刘玉浩
中煤第三建设（集团）有限责任公司市政工程分公司安徽省合肥市230000
摘要：随着我国城市地下交通建设进程的加快，盾构施工技术已成为国内工程界的研究热点，而保证隧道成形质量的主要设备是管片拼装机。它的作用是将管片安装到刚开挖好的隧道表面，形成砌体，使隧道一次成型。要实现对管片拼装的准确定位，就必须采用电液控制技术。本文通过对管片拼装机旋转部分进行电气液压整体控制进行分析。
关键词：盾构；管片拼装机；电液
管片拼装机，是安装在盾尾、可以快速将管片拼装固定的起重设备。进行开挖后的隧道需要预制好的钢筋混凝土管片进行长久性保护，管片拼装机的功能就是将管片快速准确地安装到开挖好的隧道表面，用来支护隧道表面，防止地表沉降和地下水的渗透。盾构管片的拼装机构为一种典型机电液产品，也是盾构机的重要组成部分。管片拼装机的功能会直接影响管片拼装质量与隧道的施工效率。
一、盾构管片拼装机的原理
管片拼装机可以通过扣头固定管片，升降油缸来提升管片，平移机构会提起管片移动到拼装的横断面位置，回转机构将管片旋转到安装的径向位置，完成管片在隧道中的初步定位。然后，通过偏转油缸、俯仰油缸以及举升油缸等不同的伸缩微调来定位，当该环管片的螺栓孔与上一环管片的螺栓孔同时对齐时，一环管片安装完毕。最后，利用螺栓将环向与轴向相邻的管片依据一定的力矩开展衔接，从而实现管片的拼装。上面的整个过程完全自动化，管片拼装机在空间内实现自由度的无干涉运动。在实际工作时，管片拼装一般依据以下的顺序拼装管片：供给管片—夹持锁紧管片—提升管片—初定位管片—微调管片—螺栓连接。
二、盾构管片的拼装机结构
1、管片夹持部件。管片的夹持部件含有提升横梁、中心球关节轴承、扣头油缸、扣头持重座、扣头螺栓、扣头、偏转油缸以及俯仰油缸等。扣头螺栓预装在管片之上，通过平移机构、回转机构以及举升机构，将管片装机上的扣头与扣头螺栓对位，之后再通过扣头油缸将管片紧密地扣在扣头的持重座上面。在管片初步定位后，俯仰油缸用来调整管片绕着Y轴的俯仰角，偏转油缸调整管片绕Z轴的偏转角，摆动的角度为＜±3°。管片夹持部位利用真空吸盘的模式吸住管片。真空吸盘装置具有管片夹持简单、拼装平稳以及碎裂现象少等优势，广泛应用于盾构施工。
2、提升机构。提升模块主要由两升降油缸构成。升降液压缸套筒固定在旋转盘体两侧，利用两根活塞杆的同步伸缩运动，带动液压缸下方管片夹持部件的径向提升运动。在管片初定位后，可以通过改变两升降油缸的行程差，使得管片绕X轴的横摇摆动角度＜±3°。管片拼装机径向运动的范围较大，形成可以达到1000mm以上，径向定位比较精确。
3、平移机构。平移机构布置在行走梁模块，可以顺着行走梁的导轨槽移动。平移机构含有移动盘体、平移油缸以及三个支座。利用平移油缸的伸缩，使移动盘梯与安装在其上部的旋转盘梯、管片夹持部件等沿着行走梁的导轨槽做往复运动，进而使管片沿隧道轴向运动。轴向运动的最大行程为2000mm。移动盘体作为旋转盘体的固定支架，承受并传递旋转盘体的重量和管片的负荷。在移动盘体上安装驱动旋转盘体的马达。行走梁利用螺栓安装在盾尾，行走梁一共含有两段。两段采用左右对称的模式分布，其上面分别含有导轨。行走梁形状狭长导轨与承重的载体同时属于悬臂梁结构，所以采用变截面形状的箱梁结构可以改变受力。
4、回转机构。回转机构含有液压马达、减速器、小齿轮、回转支撑等零部件。整个回转机构的动力传递过程，为液压马达—加速器—传动轴—传动小齿轮—回转盘体。回转盘体通过回转轴承安装在移动盘体上，小齿轮、回转轴内齿圈啮合形成一级直齿圆柱模块传动。液压马达的输出扭矩与转速通过减速器传递给小齿轮，之后经过小齿轮与回转轴承内齿圈内部的圆柱齿轮传递给旋转盘体，进而可以驱动旋转盘体连通安装在其上面的提升机构、管片夹持部件以及管片的旋转运动，圆周回转角度为±200°。管片拼装机实际使用时，其中的一个马达安装有光电码盘的传感装置，用来周向定位，以便将管片精确安装到预定位置。
三、盾构管片拼装机电液控制的方法
该系统主要完成从管片抓取到管片被装成管片环的一系列过程，盾构顺利掘进完一环后，管片拼装机负责将管片安装到刚开挖的隧道表面，形成砌体，以此来支护新开挖的隧道表面。可以说管片拼装系统的好坏直接影响盾构施工的工程质量。管片要完成拼装，拼装设备需要具有以下方向的动作：纵向平移、径向直线运动、圆周方向旋转运动、管片姿态调整的平台旋转、平台摆动、平台侧倾，以及固定管片的抓持运动。
拼装系统中以圆周方向旋转运动控制是最为主要的组成部分，因此本文以6.28m的维尔特盾构机的为例，着重其旋转运行电液控制分析。管片机旋转运动控制要求：双向大范围转旋，旋转范围+220°，最大旋转半径3000mm；旋转负载大，要求最大旋转扭矩162KNm，静止扭矩330KNm。
首先了解电液控制的原理。液压传动系统一般含有一个或几个基本液压回路，包括控制执行元件运动速度的速度控制回路，控制液压系统全部或局部压力的压力控制回路，用来控制执行元件运动方式的换向回路。功能复杂的液压传动系统由多个不同功能的基本液压回路组成，这些回路组成的系统实现了机械设备所需的各种运动及控制功能。通过对液压传动系统的工作过程和特点进行分析，我们知道液压传动系统控制的任何一个运行过程几乎都是按顺序进行的。工作部件主要液压油缸、液压马达，它们的工作过程按预定逻辑关系统实现。运动状态的改变依靠转换信号，信号主要来源于按扭开关、行程限位开关、压力开关以及温度、压力等参数变化。这些输入信号再通过PLC逻辑运算转化为控制放大模块的输出信号，经过信号放大，原来毫安级的小信号放大到可控制电磁线圈的安培级电流。
再回到管片旋转液压系统中，泵头输出的液压油先经减压阀后，由电磁比例溢流阀FV5012设定系统压力，再提供给电液比例阀FV511X控制供油量大小，调节正反向速度。电液比例方向阀出口的压力油大部分进入马达平衡模块(也称液压锁)，而另外一小部分则经过梭阀ZV5115自动选取两端油口最高压力。然后通过二位三通阀EV5108去控制液压马达制动油缸。马达平衡制动阀组在管片拼装机旋转液压系统中占有重要地位，主要用于防止管片在旋转停止后滑落，造成事故。除了设置液压锁外，马达还设有机械制动。这样管片拼装机回转运动的安全保护措施就可以有液压制动、机械制动双保险，并可达到无泄漏保压，安全性能得到提高。在管片拼装机实际使用过程中，其中在大齿圈上安装有角度编码器90A0，用于周向定位，以便将管片精确安装到预定位置，并在管片拼装机旋转系统中起到旋转限位的作用。
管片拼装是盾构施工时候的关键技术。管片拼装机的正常工作是拼装管片的根基。如今，我国的盾构施工中还存在大量采用人工进行拼装的管片，不仅会增加工人的施工量，而且拼装效率与精度较低。在之后的管片拼装机发展过程中，管片的拼装应该朝着自动化方面发展。本通过对于管片拼装机的机构进行细致分析，提出了盾构管片拼装机电液控制。
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