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掘进机用管片拼装机回转机构设计与分析

范文

程晓晓

摘要：目前，国内城市地铁建设迅速发展，盾构机施工已经成为大多数城市地铁隧道施工中的首选工法，管片拼装机作为安装衬砌管片的机器手，其管路设计特别是管路回转机构的设计对管片拼装机旋转角度的设计有重要影响。本文针对管片拼装机管路回转机构进行设计，并针对现有的管路回转机构进行了原理分析、结构计算说明及优缺点分析;为后期管片拼装机管路设计提供了技术参考。

关键词：管片拼装机;回转;设计;分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.053

0 引言

随着现代化程度的提高，掘进机在地铁、水电、煤矿等需要进行地下挖掘的领域正得到越来越广泛的应用[1-3]。在国内，掘进机根据掘进方式及工程地质等方面的不同又分为盾构机、TBM（敞开式、单护盾、双护盾）、顶管机等类型。盾构机以及部分TBM在隧道掘进过程中会使用管片拼装衬砌，对隧道进行保护。隧道管片环一般采取对不同分块管片旋转特定角度拼装的形式，因此顶部管片拼装时旋转角度需要大于180°。由于管片拼装机抓取、微调管片需要一定数量的液压、电气管路提供动力，故需对相应管路回转机构进行针对性设计。

1 管片模型

本文以某城市地铁隧道用管片为例进行说明。管片外径6m，分为6块，如图1所示。在该图中，拼装顶部管片时，管片拼装机需旋转理论量为180°。因此，为保证旋转余量，设計管片拼装机旋转角度±200°。

2 管路回转机构设计

常用的回转机构，不同的厂家设计有不同的结构。概括来说，可分为拖链式、导轮式、卷线轮式3种不同的机构。

2.1 拖链式

该种机构常见于海瑞克、中铁装备、铁建重工等厂家。

拖链双向回转各200°，使用电气元件控制。结构采用管路支架引导及保护。不同直径的管片对应设计有不同的管路支架及拖链。管路支架及拖链旋转角度分析如图2-3所示。

拖链内圈固定，外圈旋转。图示R1、R2、R3均相对于拖链中心线定义，为管片拼装机其他结构确定后的尺寸，该处可作为已知条件。假设拖链总长度为L。则角度α、β、L为需求解参数。

图2中，拖链由外圈固定端A沿顺时针转动角度δ（200°）至点B。图3中，拖链由外圈固定端A沿逆时针转动角度δ（200°）至点D。

由图2-3及已知条件列方程：

该处以铁建重工参数为例代入已知条件：R1=1600mm，R2=1915mm，R3=157.5mm。

可得：

α=1.5889=91.04°;β=0.3128=17.9°;L=6580.4mm。

根据拖链总长度尺寸L，可进一步确定拖链参数。

2.2 导轮式

该种机构常见于NFM等厂家。

导轮式回转机构原理简图如图5所示。

图中，点E、F为管路的输入端，相对固定;点G、H为管路输出端，在管片拼装机其他部件的驱动下，拉动管路绕中心点O转动;D为导轮，被动旋转。

采用该方式，回转角度理论上可360°转动，范围大，空间占用也较小。但该方式对管路质量及相对滚动装置的要求极高，在隧道施工经常出现泥浆、喷涌等环境中，易出现滚动装置卡死、管路经常磨损更换等情况。图6所示为12局某工地施工情况，图7所示为20局某工地施工情况。图6中所示磨损为滚动轮因泥浆导致卡死，管线直接滑动摩擦。

2.3 卷线轮式

该机构常见于日式盾构、罗宾斯、海瑞克（小盾构）等厂家。

卷线轮式回转机构原理简图如图8所示。图9所示为11局某工地采用卷线轮的情况。

图中，J为卷线轮，一般固定于机架上面;管路K固定于管片拼装机旋转机构，在回转力矩驱动下，拉动J中卷绕的管路。

该结构回转角度理论可达360°，可在隧道直径小、回转驱动力较小时使用。大直径也有使用，但对管路要求较高，管路经常处于卷绕或者受拉状态，易出现损坏。

3 优缺点分析

管片拼装机的抓取、旋转等操作，均需要相应液压、电气管路提供动力。在维持管片拼装机使用功能的前提下，首先应确保管路的正常使用。

表1内所示为3种管片拼装机回转机构的优缺点分析对比。

4 结论

根据以上分析，管路回转机构的设计与选择应在保护管路的前提下，根据具体的工况、预留空间的大小、管路性能等确定。

（1）在空间允许的情况下，优先选择拖链式。管路无附加外力与摩擦力。

（2）空间较小时，可选择导轮式与卷线轮式。这两种方式运行时管路均受到不同程度的拉力，导轮式更有可能导致滑动摩擦磨损。

参考文献：

[1]王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧道建设，2010，30（04）：351-364.

[2]张占强.全断面掘进机管片拼装机设计研究[D].长春.吉林大学，2009.

[3]Yukinori Koyama.Present status and technology of shield tunneling method in Japan[J].Tunneling and Underground Space Technology，2003（18）：145-459.

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