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硕士论文盾构机管片拼装机的结构设汁与控制系统研究 摘要 盾构机是一种用在隧道建设的大型工程机械，其中管片拼装机是盾构机的重要组 成部分，它通过将隧道外预制的管片按照系统排版的次序安全、快速、精确地安装到 位，可以有效的防止隧道的沉降、渗水等问题。本文通过对国内外大量管片拼装机的 调查研究，以德国海瑞克的管片拼装机为研究对象，对管片拼装机的机械、液压以及 电控等方面进行了研究。 介绍了土压平衡盾构机的工作原理以及盾构机管片拼装机的国内外发展现状：分 析了管片拼装机的工作原理，利用s o l i d w o r k s 以及p r o e 对管片拼装机进行三维建模， 优化了拼装机的行走梁，设计出了新型的双臂交错拼装的管片拼装机；分析了管片拼 装机液压系统的原理，通过仿真软件a m e s i m 进行分析，掌握了流量、环境等因素对 液压系统性能的影响；研究了管片拼装机的电控系统，用p l c 编写了管片拼装机手动 拼装的部分程序，利用视觉技术、m a t l a b 以及v b 等技术，实现了管片拼装机的三个 自由度的全自动控制。 通过对盾构机管片拼装机的相关技术的研究和应用，验证了研究结果的正确性， 推动了管片拼装机局部的国产化的步伐，提高了管片拼装机的工作效率和稳定性。 关键词：盾构机， 管片拼装机，液压控制系统，a m e s i m 仿真， 机器视觉 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h es h i e l dm a c h i n ei sak i n do f l a r g ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o n o ft h et u n n e lo fw h i c ht h es e g m e n te r e c t o ri sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u e n tp a r ta n di tc a n e f f i c i e n t l yp r e v e n tt h es e t t l e m e n ta n dw a t e rs e e p a g eo ft h et u n n e lb yp u t t i n gt h e p r e f a b r i c a t e ds e g m e mo u t s i d et h et u n n e lt ot h ei n s t a l l a t i o np l a c es a f e l y , q u i c k l ya n d p r e c i s e l yi na c c o r d a n c ew i t ht h eo r d e ro ft h el a y o u ts y s t e m b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fa l a r g en u m b e ro fs e g m e n te r e c t o r sb o t hd o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y , t h i sp a p e rh a st a k e n g e r m a nh e r r e n k n e c h ts e g m e n te r e c t o ra si t s s u b j e c tt om a k eas e r i e so fs t u d i e so ni t s m e c h a n i c a l ，h y d r a u l i ca n de l e c t r i cc o n t r o la s p e c t s t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee a r t h p r e s s u r e b a l a n c es h i e l dm a c h i n ea n dt h e d e v e l o p m e n to ft h es e g m e n te r e c t o ra th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y ；n e x t ，i t a