盾構(gòu)管片鋼筋籠平面網(wǎng)片自動成型模塊設(shè)計與應用

王百泉， 彭 濤， 尚 偉， 謝 韜

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458；2. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

在盾構(gòu)隧道修建過程中，隨著盾構(gòu)掘進，盾構(gòu)管片拼裝成環(huán)，形成隧道永久結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)管片是由盾構(gòu)管片鋼筋籠與混凝土錨固結(jié)合形成的不同尺寸的弧形混凝土構(gòu)件，其中盾構(gòu)管片鋼筋籠由呈弧狀的多個盾構(gòu)管片平面網(wǎng)片組成，平面網(wǎng)片的成型質(zhì)量與效率是影響鋼筋籠成型的關(guān)鍵因素。

在鋼筋和盾構(gòu)管片鋼筋籠加工方面，不少學者進行了相關(guān)研究。秦漢禮[1]對盾構(gòu)隧道鋼筋混凝土管片制作技術(shù)進行了研究，論述了管片的設(shè)計與制作工藝、試驗方法、生產(chǎn)工序以及運輸中應注意的事項； 張磊[2]對地鐵盾構(gòu)隧道預制管片施工技術(shù)進行了研究； 王波[3]對成都地鐵盾構(gòu)管片預制生產(chǎn)線設(shè)計及質(zhì)量保證措施進行了研究； 禹海濤等[4]研究了考慮內(nèi)部預制結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道抗震性能； 楊紹斌等[5]對自動鋼筋加工生產(chǎn)線在港珠澳大橋沉管預制中的運用進行了研究； 邱榮祖等[6]對我國成型鋼筋加工配送現(xiàn)狀與發(fā)展對策進行了分析和研究； 林雄[7]對用于混凝土結(jié)構(gòu)的成型鋼筋加工配送中心選址進行了研究； 王百泉[8]對盾構(gòu)管片鋼筋籠自動加工設(shè)備設(shè)計及應用技術(shù)進行了研究； 李荊[9]對盾構(gòu)管片鋼筋籠加工設(shè)備物流系統(tǒng)設(shè)計進行了研究。

綜上所述，關(guān)于盾構(gòu)管片鋼筋籠自動加工設(shè)備的研究主要涉及整個生產(chǎn)線的總體設(shè)計、生產(chǎn)工藝及各主要組成模塊的簡要敘述。結(jié)合此前的工程應用情況，平面網(wǎng)成型模塊生產(chǎn)的平面網(wǎng)片還存在焊接應力集中、接頭不齊等問題，影響其生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

本文結(jié)合佛莞城際FGZH-3標項目盾構(gòu)鋼筋籠平面網(wǎng)片結(jié)構(gòu)型式，在此前的研究基礎(chǔ)上進行超大直徑盾構(gòu)管片鋼筋籠平面網(wǎng)片自動成型模塊的深入研究，對平面網(wǎng)片自動成型機、平面網(wǎng)片橫筋落料與焊接機構(gòu)、彎弧機構(gòu)、主筋焊接裝置、吊運機構(gòu)等內(nèi)容進行優(yōu)化設(shè)計，并研發(fā)網(wǎng)片定型機構(gòu)、內(nèi)外弧形拼接調(diào)整模具、主筋自動焊接機構(gòu)等。該模塊在杭州建筑構(gòu)件集團有限公司成功得到了應用，實現(xiàn)了盾構(gòu)管片鋼筋籠平面網(wǎng)片從鋼筋落料至平面網(wǎng)片一次高效成型，提高了加工質(zhì)量，有利于提高管片鋼筋籠的整體生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量。

1 依托工程概況

佛莞城際鐵路位于珠三角地區(qū)的中南部，其中廣州南至望洪段位于廣州市番禺區(qū)和東莞市麻涌鎮(zhèn)、望牛墩鎮(zhèn)、洪梅鎮(zhèn)。本項目依托佛莞城際FGZH-3標，線路從廣州市番禺區(qū)石樓鎮(zhèn)，向東途經(jīng)珠江獅子洋后進入東莞市麻涌鎮(zhèn)內(nèi)，線路全長 6 476.4 m。盾構(gòu)區(qū)間開挖直徑13.61 m,所采用管片內(nèi)徑12 000 mm，外徑13 100 mm，環(huán)寬2 000 mm，厚550 mm。標段線路施工范圍見圖1。

盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥、淤泥質(zhì)土層、中風化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥巖、強風化泥巖。

圖1 佛莞城際鐵路FGZH-3標施工范圍

Fig. 1 Plan of FGZH-3 standard project scope of Foshan Dongguan Intercity Railway

2 設(shè)計方案研究

2.1 總體方案設(shè)計

平面網(wǎng)片成型模塊作為盾構(gòu)管片鋼筋籠生產(chǎn)線加工設(shè)備的核心部分，基本功能是完成單個網(wǎng)片的彎曲和成型焊接以及配置原料與成品的轉(zhuǎn)運。該模塊主要由鋼筋物流吊裝、鋼筋輸送軌道、平面網(wǎng)片成型機、平面網(wǎng)片吊裝機和平面網(wǎng)片輸送裝置等組成。通過液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及焊接機器人，確保鋼筋彎曲尺寸精確，焊接效率提高、質(zhì)量可靠。整套平面網(wǎng)片成型模塊布置如圖2所示。

1—鋼筋物流吊裝； 2—鋼筋輸送軌道； 3—平面網(wǎng)片成型機； 4—平面網(wǎng)片吊裝機。

圖2 平面網(wǎng)片成型模塊布置圖

Fig. 2 Layout of plane mesh forming module

平面網(wǎng)片成型模塊共配置4臺平面網(wǎng)片成型機，每2臺對稱布置，上料由置于成型機之間的鋼筋輸送機完成，通過鋼筋輸送機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)左右送料。成型機將成品加工完成后再由物流系統(tǒng)吊運至平面網(wǎng)片輸送軌道上，輸送至平面網(wǎng)片存儲區(qū)域。

2.2 鋼筋輸送軌道

鋼筋輸送軌道專門用于鋼筋料倉與平面網(wǎng)片成型機之間的鋼筋輸送，起連接作用。該模塊共配置2套鋼筋輸送軌道，每套由2組輸送軌道組成，分別輸送平面網(wǎng)片的內(nèi)弧筋和外弧筋。該輸送軌道為采用鏈條傳動的自動輸送軌道。鋼筋輸送軌道由支撐架、輸送輥與輸送電機、防護罩等構(gòu)成。輸送輥裝置及輸送電機等安裝于由型材焊接的機架上。該軌道特點為輸送平穩(wěn)、輸送能力強，可輸送大直徑鋼筋。鋼筋輸送軌道如圖3所示。

1—輸送電機； 2—支撐架； 3—輸送輥。

圖3 鋼筋輸送軌道 (單位： mm)

Fig. 3 Steel bar conveying track (unit: mm)

2.3 平面網(wǎng)片成型機

平面網(wǎng)片成型機主要由彎弧裝置、橫筋焊接裝置、焊接機械手、彎曲機頭、牽引機構(gòu)和主機架等組成。平面網(wǎng)片成型機總裝見圖4，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1—彎弧裝置； 2—橫筋焊接裝置； 3—左側(cè)焊接機械手； 4—左彎曲機頭； 5—牽引機構(gòu)； 6—右彎曲機頭； 7—右側(cè)焊接機械手； 8—主機架。

圖4 平面網(wǎng)片成型機總裝

Fig. 4 Plane mesh forming machine assembly diagram

該設(shè)備采用PLC控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電阻焊系統(tǒng)及焊接機器人，保證了彎曲精度及焊接質(zhì)量，焊接效率也大幅提升。

表1 平面網(wǎng)片成型機主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main technical parameters of plane mesh forming machine

項目 技術(shù)參數(shù)鋼筋傳輸速度/(m/min)30彎曲鋼筋直徑/mm20～38加工效率/(片/min)1功率/kW15.8阻焊功率/kW100工作環(huán)境溫度/℃0～40工作環(huán)境濕度/%30～85長×寬×高/(mm×mm×mm)6 500×8 000×1 130

