市政混凝土管道安裝機械手夾持機構的研究

巴曉彤 劉廣軍

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市居民生活用水量和污水排放量隨之加大，對市政給排水管網(wǎng)工程的建設提出了新要求。提高市政管道施工技術水平，專業(yè)化管道施工設備，保證施工效率和施工質(zhì)量，有助于進一步提高城市的污水處理能力，推動城市生態(tài)文明建設[1]。

市政給排水管道工程具有諸多特點。第一，管網(wǎng)線路跨越大，分布廣。管網(wