盾构掘进机的设计

第 1 章 绪论1.1 引言 近年来,我国开展大规模的城市市政工程建设,尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以普遍适用。在这种情况下,对城市正常机能影响很小的隧道施工方法- 盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。盾构法施工技术已被广泛应用于铁路隧道、过江隧道、公路隧道和城市地下工程。全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程施工装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件。1.2 盾构机掘进机概况盾构掘进机作为典型的复杂机电产品的代表，是机电液一体化高度集成的大型设备，也是多单元集成的大型水利、国防、地铁、交通等领域的基础关键设备。 “十一五”期间，国家在先进制造领域重点扶持盾构掘进机系列化设计和制造关键技术的研究与开发，以制造样机和进行工程试用为目标，争取 2015 年实现系列化和产业化。近年来，由于我国基础设施建设的需要，盾构法施工技术的应用在国内得到快速发展。据不完全统计，国际建筑市场的全断面隧道掘进机年需求量上千台，年营业额超过 100 亿美元；到 2020 年我国对各类大型全断面隧道掘进机可以预见的需求将超过 1000 台。由于重大技术装备制造水平的发展跟不上我国经济快速发展的要求，一些大型重要工程为保证工期和质量，倾向依赖于进口装备，造成我国机械产品贸易逆差逐年加大，核心技术对外依赖性不断增强，蕴涵着较高的国际经济及政治风险。 与传统的隧道掘进技术相比，盾构掘进机施工隧道断面一次成型，支护和衬砌及时，具有安全可靠、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而埋深较大时，只能依赖全断面盾构掘进机。根据国外全断面掘进机的发展经验和趋势，结合我国国情，目前，国内盾构生产、施工过程中遇到的主要问题及难点主要集中在以下几个方面：（1） 液压推进系统实时、智能化精确控制技术； （2） 刀具和刀盘设计技术； （3） 结构参数的优化和系统集成技术； （4） 精确控制地表沉降技术； （5） 提高姿态控制精度的激光导向技术； （6） 隧道管片拼装的全自动化技术等。 盾构管片拼装系统是盾构掘进机成套装备系统的关键子系统，是一种典型的复杂机电液产品，一般由管片输送系统、管片夹持系统、管片举重定位系统、管片螺栓安装系统、管片正圆装置、检测/控制系统、驱动系统等组成。一般要求实现管片在空间 6 个自由度的无干涉运动，其工作效率应与盾构掘进机的掘进速度一致。由于结构复杂、工作效率高、定位/检测精度高、动静态特性复杂、工作负载大等原因，盾构管片拼装机至今没有全部实现国产化。 管片拼装作业是盾构施工的关键作业之一。一方面管片环承担着盾构前进的推进反力，另一方面管片环的拼装速度又直接决定着盾构的掘进速度。目前，盾构的开挖、掘进作业已实现了自动化，甚至智能化，但管片拼装作业的自动化进程却相对滞后，作业方式主要存在着以下两个问题，即： （1）管片拼装定位精度低，管片环易出现裂缝和缺口； （2）管片安装效率较低，影响隧道开挖的掘进速度； 基于以上问题，本文结合全自动盾构管片拼装系统的研发，运用相关理论开展盾构管片拼装机的设计及研究工作。盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表(泥水式、土压式 )的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。目前，最常见的是第三代盾构-土压平衡盾构和泥水加压式盾构。土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。士压平衡盾构无泥水处理设备，施工速度较高，比泥水盾构价格低，能获得较小的沉降量，也可实现自动控制和远距离遥控操作，由于开挖面得到安全的支护，因此现在的泥浆盾构和土压平衡盾构，甚至可以在困难的水文、地质条件下广泛应用。其工作原理如图 1-1 所示。图 1-1 土压平衡盾构的开挖原理泥水加压式盾构(slurry pressure balance shield )，简称SPB盾构，是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。图 1-2 泥水加压式盾构的开挖原理早在 1950 年代初期,我国东北阜新煤矿就有使用手掘式隧道修建疏水巷道,1957 年在北京市下水道工程中使用小断面盾构施工的记载。随着我国国民经济和城市现代化的快速发展，从九十年代起盾构技术在我国开始广泛使用，从目前各地盾构技术的使用情况来看，我国盾构技术已经全面进入了使用的阶段，尤其是土压平衡式盾构的使用已经非常广泛。经过一些工程实践，我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累,但仍然存在大量的技术问题。除盾构机械制造和施工控制管理等综合技术问题以外,在岩土工程的领域内也存在许多尚待解决的理论和技术问题。