n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee r e c t o ra n de s t a b l i s h e st h e3 dm o d e lo ft h ee r e c t o rb y t h ea p p l i c a t i o no fs o l i d w o r k sa n dp r o ea n dc o n s e q u e n t l y ，t h ee r e c t o rw a l k i n gb e a mi s o p t i m i z e da n da ni n n o v a t i v ed e s i g no f an e w t y p eo f a r m sc r o s s e da s s e m b l ys e g m e n te r e c t o r i sm a d e ；a n di nt h ef o l l o w i n gp a r t ，i ta l s oa n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h ee r e c t o rh y d r a u l i c s y s t e ma n dm a s t e r st h ea f f e c t so ft h ef l o w , e n v i r o n m e n ta n d0 t h e rf a c t o r so nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs y s t e m ；a n df i n a l l y , t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ee r e c t o ri s i n v e s t i g a t e d ，s o m ep a r t so ft h em a n u a l l ya s s e m b l e dp r o c e d u r eo ft h es e g m e n te r e c t o ri s w r i t t e nw i t hp l ca n dt h et h r e ed o fa u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ee r e c t o ri sr e a l i z e dt h r o u g ht h e c o m b i n a t i o no fm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y ，m a f l a ba n dv b t e c h n o l o g y i tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so ft h es t u d yp r o m o t e st h el o c a l i z a t i o np a c eo f t h es e g m e n te r e c t o ra n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h es e g m e n te r e c t o rt h r o u g h t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ns h i e l dm a c h i n es e g m e n te r e c t o rt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，e r e c t o r , h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，a m e s i ms i m u l a t i o n ， m a c h i n ev i s i o n 硕士论文 盾构机管片拼装机的结构设计与控制系统研究 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 1 绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 管片拼装机简介2 1 2 1 管片拼装机机械结构一2 1 2 2 液压技术的运用一3 1 2 3 电控技术的运用一4 1 3 管片拼装机的国内外发展现状4 1 3 1 管片拼装机的国外现状一4 1 3 2 管片拼装机的国内现状一7 1 4 课题研究目的及意义9 1 5 研究主要内容及计划10 2 管片拼装机结构设计及建模。