盾构机换刀重载机械臂结构设计与动力学分析

吴青考¹，李庆党^1,2，李 超^1

(1. 青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266100）

(2. 青岛科技大学中德科技学院，山东 青岛 266100)

基金项目：山东省科技创新工程资助项目（2017CXGC0607）

作者简介：吴青考（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为智能制造1576177295@qq.com.

通讯作者：李庆党，男，教授，lqd@qust.edu.cn.

摘要：为解决盾构机磨损滚刀的自动化更换难题，设计了一种七自由度重载机械臂，该机械臂可用于直径为6.28 m的土压平衡式盾构机的自动化换刀系统。通过分析机械臂的设计依据，利用UG设计了七自由度机械臂的三维结构，完成了对机械臂主要动力部件的设计与选型，并通过对处于盾构机三维模型内部极限换刀位姿下的机械臂进行空间装配验证，确定了机械臂的工作范围。利用ADAMS软件创建了机械臂的虚拟样机模型，对机械臂于刀箱中抽取滚刀的动作过程进行运动学仿真，得到机械臂的运动特性参数，验证了机械臂结构设计的可行性和合理性。

关键词：盾构机；重载机械臂；自动化换刀；运动学仿真

中图分类号：TH112   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)12-0016-05

近年来，在城市地下铁道的建设中，盾构施工法以其良好的防渗漏水性能、施工安全快速、对周围环境影响小等优点，已经成为地铁施工的主要方法之一，并给实际工程带来极大的便利^［1］。盾构机作为一种地下掘进施工的专用工程机械，在掘进过程中安装在刀盘上的刀具不可避免地会发生磨损，而换刀作业是一项费时费力且风险系数极高的系统工程。目前，盾构机换刀作业仍以人工换刀方式为主。人工换刀时，土仓内封闭、高温、高压的恶劣环境会对施工人员造成极大的影响，并且地下工作空间狭小会增加工作人员逃生难度、增大换刀危险性，无法保障换刀人员的生命安全^［2］。设计一套盾构机智能换刀系统是当前相关研究的重点，由于盾构机内部舱室结构复杂且空间紧凑，各类自动化换刀方案都对盾构机本体或刀盘进行了二次设计改造，使得自动换刀系统的研究成本过高^［3-4］。而以重载机械臂作为换刀系统核心装备的方案能有效避免上述问题，因此对重载机械臂换刀作业的研究有重要意义与价值。

1. 重载机械臂设计依据及性能要求

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本文以开挖直径为6.28 m的土压平衡式盾构机的17英寸单刃滚刀为换刀作业对象，其换刀作业流程主要包括刀盘清洗、刀具磨损检测、刀具拆卸和刀具搬运吊装等。其中，滚刀的搬运作业是换刀过程中机械臂的最大载荷作业状态。

根据对盾构机各舱室内部空间尺寸及盾构机刀盘上滚刀布局的分析，结合换刀作业时机械臂的动作及功能要求，确定机械臂的性能要求如下：

1）机械臂本体的最大臂展小于1.5 m，活动跨度2.8 m；

2）机械臂作业过程中不能与直径为0.6 m的盾构机土仓门产生干涉，机械臂运动处于低速平稳状态；

3）机械臂负载能力达250 kg；

4）机械臂具备快换接头。