2.3.1 彎弧裝置

彎弧裝置主要由機架、主動輪、從動輪和驅(qū)動裝置等部件組成。該裝置可將直條鋼筋設(shè)置在2個壓輪和1個支撐輪之間，通過對直條鋼筋的擠壓彎弧作用，形成外弧鋼筋和內(nèi)弧鋼筋，并由牽引裝置驅(qū)動外弧鋼筋和內(nèi)弧鋼筋成型，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。彎弧裝置立體圖如圖5所示，兩面肋鋼筋如圖6所示。

1—上壓輪； 2—調(diào)整絲杠； 3—主動輪； 4—驅(qū)動電機減速機； 5—機架； 6—離合器。

圖5 彎弧裝置立體圖

Fig. 5 Diagram of arc bending device

圖6 兩面肋鋼筋

2.3.2 橫筋焊接裝置

橫筋焊接裝置主要由變壓器、銅導線、焊接電極、焊接氣缸、儲料斗和安裝機架等部件組成，見圖7。

1—變壓器； 2—銅導線； 3—焊接電極； 4—焊接氣缸； 5—橫筋儲料裝置； 6—安裝機架。

圖7 橫筋焊接立體圖

Fig. 7 Diagram of transverse bar welding

橫筋焊接裝置主要實現(xiàn)橫筋落料和電阻焊焊接2大功能，完成各種機械動作的控制、時間控制和電流控制等。焊接主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計有可控硅焊接變壓器、分支切換、電極加壓裝置、焊接電源、控制電源、可控硅控制信號、電極加壓信號、啟動開關(guān)、焊接控制裝置等， 如圖8所示。

圖8 電阻焊焊接主回路電原理圖

該裝置具備橫筋自動落料和電阻焊等功能，可實現(xiàn)平面網(wǎng)片橫筋的自動落料與焊接，焊接質(zhì)量可靠。

2.3.3 彎曲裝置

彎曲裝置主要由彎曲軸、彎曲主軸、擺動油缸和行走電機等部件組成，主要功能是在平面網(wǎng)片橫筋焊接完成后由牽引裝置牽引至平面網(wǎng)片成型機夾緊后，完成主筋端頭部位的彎曲成型，如圖9所示。

1—彎曲軸； 2—彎曲擺臂； 3—行走輪； 4—行走架； 5—行走電機減速機； 6—行走齒輪； 7—行走限制輥； 8—固定架； 9—升降架； 10—擺動油缸； 11—彎曲中心軸； 12—夾緊油缸。

圖9 彎曲裝置立體圖

Fig. 9 Three-dimensional diagram of bending device

2.3.4 主筋焊接裝置

主筋焊接裝置主要由電焊機、焊槍安裝座、電機減速機、滾珠絲杠和滑軌滑塊等部件組成，如圖10所示。該裝置設(shè)有隨移動架移動的夾緊機構(gòu)以及焊槍驅(qū)動機構(gòu)。通過夾緊機構(gòu)將單網(wǎng)片的端頭夾緊固定后，通過焊槍驅(qū)動機構(gòu)將焊槍調(diào)整到焊接位置并對單片網(wǎng)的端部主筋進行焊接。該裝置可實現(xiàn)XYZ三軸運動，可以加工不同規(guī)格的盾構(gòu)管片平面網(wǎng)片，具有自動化程度高、焊接效率高的優(yōu)點。

1—電焊機； 2—焊槍安裝座； 3—減速機； 4—左右滑塊座； 5—滑軌； 6—滾珠絲桿。

圖10 主筋焊接裝置立體圖

Fig. 10 Diagram of main bar welding device

2.3.5 網(wǎng)片定型機構(gòu)

網(wǎng)片定型機構(gòu)主要由模具導輪和導輪安裝板等部件組成，如圖11所示。該機構(gòu)主要作用是提高平面網(wǎng)片內(nèi)外鋼筋弧形穩(wěn)定性、減少焊接應力，防止主筋的鋼筋彎曲應力變化導致端部橫筋焊接位置脫落，保證單片網(wǎng)成型質(zhì)量。

1—模具導輪； 2—導輪安裝板。

圖11 網(wǎng)片定型機構(gòu)立體圖

Fig. 11 Stereogram of mesh finalizing mechanism

2.3.6 牽引機構(gòu)

牽引機構(gòu)由牽引電機減速機、牽引移動架、壓緊氣缸、傳動鏈輪、行走導輪、壓緊塊和導料口等組成，其主要功能是將主筋牽引前移，在牽引過程中由橫筋焊接裝置完成橫筋焊接工作，并將其牽引至平面網(wǎng)片成型機，如圖12所示。