1 1 2 1 概述1 1 2 2 管片拼装的工艺流程11 2 3 管片拼装机的设计要求1 3 2 3 1 管片拼装机的系统组成13 2 3 2 管片拼装机设计要求1 3 2 4 管片拼装机机械机构三维建模设计1 4 2 4 1s o l i d w o r k s 软件介绍1 4 2 4 2 管片拼装机总装模型1 5 2 4 3 轴向平移机构模型1 6 2 4 4 周向回转机构模型l8 2 4 5 径向升降机构模型1 9 2 4 6 微调锁紧机构模型1 9 2 5 管片拼装机机构优化设计2 0 2 5 1 拼装机新型机构设计2 1 2 5 2 新型拼装机工作原理2 1 2 5 - 3 两款拼装机安装时间对比2 2 2 6 本章小结2 5 目录硕士论文 3 管片拼装机液压系统设计及仿真2 7 3 1 概述2 7 3 2 管片拼装机受力分析2 7 3 2 。l 提升力的计算2 7 3 2 2 推力的计算2 7 3 2 3 回转支承倾覆力矩的计算2 8 3 2 4 最大扭矩的计算2 8 3 3 液压系统各元件计算与选型2 9 3 3 1 液压马达计算与选型2 9 3 3 2 恒功率恒压变量泵计算与选型3 0 3 3 3 液压缸计算与选型31 3 3 4 推进液压缸的校核计算3 4 3 4 管片拼装机液压系统设计3 5 3 4 1 液压系统的设计要求3 5 3 4 2 液压系统的工作原理3 6 3 4 3 液压系统的功能设计3 6 3 5 周向回转液压系统仿真4 1 3 5 1a m e s i m 软件介绍4 1 3 5 2 周向回转液压系统a m e s i m 仿真模型的建立一4 1 3 5 3 负载及流量对系统的影响4 3 3 5 4 超越负载对系统的影响4 5 3 5 5 环境变化对系统的影响4 6 3 6 实测数据分析与验证4 7 3 6 本章小结4 8 4 管片拼装机控制系统4 9 4 1 概j 莶4 9 4 2 管片拼装过程4 9 4 3 拼装机电控系统设计要求及方案5 0 4 3 1 控制系统设计要求5 0 4 3 2 控制系统设计方案51 4 4 管片拼装机硬件系统设计51 4 4 1p l c 选型51 4 4 2i o 口地址分配一5 2 4 4 3 管片拼装动作流程5 4 硕士论文 盾构机管片拼装机的结构设汁与控制系统研究 4 4 4 手动拼装过程5 5 4 5 全自动拼装系统5 8 4 5 1 全自动管片拼装系统组成5 8 4 5 2 图像采集系统6 0 4 5 3 机械手臂坐标系的建立6 5 4 5 4 控制界面设计6 6 4 6 本章小结6 7 5 结论与展望。6 8 5 1 全文总结6 8 5 2 工作展望6 8 翌i 谢。7 0 参考文献7 1 附录。7 4 3 l e 立d f q 机管* * h 【镕栅h k m 彖】j j l 究 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 2 l 世纪我国经济高速发展，城市人口数量随着城市化建设的加快也在飞速增长， 而伴随着人f 1 数量增加的同时，城市交通负担也在每年递增1 1 l 。许多城市，如北京、 t 海等，它的个别主要干道在上下班时间的客流量已经超过了公交车运载能力。另外， 随着私家车的增多，道路变得更加拥挤，虽然政府采取了一些措施，如限号行驶等， n 1 根本问题没有彻底解决。所以，北京、上海、南京等大城市在8 0 年代就”始) f 展地 铁隧道的建设口l 。国务院明确指出，我国需要大力刀：展轨道交通建设n 建立天上地 下，综合立体化的交通网络。 英国在1 9 世纪初就开始研发盾构机产品，德国、同本等国家紧随其步伐【4 刮。盾 构机可以用于地铁、轻轨、铁路、公路以及城市市政等备种隧道工程 l 。盾构施工技 术是在地下、矿山以及湖底等暗挖隧道的一种施工方法，它能够有效防止开挖隧道的 坍塌，为管片拼装机建环提供个安全的环境”j 。随着社会越束越多的提倡绿色环保、 竹能高效、高品质以及高效率，现代的盾构机已经演变成为一种高度自动化、智能化， 集机械、电控、液压、光电、传感器以及计算机技术为一体的大型工程机械装牾p 】。 盾构机根据适用土质以及工作方式的不同- 口以分为丌胸式盾构、压缩空气式盾 构、泥水式历构、h 压平衡式盾构( e p b ) 、组合式肝构、插板式盾构、多断i 町式盾 蜘以及微型盾f = | 等等“j 。 1 绪论 硕士论文 地铁交通一般位于城市下方1 5 米至3 0 米的土层当中，我国的地铁建设一般采用 土压平衡盾构机，如图1 1 所示。虽然土压平衡盾构机价格昂贵，但是它可以将地铁 隧道的挖掘效率提高8 到1 0 倍，而且更重要的是，在开挖隧道过程中，地面沉降少、 地面房屋拆迁少、阻断交通少、旌工噪音小以及对市民的正常生活影响小【l 孓1 7 j 。 根据地铁的设计以及施工的工艺，大多采用6 米级的土压平衡盾构机，土压平衡 盾构机比较适用于粘土、活粉土含量高，透水性低的粘性土、砂土及粉砂性土层i l 引。 德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机在南京地铁3 号线以及1 0 号线应用广泛，它可靠 性较高、排土处理简单，在中国的盾构机市场占有主导地位【1 9 2 0 1 。土压平衡式盾构机 由刀盘、前盾、中盾、尾盾、人仓、螺旋输送机、管片拼装机、皮带机以及拖车等部 分组成 2 1 , 2 2 】。 土压平衡盾构机的具体工作原理如下：刀盘通过旋转来切削开挖面的泥土、沙砾 以及岩石等，渣土通过刀盘开口进入土仓底部，然后通过螺旋输送机运输到皮带机上， 继而皮带机将渣土送到停在轨道上的渣土车_ l 2 3 , 2 4 1 。盾构机在十六组推进油缸的作用 下向前推进，拼装机在盾构机前进一环的距离后用管片衬砌支护刚开挖的隧道。在盾 体的保护下进行掘进、出渣、建环等各项作业【2 5 ，2 6 1 。 本论文结合南京地铁三号线及十号线的盾构机项目，以德国海瑞克的机型为研究 对象，对从国外进口的拼装机的机械结构进行了测绘、建模、出图以及自主加工生产， 同时对其液压系统进行了设计，分析了管片拼装机在工作时，周向回转系统的各种液 压回路特性并通过液压仿真软件a m e s i m 对周向回路进行液压仿真，分析了外界因素 对其产生的影响，促进了整个液压系统元件的系列化以及国产化。通过对其电控系统 的研究，编写了拼装机系统的部分p l c 程序，用小型p l c 进行了验证，结合视觉成 像技术，有利于拼装机系统的全自动化进程。 1 2 管片拼装机简介 1 2 1 管片拼装机机械结构 管片拼装机系统是盾构机的关键系统之一，它将管片安装到开挖好的隧道面，保 护隧道施工安全。在隧道挖掘过程中，随着盾构机的不断掘进、切削和出渣，需要用 洞外预制好的混凝土管片安全、快速、精确地安装到位，管片拼装的质量以及速度对 整个施工进程、地下水的渗透和地表沉降产生巨大影响【2 ”。 管片拼装机的结构如图1 2 与图1 3 所示，它由轴向平移机构、周向回转机构、径 向升降机构、微调机构以及锁紧机构等各部分组成 2 8 , 2 9 】。 i 女日# j 目l * j ，* 啵机的结构世汁托制系缅m ，一 平移机构2 升降机构3 回转机构4 微调机构5 锁巢机构 图i2 管片拼装机删视凹 1 平移机构2 升降机构3 1 i i 转h 【构4 锁紧机构5 扣头螺栓 图13 管片拼装帆主视幽 1 2 2 液压技术的运用 盾构机管片拼装机系统是一个功率大、摔：i 精度要求商、变负载的人型机电液 体化的工程机械系统，澉j e 系统将会成为束术盾构机管片拼装机的重要指标之一m 1 绪论 硕士论文 拼装机的动力源采用4 5 k w 的电机带动一个斜盘式轴向柱塞变量泵，它具有额定 压力高、转速快、功率大的优点，并且它的容积效率也很高，使用寿命长。采用电液 比例阀作为拼装机的控制元件，通过电信号的强弱来控制阀门的开口度，从而调节拼 装机液压系统的压力、流量以及工作阀的方向，并且它可以实现远程控制，工作精度 较高f 3 1 矧。 整个拼装机的液压控制系统以叠加阀为主，它通过标准化的设计、结构紧凑、体 积小、重量轻、通用性好、集成度高以及加工设计周期短。通过减少了管件和阀的辅 助元件，可以减少材料，降低成本。 1 2 3 电控技术的运用 随着工业自动化的崛起，微处理器不断发展壮大，p l c 也迅速发展。由于p l c 的 抗干扰强、通用性高、编程方便、功能强大以及体积小等优点，它被广泛应用于各个 方面，如开关量、模拟量的控制、运动过程的控制以及数据的处理分析等【3 4 1 。 在未来盾构机管片拼装机发展的过程中，p l c 技术有着不可替代的作用。它通过 人机界面、通信组态功能以及现场总线技术等相结合，有利于盾构机管片拼装机朝着 智能化、高效化以及全自动化的方向发展。 机器视觉系统是通过机器代替人眼对目标对象进行识别、判断以及测量。将p l c 技术与机器视觉成像系统相结合，有利于进一步提高管片拼装机系统的智能化、全自 动化水平，并且可以有效的改善工作人员的工作环境与工作强度，降低施工成本 3 引。 1 3 管片拼装机的国内外发展现状 1 3 1 管片拼装机的国外现状 管片拼装机系统是各类盾构机的重要组成部分，它负责将管片按照系统版本顺序 依次拼装成环，管片拼装机的速度直接影响着整个隧道建设的速度。根据隧道类型的 不同，管片的大小以及形式都有所差别，目前世界上最小的管片外径约为2 9 5 0 m m ， 而最大的管片外径可以达到1 8 8 7 0 m m 3 6 ，3 7 1 。 按照开挖隧道的大小可以将隧道分为小型、中型以及大型隧道。小型隧道一般采 用日本的盾构机产品，因为它造价便宜、成本低，但是稳定性以及重复利用率有所欠 缺；中型隧道一般采用德国的盾构机产品，其中尤其以海瑞克为代表，它的盾构机产 品比较稳定可靠，但是造价相对于日本的盾构机产品来说相对昂贵一点；大型的隧道 建设采用比较多的为美国的盾构机产品，真空吸盘式的抓取方式更加便捷，稳定，操 作人员的舒适性也更高例。 ( 1 ) 日本是最早使用自动化管片拼装机的国家，它根据隧道建设的难易程度、总 体成本等因素决定采用什么样类型的拼装机，大多数拼装机都已经实现自动化，但是 4 l 论卫 月f 4 帆j ，拼装目【的站均计。i 托制系统m 宄 有些具体工作步骤，如螺栓连接、整圆等还是通过人t 来完成。如图l4 所示为六自 山度串联构型管片拼装机器人。 豳14e l 本早期的管片拼装机 阿本早期开发的环形结构管片拼装机，通过千斤顶带动管片拼装机沿导向装置来 进行轴向以及径向运动。通过有无线以及育线柬控制拼装机的各个动作m i 。目前，同 本最新研制的全自动拼装机，充分利用了取目视觉成像技术、图像处理技术、激光技 术以及在线监测技术等先进技术。 ( 2 ) 德国海瑞克的e p b 盾构机如图15 所示，管片拼装机安装在中盾的h 粱上 面，运行于尾盾，用柬拼装单层管片衬砌隧道。通过p l c 控制各种比例电磁阀、行程 开关及传感器等，动力充足、操作简单、运动f 稳。微调机构的设计保证管片能精确 的安装到位，这能有效的保证建；= | = 的圆整性，井且能够有效的防止由于后构机推进油 缸的顶推使得管片的端部产，k 裂纹 4 0 4 1 】。单环管片的拼装时间控制在1 h z 内。液压 泵站主要椰置在后配套上面。 酬i5 德国海瑞克e p b 盾髑机 绪* l 论女 海瑞克的e p b 管片拼装机如图16 所示由：行走粱、平移机构、回转机构、升降 机构、微调机构等组成。 i 升降机构2r 6 转机构3 行走梁4 微调机构 幽i6 德国海瑞克管片拼装机 行走梁用于管片拼装机的轴向移动，它通过法兰和中盾的h 粱连接。液压管道、 电气线路都沿着螺旋机通过管片拼装机中心部位。行走粱尾部与一号拖车的桥架通过 油缸铰接。 行走梁上安装有平移机构通过两个液压油缸的伸缩作轴向移动。带有内齿的滚 动轴承通过法兰连接在平移机构上，井带动【可转机构，回转机构驱动的马达安装于平 移机构上面。回转运动通过驱动液压马达上面的齿轮驱动，段液压马达具有刹车装置， 齿轮则全部封装在里面。 回转机构安装在回转支承内阁l ，它的侧向安装有伸缩臂。通过升降油缸差动配 合刚转运动可以使管片产，- 摆动。管片的微调锁紧机构安装在两个升降油缸之问【“i 。 剀17 美国罗宾斯盾柑机 ( 3 ) 美田罗宾斯掘进机如罔17 所示。它的防水性能比较好在各个盾体的铰接 位置部安装有高压密封条，u t 以有效防止渗水。并自在后尾也设有密封条，可以防止 坝l 论土 日m n * j lm * 机的结构啦lr ，拄制系统 ，。 泥水十扰管片拼装机的工作。罗宾斯的管片拼装机一般采用真空吸盘式拼装头，如图 18 所示，它操作速度快，通过将能量存储在蓄能器里面，可以瞬叫吸取管片：在断电 暗况下，储藏的能量可以保持管片若干小时。它不需要工作人员在管片上人工固定扣 头螺栓，节约了人工，它的抓取释放更加简便。 目l8 豇c 啦傩式拼犍头 1 3 2 管片拼装机的国内现状 我国从1 9 6 3 年dj r 始自主研发设训盾构机设蔷。国内隧道建设所使甩的盾构机主 要是通过从德国、h 本、荚国等旧家进几。 海隧道t 程公司刊盾构机世备进行了系列的调研，昂终成功研制山了我国第 。台q ) 42 m 的手掘式盾构并月顺利掘进6 8 m 。 1 9 8 7 ，我国的上海隧道公司在国家的人力支持f ，研发出了第一台0 43 5 m 的力 泥e p b 盾构机，它成功，r 挖丁t 海市南站过江电缆隧道，获得了1 9 9 0 年我囡的幽 家科技进步一等奖m “j 。 9 0 代初到2 0 世 d 术，我田义自主研发设计出了中38 米的小型蓐构机。 2 0 0 1 年，国家科技部 ，h 计划，把川于城市地铁隧道的m 63 m 的土脏平衡盾构 机列为重点课题”。 2 0 0 5 年l o 月，我删筘台拥有自 知识叫必的m 63 m 土k 、r 衡盾构机“先行号 成功应用于t 海地铁一号线的隧道挖抛建设中i 4 6 4 ”。 虽近几年，在政府的大力支持下，我固的许多著名企业、院校通过市场调查后分 ! _ ；l j 没出了自主品牌的管片拼装机产品。 ( 1 ) 在国家级i h 的资助下，武议人学成功研发出了单举重臂、双举重臂两种形 式的管片拼装机。这埘种类型的管片拼装机如阁19 与图ll o 所小存设计上有一定 的创新性，但其自由度分别_ i _ 有4 个帛【5 个，1 ；能完全满足安裟要求。 镕* 碰| 论文 图i1 0 烈学重臂环式拼装机 ( 2 ) 上海隧道公司研制的穴自由度管片拼装机，如图11 1 所示。该管片拼装机 的自由度达到了6 ，可操作性大幅增加，f q 足它的微调机构的刚性、稳定性等方面有 所欠缺。 罔ii i 上海隧道】拌股份订限公司管片拼装机 ( 3 ) 吉林大学在固家级项目的支持r ，同样也设计出了6 臼度的管片拼装机， 如罔l 】2 所示它和上海隧道设计出术的产品不旧，它一般用r3 m 以下的隧道，不 能适片j 于大直径的隧道建设。 垡一 瞄1 1 2 占林人学管片拼装机 综上所述，国内的管片拼装机的研究存在以下不足： 我国的管片拼装机，都是根掘国外的产品进行改进、优化，但普遍存在以下不足： 自山度不足这会使管片拼装不到位，甚至有可能会产，裂缝等。 国外的一些管片拼装机在管片抓墩、定位以及移动方面已经实现了自动化、机械 化。我囡的拼装机通过对田外产品进行研究、再殴计，自主开发出了许多类型的管片 拼装机产品。国外拼装机虽然实现了管l 运输、六日由度运动的机械化，但是管片扣 头螺拴、紧固螺栓的安装还是靠丁人师博求完成，这会减慢拼装速度、降低拼装精度。 1 4 课题研究目的及意义 盾构机是一个集机械、电控、i t g i i 等技术r 一体的大型工程设备，是我国隧道建 垃的关键性设备，在党和国家的高艘难说下，找幽凡力投资建垃盾构机项日，有单_ j ) = 2 0 1 5 印实现盾构机的产业化建设。 营片拼装机是盾构机挖掘过程t ，极为重要的部件，罐于国内所占份额最大的是德 l i = i 海瑞克公司的盾构机，而且其盾构机陛能稳定所以我选择了对它的管片拼装机j 仃j 维建模，首先把管片拼装机分成儿个部分，如管片小车、行走粱、拼装机构等， 通过宴物测绘，然后分* l j f l js o l i d w o r k s 对其建模， 4 把各个装配体安装到起，定义 各种材剁，最后将模型与实物进仃比较，然后对其进行优化改进。提高管片拼装机的 建环速度，可以有效缩短施上工期、降低建改成本。水文提出蛙f3 - p r p s 片联机构 的管片拼装系统的发计方案，申请了眄项专利， 机械、液压和电控是j l i t k 平衡盾 f = l 机的= 大核心。找国虽然l 经自行研发出了许 多型号的盾构机但是其r l ，的此关键冗器什还是依靠从外吲进l j ，如唧转支承、撒 j | 、设备搜控制设备等。所以通过对l 划札 驰蚋液爪系统的研究，能为将米肝构机的液n 、 1 绪论 硕：l 论文 系统实现系列化、国产化做铺垫。在液压系统中，将国产的一些液压元件与国外的一 些液压元件进行比较，有利于实现整个液压系统的国产化。 本毕业设计通过管片拼装机实际过程中的一系列参数与数据，来和仿真所得的理 论数据进行比较，进而能够更加有力的证明各种优化的可行性。 实现管片拼装机的全自动化有利于提高整个拼装过程的安全性、可靠性、稳定性、 高效性、并且能提高拼装效率、降低工作强度。因此，本文集合p l c 以及视觉成像等 技术，对盾构机的控制系统进行了研究，有利于盾构管片拼装机系统朝着自动化、智 能化的方向发展。 1 5 研究主要内容及计划 本文结合徐工集团江苏凯宫隧道股份有限公司的盾构机项目，从机械、液压以及 电控三个方面对德国海瑞克的盾构机产品进行再设计与研究。 全文内容编排如下： 第一章，主要研究管片拼装机的国内外现状与发展趋势，将我国主流的管片拼装 机与国外先进的拼装机进行对比研究，分析我国自主研发的管片拼装机的现状。阐述 本课题研究的背景以及意义，提出本文主要的研究内容。 第二章，主要研究管片拼装机三维模型的建立及仿真，用s o l i d w o r k s 以及p r o e 设计管片拼装机三维模型。通过三维模型与实际管片拼装机的比较，直观反映国内管 片拼装机的不足与缺点。优化设计拼装机的行走梁，创新设计一款新型的双臂交错拼 装的管片拼装机。 第三章，主要研究管片拼装机的液压系统，对拼装机受力情况进行分析，对液压 系统主要元器件进行计算及选型，用仿真软件分析流量、环境等因素对液压系统性能 的影响。由于管片拼装机的液压系统包括周向系统、平移系统以及微调系统等，很难 既准确又完整的建立它的整体仿真模型、保证仿真结果的有效性，改用液压仿真软件 a m e s i m 对其主要回路进行局部仿真。这为液压元器件的国产化提供一个仿真试验的 亚z - x i 口。 第四章，主要研究管片拼装机的电控系统，通过p l c 控制电液比例阀，简化液压 控制系统，编写管片拼装机手动控制的部分p l c 程序，结合视觉成像技术实现管片拼 装机的全自动控制，减少人工成本、提高工作效率，加快整个工程的建设速度。 第五章，通过对管片拼装机的研究，得出研究的结论，对论文未深入研究的问题 做出展望。 1 0 岫i 论z店构机* 拼裂目l 的蚺柑设计一，拄制系统研究 2 管片拼装机结构设计及建模 2 1 概述 管片 并装机是盾构机的关键部件之一，主要用于各类隧道的建设。在掘进完一环 的距离后，管片拼装机负责将预制的管片安装到刚开挖好的隧道面上，形成衬砌，用 柬支护刚开挖好的隧道表面。管片拼装的质量会对地下水渗透和地表沉降产生影响。 管j 拼装机建环的速度直接影响着隧道施工的进程以及速度，提高拼装机的建王1 = 效率 能够有效的降低整个工程的施工成本，缩短施工周期m ”j 。 隧道施工最常用的方法就是通过管片拼装机来拼装隧道村瑚，管片拼装系统由轴 向平移机构、径向升降机构、周向回转机构、微调机构等组成，通过六自由度运动将 管片按照系统排版次序进行安装。然而，单环管片的拼装在某些需要快速拼装的路段 ( 如江边及土质疏松的地层等) 不能很好的满足设计需要，所以设计h 种更加快速、 定位精度高的幽产化管片拼装机卜分有必要。i 。 2 2 管片拼装的工艺流程 盾构机施工的过程l l ，随着盾构机的j f 挖、掘进以及出渣，jr 挖后的隧道需要用 项制好的管片进行防护。而管片拼装机需要将管片安全、准确以及迅速的放置到位， 并能将管片通过系统排版拼装成所需要的各项j | ! ；式。 锊片拼装机通常安装在中盾h 粱h 运行十后尾，由轴向半穆机构、周向回转机 构、住向升降机构、锁紧机构以及微调机构等组成。司以丑；现轴i ；d 平移、周向回转、 径向5 1 降、 右横摇、前后俯仰、偏转咀及锁紧七利- 动作。除了锁紧动作外，其余的 六个动作与管片拼装机的六个自【b 度 对戍，如图2l 所示。 攀莲髫 、瀑7 ，嘲孵嘲 h2 i 竹h n i b 度小意垮l 拼装机所抓取的管片如图22 所小，它股是用混凝l 、钢筋浇7 t 而成的，整环 管片包括运输的电瓶车都是通过龙门m 直接吊到血号拖车的后面，电瓶车运输管片到 卜、l。 一 幽2 33 a + 2 b + i k 模式的管片 整个管 的实际施工过程如下所示： ( 1 ) 管片运输：通过吊车将整环管片，包括r 乜瓶车一个车厢一起从始发井外吊装 到轨道l 。面。电瓶车将整环管片运输到管片小车工作范围内，通过管片吊机手动将管 硕士论文 盾构机管片拼装机的结构设计与控制系统研究 片吊起并旋转9 0 。，按照系统排版次序摆放在管片小车上面，管片小车将管片输送到 拼装机能够抓取的范围内，管片小车下方的千斤顶将整个管片小车上半部分连同管片 一起顶起，以方便拼装机抓取。 ( 2 ) 管片夹取：管片拼装机的径向升降机构下降，通过其下部的扣头将装有扣头 螺栓的管片夹取，锁紧油缸锁紧管片，压力检测开关满足条件后才能进行下一个动作。 ( 3 ) 管片定位：工人师傅通过无线遥控器完成管片的粗定位和微调定位。粗定位 是指通过平移、回转、升降动作将管片粗略移动到设计好的各个位置；微调定位则指 通过俯仰、横摇、偏转动作将待装管片精确运动到所需位置。 ( 4 ) 螺栓连接：管片的周向和轴向螺栓孔全部对齐后，由工人师傅管片螺栓按照 规定的力矩安装到位。 以上步骤重复六次则完成一环管片的拼装。管片安装完后由现场的管片工程师用 钢尺测量上下左右共四个点的盾尾间隙，盾尾间隙设计值为3 5 m m ，一般不小于2 5 m m 。 2 3 管片拼装机的设计要求 2 3 1 管片拼装机的系统组成 管片拼装机是大型工程机械盾构机的重要组成之一，它周而复始的将一环环的管 片拼装成环，它的主要组成部分如下：( 1 ) 结构支撑，管片拼装机需要将约5 吨的管 片精确、快速、安全的安装到位，它需要有一个稳定牢固的结构来保证各个动作顺利 完成；( 2 ) 动力、驱动装置，由于拼装机一般在重载、周期循环的条件下工作，它的 动力源以及驱动装置要有较高的可靠性，功率也要满足一定的设计要求：( 3 ) 反馈装 置，由于管片的安装需要有较高的精确性，因此需要一些传感装置来时时反馈拼装机 的各项参数，以保证管片能精确、快速地安装到位。 2 3 2 管片拼装机设计要求 管片拼装机需要按照系统排版把管片安全、迅速、准确地拼装完成，它要满足以 下要求：一是要能够实现管片运动的自由度，即拼装机需要有锁紧机构、升降机构、 平移机构、回转机构和微调机构；二就是要满足一定的功率要求，管片的重量一般比 较大，拼装机在重载情况下也要能够安全可靠的完成六自由度的拼装。具体性能要求 如下： ( 1 ) 管片拼装机需要完成六自由度的运动，并且要有锁紧管片的功能； ( 2 ) 管片拼装机需要充足的动力来实现各个运作的运行； ( 3 ) 管片拼装机的回转机构需要有较高的控制精度，并且回转液压马达需要有优 异的制动功能； ( 4 ) 管片拼装机主要的电控系统，液压系统的元器件都要有较高的可靠性。 2 管片拼装机结构设计及建模 硕士论文 综上所述，设计时需要考虑的主要参数如下： ( 1 ) 根据不同隧道，管片的建环形式不同，因此管片的重量也不同，需确定该款 拼装机所能够抓取的最大管片质量； ( 2 ) 拼装机在进行位置、姿态调整时各个力的大小，比如轴向平移的推力、周向 回转的回转力矩等等； ( 3 ) 整个拼装机的尺寸，根据每个地段的不同，整条线路的最大曲率也有所不同， 因此管片的长度也有所不同，拼装机的整体尺寸需要根据具体的管片类型来决定； ( 4 ) 根据项目的整体时间安排，单环管片的拼装时间可能有所不同，因此拼装机 每个动作的速度就有所要求。 综上所述管片拼装机性能主要技术指标如表2 1 所示。 表2 1 管片拼装机性能主要技术指标 2 4 管片拼装机机械机构三维建模设计 2 4 1s o l i d w o r k s 软件介绍 美国s o l i d w o r k s 成功研发出了一款三维设计软件，并且以它的公司为这款软件命 名。随着s o l i d w o r k s 的不断完善、优化，它被越来越多的设计师所喜爱。s o l i d w o r k s 的优点如下：操作简单、界面入性化、设计方便；具有参数化的零件建模功能；装配 各个零件时比较简单；各项数据、参数的相关性比较高；能有效的与其它软件实现数 据传递，方便二次开发；绘制、标注工程图、零件图十分简单。 正是凭借着这些优点，s o l i d w o r k s 才能在这个日新月异的软件市场竞争中存活下 来，并且成为了目前世界上的主要的三维设计软件之一。 1 4 砸| 论业盾曲目l * j l “f * 机结构& r l 。， 卒r i “系统“ 2 , 4 2 管片拼装机总装模型 拼装机系统是盾构机的重要系统之一，本论文基于s o l i d w o r k s ，以海瑞克的管片 拼装机为样本，建立了管片拼装机机械结构的三维立体模型。先将拼装机分成若干模 块进行测绘，然后将各个模块进行装配，将装配好的虚拟样机和实物进行比较，不断 的通过参数化设计进行修改、优化并反复校核和计算，最后确定了合理的结构方案。 行走梁作为管片拼装机的支持部分，一端通过螺栓固定在中盾的h 梁上面，另一 端通过铰接油缸和拖车相连接：整个菅片拼装机通过滚轮安装在行走粱上面，平移油 缸通过两个l 型固定块一端同定在行走粱l ，一端吲定在平移架上面，通过它的同步 伸缩柬带动整个管片拼装机实现轴向平移运动；两个液压马达固定在半移架上，它的 端通过小齿轮与回转支承相啮合，通过液压马达的旋转带动小齿轮旋转从而带动 整个回转架运动，其中一个液艇马达带有旋转编码器，便于测量拼装机旋转的速度以 及角度：红蓝两个升降油缸固定在回转架上，可以同步伸缩实现管片的径向升降，也 可以差动配合周向回转运动实现管片的 t 右摇摆微调动作：拼装头l 一安装有两个微 调汕缸以及一个锁紧油缸，可以实现管片的前后俯仰、偏转以及锁紧动作- 整个拼装机系统组成如图2 4 所不，管片拼装系统出平移机构、引降帆| j 、h 转 机构、微蛹机构等组成。 l r 走棠2 平移机构3 撒渊锁紧机构4 同转机 = l5 丹许机构 h24 管片拼装饥总装n i 模i | l 两、p 移 | i 姐册动整个机构通过两 l l 滚轮北行走粱上沿着盾构机轴【j u 鹾动一 两个升降油缸i 刊步运宣u 精动微调机构、锁紧机构以及管片在盾构机夺方向运动- 两个升降汕缸差动遥动，配合川转机构的运动，实现微调机构、坝紧机构以及管 2 * j _ 拼装机鲒构赴汁畦摸 m 论 片的水平摇摆运动。 回转机构带动升降机构、微调c l t i _ j 、锁紧机构以及管片绕轴线方向旋转。 通过两个微调油缸的运动带动锁紧机构以及管片实现偏转以及俯仰运动。 综上所述，管片拼装机需要七个不同动作，即六自由度运动和锁紧动作，爿能满 足精确、安全定位的要求。 2 4 3 轴向平移机构模型 如图25 所示为拼装机平移机构的结构模型，该机构由平移油缸、行走梁、回转 架、滚轮、l 型固定块等组成。 l 行走棠2 l 型川定抉3 同转架4 滚轮5 平移油缸 幽2 , 5 管片拼装机平移机构模型 两平移油缸通过两组l 型固定块一端固定在行走粱卜面，一端固定夺平移架上面， 平移架则通过隔组滚轮和行走梁连接，通过两个平移油缸的伸缩束带动平移架上的滚 轮确：行走粱上丽移动。 行走粱的前端通过螺栓连