比如,盾构隧道管片设计理论的统一、系统化问题；隧道开挖面稳定机理和控制问题；相邻或叠交隧道相互影响的评价问题等等,都还需要我们进行不懈的研究和积累。虽然我国已有很多成功的施工经验,但距离盾构技术的产业化、系统化尚有一定的距离。因此,还需要进行不懈的开发、研究和积累,以图形成我国独立的机械制造、隧道设计、施工管理技术。盾构掘进机的技术发展较为显著，归纳起来主要有以下五个特点：（1）盾构掘进机地层适应性广，可用于沙砾层、卵石层、沙层和软土等各种地层；掘进断面尺寸变化范围大，具有向超大、微小两个方向发展的趋势（直径 18m 的大型盾构机与直径 0.2m 的微型盾构） 。 （2）盾构掘进机的类型向多样化方向发展。从断面形状方面出现了矩形，马蹄形、椭圆形、MF 形（双圆搭接、三圆搭接）等多种异圆断面盾构；从功能讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具（无需竖井）盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从掘削方式上出现了摇动、摆动掘削方式的盾构。图 1.3 三圆搭接型盾构机 图 1.4 偏心多轴式盾构机图 1.5 母子盾构机 图 1.6 球体盾构机（3）盾构机的技术科技含量越来越高。液力驱动和电液比例控制技术、遥控技术、现场总线控制技术、摄象及视觉信号处理技术等现代高新技术成果不断得到应用。 （4）土压平衡盾构（图 1.1） 、泥水盾构（图 1.2）是当前时期盾构机的主流产品，基本实现掘进、衬砌、排土施工工艺的全机械化和全自动化。 （5）在未来的发展方向上，盾构掘进机将不断采用类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，盾构的机器人化发展趋势不可阻挡。随着我国国民经济和城市现代化的不断发展,高度商业化、效率化和功能密集化的现代城市对于工程施工的要求越来越高。另一方面,由于城市用地、城市交通立体化的要求,向地下发展的地下工程会越来越多。作为一种适用于现代城市地下工程的施工方法- 盾构隧道施工法必将受到人们的重视。目前，我国的许多大城市都开始了地下铁路的工程、城市上下水隧道工程，如：北京、上海、天津、南京等。在 20062020 年的 15 年间，我国将有 20 余座城市建设地铁，至少将建 3000km。此外,国家的重点建设项目如南水北调及西气东输工程都涉及到穿越江河的问题,其中一些区段都可能需要采用盾构法进行隧道施工。因此，盾构隧道施工法在我国的发展前景非常广阔。所以开展盾构机零部件的研究和开发，实现盾构的国产化将会促进我国建设的快速发展。1.3 盾构技术盾构隧道施工法是指使用盾构机,一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中,与岩石围岩不同,土体不具有自立稳定性,所以保持开挖面稳定的系统(盾) 就非常重要。盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的,除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外,使用压力舱内泥土或泥水压力平衡开挖面上的作用土压力和水压力；使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙,主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。盾构隧道施工技术的特点可以归纳为以下几点: (1)对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除盾构竖井处需要一定的施工场地以外,隧道沿线不需要施工场地,无需进行拆迁而对城市的商业、交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流；在地下穿过各种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下水降水等措施,也无噪声、振动等施工污染。(2)盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造,所以是适合于某一区间的专用设备。当将盾构机转用于其它区段或其它隧道时,必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同,有差异时要进行改造。(3)对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程,盾构施工对精度的要求非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整,对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。