1—牽引電機減速機； 2—牽引移動架； 3—壓緊氣缸； 4—傳動鏈輪； 5—行走導輪； 6—壓緊塊； 7—導料口。

圖12 牽引總裝圖

Fig. 12 Traction assembly drawing

2.3.7 內(nèi)外弧形拼接調(diào)整模具

內(nèi)外弧形拼接調(diào)整模具利用鴨嘴狀調(diào)整模具將內(nèi)外弧筋直徑的高度差進行調(diào)整，有效保障搭接點焊接質(zhì)量。內(nèi)外弧形拼裝調(diào)整模具如圖13所示。

1—壓緊油缸； 2—鴨嘴狀調(diào)整模具。

圖13 內(nèi)外弧形拼裝調(diào)整模具

Fig. 13 Inner and outer arc assembling and adjusting molds

2.4 平面網(wǎng)片輸送機構(gòu)

該輸送軌道為自動輸送軌道，采用鏈條傳動，由輸送輥、支撐架、防護罩和電機等組成。該軌道輸送平穩(wěn)，可適應多種規(guī)格網(wǎng)片的運送。平面網(wǎng)片輸送機構(gòu)如圖14所示，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

1—支撐架； 2—輸送輥； 3—輸送電機。

圖14 平面網(wǎng)片輸送機構(gòu)

Fig. 14 Plane mesh conveying mechanism

表2 平面網(wǎng)片輸送軌道主要技術(shù)參數(shù)

Table 2 Main technical parameters of plane mesh conveying track

項目技術(shù)參數(shù)鋼筋傳送速度/(m/min)25輸送網(wǎng)片規(guī)格/mm長度l=1 000～4 000,寬w<1 000總功率/kW20×0.75 工作環(huán)境溫度/℃0～40工作環(huán)境濕度/%30～85長×寬×高/(mm×mm×mm)8 200×1 176×898

2.5 平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)

平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)主要由立柱支撐、升降滑道、網(wǎng)片抓取機構(gòu)、行走電機與減速機、升降電機與減速機、行走軌道等部件組成。 其工作原理是抓取機構(gòu)抓取平面網(wǎng)片，經(jīng)升降電機減速機帶動完成吊起動作，再由行走伺服電機帶動鏈輪鏈條完成橫向移動，放入輸送軌道上。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、工作平穩(wěn)、節(jié)省能耗，平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)如圖15所示，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

1—立柱支撐； 2—升降滑道； 3—網(wǎng)片抓取機構(gòu)； 4—行走電機與減速機； 5—升降電機與減速機； 6—行走軌道。

圖15 平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)

Fig. 15 Schematic of lifting mechanism of plane mesh

表3 平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

Table 3 Main technical parameters of plane mesh hoisting mechanism

項目技術(shù)參數(shù)總功率/kW2×2.2速度/(m/s)≈1電壓/V380工作壓力/MPa0.6～0.8質(zhì)量/t26.5

2.6 平面網(wǎng)片控制系統(tǒng)

平面網(wǎng)片控制系統(tǒng)設(shè)置有任務編輯、伺服設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)、手動操作、自動狀態(tài)、故障報警等人機交互界面，可實現(xiàn)平面網(wǎng)片標準塊和鄰接塊的參數(shù)設(shè)置和編輯、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、故障報警、手動操作和自動操作等功能。平面網(wǎng)片控制系統(tǒng)如圖16所示。

圖16 平面網(wǎng)片控制系統(tǒng)

