到操作人员变化的影响。在实验中，第一次点动位移量在20mm左右，在通过反复多次的训练后，单次点动位移量逐步减小且稳定在当前实验数据范围值内，此时开始记录数据。

5）负载下油缸最大速度性能测试

如图5，为拼装机各执行动作在空载与负载下性能差异对比，从图中可看出，拼装机最大运动性能受负载影响较小，在空载及负载下拼装机各执行部分最大运动速度性能基本保持一致。

图5 空载与负载下最大执行速度对比

如图6，为拼装机在负载下各自行元器件单次动作最小位移量对比，可看出拼装机各执行部件在负载下与空载下基本保持一致，但是拼装机在负载下旋转运动单次点动位移量与空载下差异明显，是原来的两倍左右。初步判定为拼装机在抓举三吨重管片进行动作时，整体旋转惯性矩增加，当拼装机抓举管片旋转运动需停下时，在制动力不变的情况下整体惯性增加导致制动时间延长。且拼装机旋转运动在负载下停止时，整机机构晃动明显，稳定性下降。

图6 空载与负载下最小点动量对比

4 结论

通过对管片拼装机空载及负载情况下的性能进行分析，确定了拼装机性能对管片拼装精度的影响因素。一是管片在六个自由度方向上运动时的速度大小。对于速度越大的运动方向，在对管片进行微调时，对管片的可微调位移量越大，即越难以使管片到达既定所需位置。二是管片在六个自由度方向运动时机构的整体稳定性。对于运行平稳的运动，例如红蓝油缸的伸缩，其微调点动位移量基本不受负载影响，但是对于转动惯性矩极大的旋转运动，在负载下拼装机旋转运动时的启停冲击非常大，拼装机难以对管片微调量进行精准控制。由此可得出，在提升拼装机拼装精度手段方面，其一是降低运动时的执行速度，其二是增强机构运行时的稳定性能。