(4)盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始,盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾构外径,如要后退必须拆除已拼装的管片,这是非常危险的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以,盾构施工的前期工作是非常重要的,一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后,打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。1.4 盾构管片拼装系统研究概况 管片拼装作业的重要性主要体现在两个方面：一方面管片环承担着盾构前进的推进反力，另一方面管片环的拼装速度又直接决定着盾构的掘进速度。由于开挖隧道直径变化较大，通常管片的外径变化也比较大，根据国内隧道施工的案例，目前管片外径小到 2950mm，大到 18870mm，使得管片安装机的结构形式也有所不同。 （1）在中小隧道中，盾构机主要采用单臂举重臂式的管片安装机，其结构较为简单，施工工作空间较大，以日本生产设计的管片拼装机较为典型； （2）对于大直径隧道，主要采用对称结构的举重臂，承受管片重量载荷大，以美国 Robbins 公司，德国 Wirth 公司设计的管片拼装机较为典型。 管片拼装作业中引进自动化技术已成为发展趋势。管片安装的全自动化将较大地提高施工的安全性及安装精度，并且能极大地改善工作环境和降低工人的工作强度。 1.4.1 国外管片拼装机产品技术分析 （1）日本最早使用管片自动化拼装设备，有多项工程采用管片自动化拼装技术，自动化程度根据工程需要而不同，但无论哪项工程，螺栓连接作业等部分作业仍旧使用手工劳动，没有完全使用自动化。如图 1.7 所示为六自由度串联构型管片安装机器人。 日本川崎重工开发的管片拼装机为环形结构，回转环由安装在盾构中体上的滚轮支承。管片拼装机沿盾构机轴向和径向的动作分别由伸缩和滑动千斤顶带动，沿各自导向装置运动。管片的拼装和位置调整由拼装机的回转、伸缩千斤顶、滑动千斤顶和止振千斤顶进行。拼装机可以有线控制或无线控制。 目前，日本 HITACHI 公司正在研制高效可靠的管片自动安装机器人。其管片自动定位安装系统（图 1.8）充分利用了激光技术、光学图像处理技术、伺服控制技术及传感检测技术等。 图 1.7 串联构型管片安装机 图 1.8 管片自动定位安装系统（2）美国 ROBBINS 公司的六自由度管片安装机，其安装一环管片的时间可控制在 30min 以内，通过遥控操作保持操作者始终处于安全距离之外。 （3）德国 WIRTH 集团 NFM 技术公司开发的真空吸盘式管片拼装机（图 1.9） ，它具有很高的控制精度和安装效率，除螺栓连接工序外基本实现了自动化。即将投入使用、号称“万里长江第一隧”武汉过江隧道在盾构施工过程中即采用了该类型管片拼装机。图 1.9 真空吸盘式管片安装机 图 1.10 13.21m 混合盾构管片安装机 （4）德国海瑞克公司的管片安装机，如图 1.10 所示。该拼装机安装在盾体中心位置，拼装机顶部将有一个移动平台，通过该平台来靠近楔形块管片的螺栓；所有的运动都是比例控制的，富裕的动力储备使操作迅速、精确，尤其是单独控制的径向伸缩油缸确保了最佳的管片安装效果。海瑞克公司的管片安装机的设计使得一环管片拼装能够在 60 分钟内顺利、安全完成。 1.4.2 国内管片拼装机产品技术分析 近几年来，国内的一些企业和高校根据不同工程需求，也分别研究开发出了各自的管片拼装机产品。 （1）在“南水北调与全断面岩石掘进机(TBM)成套装备系统研制”项目资助下，武汉大学设计了单举重臂环式与双举重臂环式拼装机。该两种机型（图 1.11、1.12）都有其创新性，但只分别具有 4 个和 5 个自由度运动。 （2）上海隧道工程股份有限公司的带有压力式全密封油箱的衬砌拼装机。该机型是张闵庆、葛道远等人的专利技术，只具有四个自由度的运动，因此不能完全满足管片施工的要求。 （3）上海隧道工程股份有限公司的六自由度管片拼装机（图 1.13） 。该机型是石元齐、王鹤林等人的专利技术，具有六个运动自由度，管片位置和姿态能满足拼装各种空间位置的需要，设备整体结构的刚度和机构运动的平稳性较好。但是，由于其微调机构通过一个关节球轴承连接举重臂横梁与运动平台实现，当应用于大直径隧道盾构施工时，系统的刚度、稳定性及微调运动控制精度等方面存在一些问题。图 1.11 单举重臂环式拼装机 图 1.12 双举重臂环式拼装机图 1.13 上海隧道股份管片拼装机 图 1.14 吉林大学 3m 盾构拼装机（4）吉林大学机械科学与工程学院基于“国家科技支撑计划项目全断面掘进机综合试验台” ，提出了自己的设计方案，所构造的 6 自由度管片拼装机（图 1.14）具有一定的创新性，但是该机型是针对 3m 盾构掘进机试验台研制的，设备整体结构刚度和机构运动的平稳性需要提高，承受管片载荷较小 。综上所述，可以发现管片拼装机的研究存在以下问题： （1）国内与国外还有很大差距。国外如今较先进的管片拼装机已成功实施了管片抓取、就位、螺栓连接和拧紧等全自动化拼装。国内的拼装机借鉴国外成功的机型，实现了中、小直径隧道拼装机的自主开发，虽然实现了管片吊装、移动、对中、就位、拼装的机械化，但是管片的管片接头螺栓穿孔和拧紧等还是靠人工作业，这给掘进速度和管片拼装质量带来很大影响。目前，国内对大直径隧道的管片拼装机设计制造仍是空白。 （2）基于串联构型的管片安装机（如图 1.7）存在着串联机构的弱点，即刚度、稳定性差，承载能力弱，精度低等问题，通常只适用于直径 6m 以下的盾构掘进机；基于并联构型的管片安装机器人存在着并联机构的弱点，即工作范围下，运动灵活性差、空间布置困难等问题。 （3）在管片对中微调定位这一环节上，为实现管片绕隧道轴向方向转动的精确定位，目前的拼装机（图 1.9、1.10、1.13）都是采用举升机构两举重臂的不同步运动实现的，这种方式难于控制，且存在着较大的定位误差。同时，国内的管片拼装机（图 1.13）为实现管片的微调定位，在微调转动平台与提升横梁之间通过一个中心球关节轴承连接，通过该轴承的旋转实现各方向的微调定位，这种设计方式对整体结构的刚度和机构运动的平稳性有一定影响，通常需要对二旋臂梁之间设置中间横梁、管片抓取装置的结构进行改进来增强整机的刚度和稳定性。 （4）对于双举重臂式的管片拼装机，通常采用举升机构两举重臂的不同步运动实现管片的偏转微调定位，但是工作载荷会破坏左右二提升油缸的平行度，使二提升油缸的升降运动不同步，从而会造成管片拼装错位的后果。（5）管片安装的全自动化将较大地提高施工的安全性及安装精度，并且能极大地改善工作环境和降低工人的工作强度。因此，盾构管片安装系统的发展方向是研制自动化、智能化的管片安装机器人。 为此，为了提高对隧道管片拼装工作环境的适应性，考虑管片安装全自动化的需求，结合串联机构、并联机构在承载能力、刚度及稳定性、精度、动力性能等方面的互补关系，本文提出基于串-并混联构型的新型管片拼装机的构型设计方案。设计、开发适用于隧道管片拼装工作环境的混联构型拼装机、研究保证其运动、动力性能方面的关键技术，并寻求在实际工程中的应用，具有重要的理论意义和工程实用价值。1.5 研究意义本论文研究的主要内容为是结合具体的施工条件，对管片拼装机的性能进行分析，并对其进行总体计算，使其各项参数和功能符合直径为 6 米的土压平衡式盾构机，达到在管片安装过程中效率高、定位和检测精确等要求；最后研究设计拼装机的回转系统，使回转系统能够实现220的自由旋转功能，并且达到强度和刚度等要求。基于我国城市建设和各种基本建设的需求的预测，盾构隧道施工在我国的发展前景非常广阔。但是，目前盾构机的生产、销售基本上有国外公司垄断，主要是集中在日本和德国。针对盾构机的现状，开展盾构机关键零部件的研究将会对盾构国产化有着巨大的推动作用。在盾构施工过程中，隧道管片肩负着隧道成型挡土、止水等重要功能。因此，管片拼装的质量直接影响着工程质量，而完成这一重要工序的就是盾构机中的拼装机部分。因此，研究分析管片拼装机对盾构施工有着重要意义。本次研究的管片拼装机是针对直径为 6 米的土压平衡式盾构机，通过对拼装机工作时的性能进行分析计算，将有助于管片拼装的顺利进行，使管片在安装过程中能够达到效率高、定位和检测精确等要求。同时，通过对管片拼装机的回转系统的设计计算，将会对盾构零件的国产化有一定的推动作用。第 2 章 管片拼装机整体设计及计算管片拼装机是盾构机的重要组成部分，在掘进完成后，管片拼装机负责将预先制好的管片安装到刚开挖的隧道表面，形成衬砌，以此来支护刚开挖的隧道表面。管片拼装的质量将直接对地下水土的渗透和地表沉降产生影响。2.1 管片的选用管片是一块预先浇铸好的混凝土环状砌块。管片首先由电瓶小车从隧道外运入，然后由管片拼装辅助小车将其移动到管片拼装机正下方，最后靠管片拼装机将其拼装成管片衬砌环( 一管片衬砌环约由六块管片组成) 。一环管片安装完成后，上紧管片间的连接螺栓。根据本次设计的具体情况，选用外径D=10.8m的管片，内径d=9.8m，管片厚度b=500mm，管片宽度L=2000mm，单片最大重 12.0t。每环管片由 6 块管片拼装而成，其中有 4 块标准块，3 块邻接块和 1 块封顶块(K块)。每环管片块与块之间采用 12 根弯曲螺栓环向连接，两环管片之问采用 10 根弯曲螺栓纵向连接(除封顶块外每块管片两根)，采用错缝拼装。管片防水通过在管片之间安装遇水膨胀型止水条和在管片背后灌注水泥砂浆，螺栓孔防水采用弹性橡胶垫圈。2.2 管片拼装机的结构分析2.2.1 管片拼装机的整体结构管片拼装机，又称举重臂，是一种设置在盾尾部位，并可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械。一般管片拼装机的形式有环式、空心轴式、齿条齿轮式。本设计所研究的管片拼装机采用环式，由回转系统、提升系统、平移系统和管片夹取系统构成，其中主要部件有大功率马达、传动轴、传动齿轮、回转盘体、挡托轮、提升横梁、管片夹取装置。图 2.1 拼装机整体机构2.2.2 回转系统的结构分析回转系统主要由液压大功率油马达、传动轴、传动齿轮、回转盘体、挡托轮构成，主要功能是在拼装管片的过程中提供回转力矩，并且为整个拼装系统提供支撑。整个回转系统的动力传递过程是：液压马达联轴器 1减速器联轴器 2传动轴传动齿轮回转盘体挡托轮。液压马达用来提供回转动力，以便克服拼装过程中阻力矩，回转马达输出的动力由联轴器 1 传递给传动轴。其中液压马达和传动轴的支撑系统都由螺栓固定在盾壳上。传动齿轮由小齿轮和大齿圈组成，小齿轮固定在传动轴上，且采用悬臂支撑，大齿圈固定在回转盘体上。在拼装机回转时，由小齿轮带动大齿圈回转，然后大齿圈带动整个回转盘体回转。由挡托轮来支撑整个拼装系统的重量和倾覆力矩，挡托轮选用八个，系统重量由下部四个挡托轮来承受，拼装系统产生的倾覆力矩由八个挡托轮共同来承受，回转盘体的回转轨道都由挡托轮的固定位置来限制。2.2.3 提升系统的结构分析提升系统主要由提升横梁和两个液压缸组成。提升横梁及液压缸由螺栓固定在回转盘体上，横梁内置有液压系统的油箱，用来为液压油路提供液压油。整个横梁由油箱的底板、顶板、后板、前板、连接隔板和垂直导向装置组成，相互焊接为一个整体。液压泵组和电气控制组安装在一个横梁的上部，在拼装管片过程中随拼装机一起回转，这样布置可以减少拼装机回转时电线和油路管缠绕带来的不便。提升油缸有两个和两个导杆，两个升降油缸来完成对管片的提升和上推，设置两个升降垂直导杆用来导向，用来承受回转时的回转力矩，油缸和导杆轴套都与横梁相连，导杆的导向孔与横梁固结为刚体。在加工和装配过程中，保证两个垂直导杆的平行度要好，以防止在提升和上推管片时两个提升油缸卡死，并且两个导杆的润滑度要好，从而使导杆在导杆轴套中能顺利移动。油箱内置密闭系统，采用主动加压的形式，在箱体容积变化时可保持箱体内的压力恒定。箱盖上设置安全阀，用来避免箱体因压力过高而损坏结构；此外，油箱的密闭性要好，随拼装回转时候不产生气泡，确保气体不进入液压邮箱，这样可以减少液压控制组件的噪声。图 2.2 回转系统2.2.4 平移系统的结构分析平移系统主要由一个双作用油缸和两根水平导杆组成，水平导杆起到导向和支撑的作用，水平导杆加工和安装有较高的要求，因为水平导杆要承受管片的重量，所以在管片平移的过程中，两导杆的最大变形量要小，并且两导杆的平行度要好，否则将造成平移过程中油缸卡死。油缸和水平导杆固定在一个高刚度的箱型结构梁上，两者与管片夹取装置、管片的位置调节油缸共同组合成一个水平滑动装置。在水平滑动装置中，还设置有用来调节管片周向摇摆的油缸，油缸设置两个，油缸的行程比较小，在管片的位置发生周向偏移时，可以用油缸来进行微调。2.2.5 管片夹取装置 为了减轻操作工人的劳动强度，提高拼装时的工作效率，管片夹取装置主要采用销连接，管片中心设置有螺栓孔，管片在拼装前在螺栓孔内拧入螺栓，此螺栓下端为螺纹，上端为带有销孔的方头。在拼装机的夹取装置中置有与螺栓方头相对应的倒U型凹槽，同时，凹槽上设置相应的销孔，拼装时将两销孔对齐，然后插入销，即可完成管片的夹取。其中凹槽焊接在平移油缸上，用来完成实现管片的平移这一动作，见图 2-3。 图 2-3 夹取装置结构图2.2.6 液压回路拼装机的液压部分主要包括回转系统中的液压马达、提升部分的提升油缸和平移系统中的平移油缸。其中液压马达需要由拼装机的动力站来提供动力，此动力站即是后套设备中的液压泵站，而提升部分和平移系统的油缸是由提升横梁上的液压泵来提供油液。在拼装管片作业时，可能会发生相邻管片无法密帖的现象，即衬砌不到位。主要原因是左右提升油缸的行程无法统一匹配，从而引起管片伸缩时产生的高度差，为保证左右提升油缸的同步性，必须设计合理的液压回路。2.3 管片拼装工作流程管片从运入到拼装完成全过程示意图如图 2.4图 2.4 管片定位拼装过程图1.将管片装载到供给位置上 2.将管片送给自动拼装装置 3.夹持管片 4、5.平移、旋转、伸缩将管片送到确定位置 6.偏转微调 7.旋转修正 8.横摇微调 9.f印俯微调 10.伸缩修正n.螺栓、螺母安装 12.螺栓连接过程 13.螺母 14.螺栓巧.微调定位过程 16.初调定位过程 17.管片供给 18.推进油缸 19.盾构体 20.管片自动拼装机 21.管片输送器 22.连接桥23.管片吊机 24.管片服务台车管片拼装具体作业过程如下：(1)管片供给:管片运送小车将管片运至管片卸载站，小车旋转平台旋转 900，卸载站的升降架顶起管片，小车退出，用起吊机将管片放在管片供给装置上，管片供给装置将管片沿着导架向前方移动。(2)管片夹持自动拼装机在传感器确定管片到位后开始夹持管片。管片夹持与手工拼装相同，即将夹持器具旋入注浆孔中。(3)管片定位管片定位分为粗调定位和微调定位。粗调定位是将管片移到预定位置处，微调定位图 2.5 管片六自由度示意图是将粗定位管片的螺栓孔与己装管片的螺栓孔对合。管片即可满足空间六个自由度(三轴移动和围绕三轴旋转)。(4)螺栓连接管片定位后，管片的螺栓孔全部对齐之时即开始螺栓连接。迄今开发的许多自动拼装机都具有与螺栓分压箱数量相等的连接机。这些连接机可以同时工作，按一定的力矩进行连接，完成一块管片的拼装。然后，反复进行这一系列的作业。如上所述，为实现对管片进行精确定位的要求，管片在拼装过程中需要实现平移、回转、俯仰、横摇和偏转 6个动作，另外还应该有锁紧管片的动作。6 种动作应该分别与管片的 6 个动作自由度相应。为描述问题的方便，本文规定图中x正方向为盾构前进方向，y为管片环切线方向，z为开挖面径方向。x,y,z分别为三个宏观运动平移、回转和升降；x、y、z分别为 3 个微调运动横摇、俯仰和偏转。2.4 管片拼装机设计要求管片拼装机由平移机构、升降机构、回转机构及固定部分组成，它是完成管片拼装所需的 6 个自由度的隧道盾构专用施工装置。这些主要机构经常启动，制动、外负载变化很大，工作条件恶劣，因此，管片拼装机的结构设计和液压系统设计需要满足以下要求:(l)几何尺寸要求管片拼装机设计的几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸，主要的限制因素为螺旋输送机预留空间尺寸、推进油缸撑靴的几何尺寸、操作人员穿越进出的尺寸和工作行程。整机布局的几何尺寸要求满足管片粗调的平移、升降和旋转空间尺寸要求，在管片拼装机能完成 6 个自由的同时，要求结构紧凑合理、完成运动尺寸不能相互干涉、便于管片的装卸、操作人员的视野无阻。此外，整机的几何尺寸还必须满足吊装的要求。(2)各功能运动的性能要求管片拼装机设计必须要满足各功能运动的性能要求，应该能够安全迅速地把管片组装成预定的形式，总体上来讲管片拼装机的各功能运动性能要满足两个方面的要求:一是要能够实现管片的运动自由度，即应该具有夹紧机构、升降机构、平移机构、回转机构和合理的微调机构;二就是应该能够满足动力要求，即在负载后要能够轻松安全地完成上述运动。设计时要考虑的主要因素有:最大额定抓取量，组装衬砌时吊起的管片推向外侧的推出力和将K型管片压入以及为矫正已组装好的管片的位置所需的推动力，最大行程的条件下能够轻松回转所需要的驱动力矩，合理的抓取管片所必须的抓紧机构的尺寸，拼装机的工作范围，即指各个自由度上执行机构的行程和拼装机的工作速度，包括轴向进伸、轴向回转、径向伸缩速度。(3)强度要求管片拼装机结构强度是整机设计的关键之一，拼装机的结构和所承受的载荷十分复杂。要求满足管片拼装机各部分的受力合理的情况下，保证管片拼装机的强度和强度特性。在设计管片拼装机的整机结构时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加了构件的强度，而且缩短了制造周期，降低了制造成本。要求回转装置尽量采用大的几块钢板下料，为了减小焊接变形及焊接应力，要求采用压型钢等结构。结构件设计中尽量等强度，要求采取局部加强措施。回转盘体与提升套筒连接处的板处应力较高，可以采用以铸代焊，这样大大提高了结构件的冲击和疲劳强度。为确保焊接强度，绞接部件尽可能采用铸钢件。结构件的破坏主要是由于每个运动功能的启动和制动所产生的冲击，因此，破坏时常不再负荷最大部位，而是应力集中部位。为了减少应力集中，应使焊缝与应力集中部位错开。此外，管片拼装机的结构设计除了满足上述基本设计要求之外，还应该满足其它的一般性能要求。例如，注重产品设计的经济性要求;尽可能采用标准零部件，降低管片拼装机的制造成本;提高管片拼装机各功能部件的工作可靠性和耐久性，以满足管片拼装机作业条件恶劣的要求。管片拼装机设计主要技术参数见表 2.1。拼装机类型设计参数Design content单位Unit设计值Design value起吊能力（Hoist capability）kN 13011.18m盾构管片拼装机参数（Parameters of erector）1. 驱动方式：液压驱动； 自由度（Degree of 6freedom）旋转速度（Rotation speed）r/min 01.5前后平移最大行程（Max. stroke for moving）mm 4100旋转角度（Rotation angle） 220举升油缸最大行程（Max. stroke of lift cylinder）mm 1500高速时最大旋转扭矩（Maximal dynamic torque at high speed）kNm 471静扭矩(Static torque) kNm1 660kNm2. 控制方式：无线遥控、有线严控相结合安装一环管片的时间(Time for installation a ring of segmen)min 小于 40min表 2.1 管片拼装机主要技术参数2.5 管片拼装机加工和装配要求管片拼装机的加工和装配要求： (1)拼装机重心轴线与盾构轴线的平行度公差为 0.005mm；拼装机两提升导杆之间的平行度公差为 0.2mm。(2)把水平油缸、水平导向套、夹取装置及管片连接油缸组合成为一个刚体，通过 2根水平导轨与提升横梁连接；提升横梁总体与液压缸焊接。(3)连接回转盘体，加铅块配重，能平衡回转力矩的一半。(4)按照主动加压形式安装拼装机上的密闭油箱，要求油箱中不能有剩余的气体。(5)整机总装后，进行空载和重载试车，管片的夹取装置要可靠，夹取管片时不得出现爬行或抖动现象，达到技术参数要求。(6)确保制动器的性能可靠，在油压失压或失电时候能立即制动，系统停止后不得有位移。(7)拼装机在盾构内总装前，先进行零部件装配，紧固盘体连接面上的螺栓后再焊接；在提升油缸和提升横梁组装后，先试动作，再检查、调整各组导向柱间的平行度，保证油缸的活塞杆上下动作平滑，不产生卡阻现象；各类油缸在安装前须进行伸缩动作和耐压试验；各类密封圈不允许有破损或翻边现象；做好软管保护动作。第 3 章 管片拼装机的运动分析3.1 拼装机的整体要求及运动参数管片要精确的到达安装位置，需要由六个自由度来确定，所以拼装机要实现管片的精确安装，一般也需要由六个自由度，但本次所设计的盾构机中有两个自由度可以由推进油缸来实现，故拼装机只要可以实现四个自由度即可，即实现拼装机轴向回转、水平伸缩、垂直伸缩及管片的周向摇摆定位。拼装机的设计运动参数如表 3-1 所示：表 3-1 拼装机的运动参数运动形式 运动参数 轴向回转回转速度 0-1.5r/min 回转角度 o20管片重心至回转中心的最大距离5150mm推进速度 行程水平伸缩 8-2/s410m提升速度 行程垂直伸缩 50/ 5油缸的最大行程周向摇摆 c3.2 拼装机的拼装要求管片拼装的方式有错缝拼装、对缝拼装等。拼装管片时从下部开始拼装，然后左右交叉依次往上拼装，最后拼装最上部的一块楔形管片，拼装楔形管片时要进行插入拼装。管片拼装是盾构隧道施工的中重要环节，管片拼装的质量直接影响着隧道的质量，所以对拼装机的性能有着较高的要求，具体如下：(1) 拼装好的管片环面要平整，不同块之间不能存在凸凹不平现象；(2) 拼装完的管片环面与隧道设计轴线垂直度要好；(3) 在拼装过程中不能使管片破损；(4) 拼装机在拼装管片时，运动要平稳，不能有过大冲击，定位要准确。由于管片在隧道中起着很重要的作用，所以拼装机在拼装管片时必须达到一定的运动精度。为了检测各运动参数，在拼装机的重要部位设置传感器，如定位传感器、速度传感器等，时刻对运动状态进行检测分析，以便即使调整。在拼装过程中油缸的运动十分关键。在水平运动中，水平油缸推进要平稳，不能有大的冲击，以免在拼装时碰伤管片。在垂直运动过程中，两个提升油缸的同步度要好，否则将会使两油缸的运动无法匹配，可能造成油缸的卡死或者管片拼装的不紧密等问题，所以必须设计合理的液压回路来控制两油缸的运动同步性。 3.3 管片拼装机工步时间规划正常情况下，盾构施工是以掘进尺寸和管片安装为主要内容的多循环制，实行 24h三班制，两个班连续作业，一个班进行机械维修保养。(1)最大每小时掘进速度 maxv盾构机理论最大掘进速度由推进油缸数量、大端直径、进油与掘进机轴线交角和油缸供油流量等决定。管片拼装机实际运行中， 可按如下公式计算：maxv(2-1 )max/24Rvd式中， 为每月进尺速度，m/月； 为最大每小时掘进速度，m/h；d为每月工作天maxv数； 为掘进机作业率，一般取 0.40.6。按最高月进尺速度 来计算，取 ， ，由式(2-1 )可得R=120/v月 =30.5。max=3./hv尽管安装不同位置管片所消耗的时间并不相等，但管片拼装平均时间可作为拼装机设计的重要参考因素之一 。8(2)安装一环管片所需时间 pt安装一环管片所需时间可按如下公式来计算：(2-2)pmaxt=60L/v式中L为管片宽度 ， ，计算可得 ，取L=150max=3./hvPt=36.04min。Pt3in(3)工步时间规划工步 1-完成 4 块标准块的夹取和拼装；工步 2-完成 3 块邻接块的夹取和拼装；工步 3-完成最上部的封顶块的夹取拼装。由管片拼装机的结构决定了封顶块的拼装时需要采用插入式拼装，即在工步中 3 中要比工步 1 和工步 2 中多了一个轴向移动的执行动作。管片拼装的工艺路线与时间规划如表 3-2 所示：表 3-2 管片拼装机工艺路线与时间规划工步执行动作 1 2 3轴向移动 500mm18s500mm18s500mm18s垂直下降 50mm6s50mm6s50mm6s装夹管片 30s 30s 30s垂直提升 50mm6s50mm6s50mm6s轴向移动 500mm18s500mm18s500mm18s旋转 见表注 1径向移动 600mm20s600mm20s600mm20s轴向反向移动 0 0 400mm16s定位微调 30s-60s 30s-60s 30s-40s管片安装 60s 60s 60s径向复位 15s 15s 15s周向复位 15s 18s 20s安装一环管片需要的时间最多为： 36min注 1：由于本次设计的管片拼装方式为错缝拼装，所以每相邻两环中的同型管片的位置不同，在周向上相差一个角度，故在工步 1 和工步 2 中，拼装每片管片旋转的角度和所用时间不同，应随管片的位置和每环的拼装方式变化，但拼装一整环的时间几乎相同。第 4 章 回转系统的设计4.1 回转系统的组成回转系统是整个拼装机的主体部分，在拼装机中起着支撑和回转的重要功能，主要由液压大功率油马达、传动轴、传动齿轮、回转盘体和挡托轮等构成。4.2 大齿圈和小齿轮的设计a.选定齿轮的类型，精度，材料及齿数(以下公式和图表出自文献2 )19625P选定齿轮的类型为标准圆柱直齿齿轮，由于回转盘体的速度不高，所以选用精度等级为 7 级。齿圈材料选用 40CrNi2Mo，调质处理，硬度为 270HBS，强度极限 ，B70MPa屈服极限 ，小齿轮材料选用为 40Cr，调质处理，硬度为 320HBS，强度极限s380MPa为 ，屈服极限为 ，设传动比 ，初定大齿圈的齿数为B1s90Pa6，由此可计算得小齿轮的齿数 ，取小齿轮的齿数 。2z 138.5z138zb.按齿面接触疲劳强度来设计小齿轮齿面接触强度的强度条件是：(4-1)HP齿面接触应力的基本计算公式是：(4-2)tcHE1-Fzdb其中： (4-3)tctK(4-4) AV(4-5)1t2TFdc.