3 平面網(wǎng)片自動焊接主要工作步驟

1)鋼筋輸送軌道由牽引機構(gòu)將鋼筋輸送至彎弧裝置；

2)鋼筋經(jīng)彎弧裝置進入橫筋焊接裝置；

3)平面網(wǎng)片成型機通過控制系統(tǒng)計算，實現(xiàn)橫筋自動落料、焊接；

4)隨著鋼筋自動前移，橫筋焊接完成后，網(wǎng)片行至焊接區(qū)域；

5)由彎曲機頭將主筋彎曲至設(shè)計位置；

6)由焊接機械手實現(xiàn)主筋焊接；

7)平面網(wǎng)片焊接完成，由平面網(wǎng)片吊裝機構(gòu)將其吊運至平面網(wǎng)片輸送機構(gòu)，運至下一工序。

4 平面網(wǎng)片成型應用效果

4.1 設(shè)計方案對比

平面網(wǎng)片成型模塊采用彎弧裝置彎曲弧度、網(wǎng)片定型和弧度矯正、伺服電機牽引、橫筋自動落料、主筋液壓旋轉(zhuǎn)式彎曲和固定工位焊接等方式，實現(xiàn)牽引和焊接同步完成，且主筋端頭焊接機械臂配備有自動循跡功能，解決了原有液壓模具壓制成型平面網(wǎng)片回彈量大、弧度調(diào)整復雜、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定和焊接精度低等難題，平面網(wǎng)片成型方案如圖17所示。

圖17 平面網(wǎng)片成型方案

4.2 平面網(wǎng)片成型效率分析

平面網(wǎng)片成型機連續(xù)工作狀態(tài)，以完成1個單片網(wǎng)片作為1個作業(yè)循環(huán)，隨機抽取5組平面網(wǎng)片成型時間，統(tǒng)計見表4。

表4 平面網(wǎng)片成型時間統(tǒng)計

Table 4 Statistics of plane mesh forming time

s

由表4可知，單件成型效率為176 s/件，折算410件/20 h。根據(jù)工廠試驗和現(xiàn)場應用試驗統(tǒng)計分析，平面網(wǎng)成型模塊的生產(chǎn)效率是人工生產(chǎn)效率的2.5倍左右。

4.3 平面網(wǎng)片成型效果

平面網(wǎng)片成型模塊通過工廠試驗不斷優(yōu)化升級，實現(xiàn)了盾構(gòu)管片鋼筋籠平面網(wǎng)片從鋼筋落料至平面網(wǎng)片一次高效成型，不僅提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，而且平面網(wǎng)片規(guī)格尺寸標準統(tǒng)一，極大地提高了管片鋼筋籠的成型質(zhì)量, 如圖18和圖19所示。

(a) (b)

(a) (b)

Fig. 19 Welding effect of horizontal bar and main bar of plane mesh

4.4 推廣應用情況

平面網(wǎng)片成型機作為一個單獨的系統(tǒng)在杭州建筑構(gòu)件集團有限公司成功得到了推廣應用。據(jù)統(tǒng)計，該管片生產(chǎn)廠投入平面網(wǎng)片成型機進行生產(chǎn)以來，比傳統(tǒng)管片鋼筋籠的生產(chǎn)效率整體提高1.5～2倍，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成型尺寸滿足設(shè)計要求。平面網(wǎng)片成型機工廠應用效果如圖20和圖21所示。

(a) (b)

(a) (b)

5 結(jié)論與建議

鋼筋籠平面網(wǎng)片自動加工裝置經(jīng)過優(yōu)化改進后，具有自動化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高等特點。主要結(jié)論如下：

1)橫筋焊接裝置通過優(yōu)化設(shè)計，具備橫筋自動落料和自動焊接等功能，實現(xiàn)了平面網(wǎng)片的高效焊接，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2)開發(fā)的內(nèi)弧與外弧鋼筋彎曲和牽引裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。

3)平面網(wǎng)片成型、網(wǎng)片定型機構(gòu)可有效降低主筋鋼筋的彎曲應力，防止端部橫筋脫落，提高了單片網(wǎng)的焊接質(zhì)量。

4)平面網(wǎng)片成型模塊采用PLC控制，實現(xiàn)了操控智能化、自動化，提高了網(wǎng)片的加工效率和成型質(zhì)量。

在實際工程應用中，仍存在一定的問題，建議如下： 1)平面網(wǎng)成型模塊經(jīng)過多次優(yōu)化改進，雖然提高了加工效率和質(zhì)量，但是實現(xiàn)不同規(guī)格管片鋼筋籠加工的快速轉(zhuǎn)換，擴大其通用性有待進一步研究。2)現(xiàn)場應用試驗表明平面網(wǎng)片成型模塊配套機構(gòu)的部分工件選型有待深入研究，以便提高系統(tǒng)模塊的使用壽命。