六自由度盾构管片拼装机运动学和动力学仿真.pdf

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1、缸械第45卷I第4期总第486期六自由度盾构管片拼装机运动学和动力学仿真*苏丽达’，张碧’，何恩光，赵海峰z1．吉林大学机械科学与工程学院；2．北方重工集团有限公司全断面掘进机国家重点实验室摘要I设计用于城市地铁工程6．28rrl土压平衡盾构配套使用的管片拼装机，并建立数字样机模型。通过对管片拼装机进行运动学和动力学仿真分析，获得了各驱动部件的动力学特性以及升降液压缸端部的受力情况，表明所设计的管片拼装机的机构运动原理合理，为动力系统的选型设计提供了依据，并为零部件的强度校核提供了边界条件，缩短了设计周期。关键词：盾构；管片拼装机；运动学仿真；动力学仿真；ADAMS盾构施工法目前已成为地铁隧道

2、、公路隧道、铁路隧程中，可随时按照优化建议或市场用户需求修改参数，改道、过江隧道和城市市政各种隧道工程施工的主要方法。进虚拟样机，最大限度保证设计的可靠性，大大缩短产品管片拼装机是盾构掘进机的重要组成部件之一，管片拼的设计开发周期，降低了成本。装机的正常工作是盾构稳定施工的前提。所以，研究设计具有自主知识产权高效安全的全自动管片拼装机是极为1管片拼装机的结构组成及工作原理必要的。管片拼装机安装在盾体中心位置，在盾尾运行，按照由于自动管片拼装机是一个极其复杂的大型机构，功能可以划分为提升系统、平移系统、回转系统及管片抓需要考虑多种因素，故其物理样机试验必须模拟不同工取装置(如图1)，能实现管片锁

3、紧、平移、回转、升降、仰况，费时费力，附带的各种检测设备使得物理样机单机成俯、横摇和偏转7种动作，除锁紧动作外，其余6种动作本极高。同时试验过程中的破坏性很大，反复试验不仅因与管片的6个自由度相对应(如图2)。造成损害而大大提高了设计成本，而且延长设计周期。采拼装时由喂片机将管片送至管片安装抓取区域，管用虚拟样机技术，建立数字样机模型，模拟拼装机的各种片拼装机将管片夹持锁紧，通过平移、回转和举升机构工况，快速分析多种设计方案，可以完成物理样机无法进对管片进行平移、回转、伸缩的初调定位，然后微调机构行的危险试验，及早发现问题并解决问题。同时在仿真过液压缸联合作用对管片姿态进行控制完成微调定位，一

4、基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2012CB724306)作者简介：苏丽达(1988一)，女，吉林松原人，在读硕士，研究方向：现代设计理论与方法。一l工I艏设计·计算DesignandCatcu1．ationP—R—P型(P分别表示沿轴和l，轴的移动副，R表示绕轴的转动副)串联粗定位机构；为实现拼装机横摇、俯仰和偏转运动，采用3-SPS一1一S型(由3个分支连接固定平台日和运动平台6626，每个分支由一个移动副P和两个球面副S按照S-P—S的顺序串接，两个平台之间由一个S副连接)并联微调机构。与图1相对应的构型简图如图3所示。l23451．回转系统2．平移系统3．提升

5、系统4．微调机构5．管片抓取装置图1盾构管片拼装机图3管片拼装机构型方案串联机构杆件编号为：基座0，平移机构1，回转机构2，举升机构3，分别建立基坐标系Oo-X。roZo，各杆件坐标图2管片的自由度系0-Xl，ZI，02-Xy，0-XY。串联机构的杆件参数如表1所示。其中角度表示沿置轴，从旋转到z+的环安装完成后，将管片间的连接螺栓拧紧，进行下一环的距离，哦表示沿置轴，从移动到z+的距离。假设部件1拼装。对于部件0线速度为，部件2对于部件1的角速度为：。，部件3对于部件2线速度为，运行时间为t。则表12管片拼装机运动学分析中的3个关节变量分别为：d表示平移机构移动的距离，2．1管片拼装机设计要

6、求其值为Vl；表示回转机构转过的角度，其值为∞：t；d3本设计是给用于城市地铁工程的6．28m土压平衡盾构配套使用的管片拼装机，最大抓取管片质量为4500表1D—H杆件坐标参数表kg，径向举升机构的行程为1000mnl，轴向平移机构的行OdicosotiSln．程为2100111111，周向旋转机构的旋转角度为±220。，微10vlot00l0调机构横摇、俯仰、偏转角度均为±2．5。，管片安装速度不超过30IIliIl／环。2o)21tO090。012．2管片拼装机构型30v32t001O为实现拼装机的平移、回转和举升运动，本设计采用46Ij工缸械l12014·4杠械第45卷I第4期总第486

7、期表示提升机构的提升距离，其值为v32t。COS(2lt)0则0-Xy坐标系统最终在基本坐标系统中的运sin(21t)1(3)动位姿可表示为：00=野(1)00式中：为串联机构末端最终在基准坐标系中的运动位000姿矩阵；。为从1号部件坐标系到0号部件坐标系之间100(4)的变换矩阵，其他类推。相应的位姿变换矩阵为：01v32t100000l010O分别带入式(1)，得：OTl=(2)001l0tC