确定公式(4-2)中的参数(1)节点区域因数 Hz考虑节点出齿廓曲率对接触应力的影响，并将分度圆上的切应力折算为节圆上的法向力的因数，以节点为危险点计算时的计算公式为：(4-6)bH2ttcosanz式中： -基圆柱螺旋角b(4-7)nbtcos1其中： ；n0t2；-端面啮合角；t-端面分度圆压力角；t由公式(4-8)：(4-8)21tt n-taxinviz可计算 ，由于是标准安装，所以取 。t0t由此可得： 。H2.5z(2)弹性系数 E计算弹性系数的公式为：(4-9)E21-zE由于大小齿轮的材料选用一样且都为钢，查手册可取： ，120.3；计算可得： 。1206GPaEE=189.MPaz(3)重合度因数 z重合度因数 可由公式(5-10)计算出： (4-10)4-3z其中： -端面重合度；(4-11) 1at2a1t=tn-n-2zz -小齿轮齿顶圆压力角；1-齿圈齿顶圆压力角。 2计算可得： 。=.6(4)螺旋角因数 z考虑螺旋角造成的接触线倾斜对接触应力的影响，按公式(4-12)计算：(4-12)cosz计算可得： 。1z(5)计算载荷 tcF可由公式： 计算得出；tAVHtKF其中： -使用因数，查表 2.4-10 可得： ；A1.35K-动载系数，可由公式(5-13)：V(4-13)211V2At0zKFb计算得出：查表 2.4-4 可得： ，126.8,0.193最后计算得： 。VK-齿向载荷分布系数，由表 2.4-12 可计算得： ；H H1.20K-齿间载荷分布因数，由表 2.4-14 可查得： 。 由此可计算得： AV1.352.01.82K 式中： -小齿轮上的圆周力，tF其中： ， ；1t2Td=总-齿宽系数，取 ；dd0.5(6)许用接触应力 HP许用应力的计算公式为(5-14)：(4-14)HlimHPTLvRWX=zS(7)寿命因数 NTz考虑有限寿命齿轮的许用应力可以提高的因数，看根据应力循环次数由图 2.4-5 查出，由于齿圈的运转次数较少，应力循环次数按公式： 来计算。Lh60nNk其中：n-小齿轮的转速，取 n=1.0r/min；K-齿轮每转的接触次数，k=1；-齿轮的工作小时数， 计算可得 =3000h；hLh可得： 。N=180查图 2.4-5 可知： 。NT.1z润滑油膜的影响因数 LvR由于实际的应力循环次数 ， ，06=1所以可按静强度选取油膜的影响因数，取 。LvRz齿面工作硬化因数 ，取 。Wz尺寸因数 X可由图 2.4-7 查得： 。=1.0z最小安全因数 HLimS可由表 2.4-17 得出参考值 。HLim.3接触疲劳极限 Him由图 2.4-4 可查得 。i=850MPa由以上各系数可计算得：(4-15)HlimHPTLvRWX=719MPazSd.由公式(4-1 )和(4-2)可导出小齿轮的分度圆直径的计算公式为：(4-16)2HE131dP2-zK:由此可计算得 的最小值为： ，取 。1d1=65m1=60小齿轮的直径 ， ，可得小齿轮的模数 ，查表 2.4-=6038z 17.4mdz3，选取模数为： 。小齿轮的分度圆直径为： ；18m1=83=6大齿圈的分度圆直径为： 。2=1823=45mdze.按齿轮的抗弯强度来校核(1)齿轮的抗弯强度的强度条件是： FP齿根的弯曲应力的计算公式是：(4-17)tcFsn=Ybm复合齿形因数 FsY综合考虑齿形和齿根应力集中对齿根弯曲应力的影响因数，查图 2.4-8 可得：；Fs=4.35Y重合度因数 Y重合度因数是将载荷作用于齿顶是的齿根弯曲应力折算为载荷作用在单对齿啮合区上界点时的齿根弯曲应力的因数，可由公式： （4-2bcos=0.25+7Y18）计算得 。=0.72Y式中： -端面重合度；-基圆柱螺旋角；b螺旋角因数 Y螺旋角因数可按公式(4-19)来计算：(4-19)=max1-,-0.25Y由于 ，所以计算 。01计算载荷 tcF由公式： 来计算。tAVFtK查表 2.4-10 2.4-14 可得公式中的各个参数分别为：:， ， ， ；A=1.35.12F=.0F1.3K；5t12.40NTFd；5tcAVFt=.791K计算宽度 b由于取 ，所以 ；d0.5d1=342mb计算 F由 tcsn=Ybm计算可得： 。F2.53MPa(2)计算许用齿根弯曲应力 F其计算公式为：(4-20)FlimFPNT relRlX=2YS寿命因数 NTY由应力循环次数可从图 2.411 中查的 ；NT1.Y相对齿根圆角敏感因数 relTY可按表 2.4-18 选取 ； rl1相对齿根表面状况因数 R relT由实际工作条件可按静强度来计算，从图 2.4-12 中可查的 ；R relT1Y尺寸因数 X齿轮尺寸只对疲劳强度有影响，而对静强度没有影响，所以取 ；1Y最小安全因数 FlimS由表 2.4-17 可得推荐值 ；Fli1.6弯曲疲劳极限 lim由于回转盘体是双向运转的，所以 应乘以 0.7 作为最终的弯曲疲劳极限 ，FlimFlim查图 2.4-10 可得： Flim=350.724MPa(2)计算 FP FlimFPNT relR lTX2=3