1P5R型管片拼装机构分析及设计

以宁波轨道交通3号线一期工程的类矩形盾构机为依托，分析了类矩形管片拼装的难点。利用机构学知识，综合传统圆形拼装机构和该工程管片的特点，创新研发了一种1P5R串联型拼装机。结合对该拼装机机构形式和结构原理的介绍，探讨其特点及优势：体积小，动作灵活，可以实现90。以上的姿态调整；既能够完成类矩形圆周管片拼装，又能完成大长度中立柱的拼装。

随着城市现代化的推进，为了更合理地运用有限的地下空间，矩形或类矩形等异形断面隧道被越来越多地应用到城市隧道工程中。矩形断面的隧道尺寸越做越大，施工距离越来越长。当前市场上缺少矩形盾构机，投入到工程应用的矩形或类矩形隧道掘进机主要以顶管形式为主，不具备管片拼装机等设备，管节跟随掘进机体一同向前顶进，施工条件受到很大限制。而传统圆形盾构所用的管片拼装机受拼装机械手活动范围限制。无法直接应用在矩形等异形隧道掘进机上，因此对可用于矩形及其他异形断面的管片拼装机进行研究有重要的意义。
国内多家机构对盾构管片拼装机进行了研究，提出了～些新的拼装机构类型。如武汉大学喻萌、程燕采用虚拟样机技术研究了回转加摆臂式拼装机；上海交通大学黄业平等人研究了基于3一RPS并联构型的管片拼装机构；钱晓刚研究了采用球面二自由度的空间五杆机构来实现拼装自由度小，为隧道管片拼装技术提供了新的思路。
本文以应用于宁波市轨道交通3号线一期工程出入段线的类矩形盾构机为依托．对其管片拼装机进行研究。受施工区域空间条件限制，项目采用类矩形断面管片，中间设置立柱，两侧区域分别供2条轨道线路使用，管片外廓尺寸为11．50 m×6．94 m。

针对T程中所用的类矩形特殊断面，项目借助工业机器人理念，综合机械工程理论、数学方法、控制理论、电气工程技术以及计算机软件技术等，采用双串联机器臂式拼装机构，达到六自南度管片拼装功能，同时满足特殊空间角落的拼装能力。
l类矩形管片特点
类矩形管片有如下特点。
(1)隧道断面大。外廓尺寸宽11．50 m，高6．94 m。
(2)管片结构复杂。单环管片分为11片。中间设置立柱，立柱高度为5．22 m。
(3)错缝拼装。要求左右拼装机均能完成各块管片的拼装。
管片断面及分块如图1所示。

管片断面为非圆形，内部用于管片拼装的空间也为非圆环形；管片形状为非统一圆弧，有单一圆弧，有两段圆弧，中立柱管片为直线，拾取点处网弧为非统一圆心；拾取点为非质心，机械手需要承担较大力矩。管片长度空间比非常大，已超过o．8，且管片形状为大长度直线管片，而拼装空间近环形，管片无法在拼装空间平面拼装，常规圆形拼装机长度空间比均为0．4左右，管片形状与拼装控制相似，无法完成本工程管片拼装功能，需要突破传统的拼装思路。
2传统圆形拼装机分析
目前。圆形拼装机将管片拼装成一个圆柱形衬砌，如图2(a)所示，常规圆型拼装机如图2(b)所示。拼装机构简图如图2(c)所示，位置控制机构为PRP结构形式。第一个运动副为沿Z轴移动的大平移机构，是一个冗余滑动副(P)；第2个运动副为沿(9方向的旋转机构，是一个旋转副(R)；第3个运动副为沿f0方向移动的径向移动机构。是一个冗余滑动副(P)。执行机构运动副与运动坐标系一致，结构简单无需运动耦合。

投稿会员：芳华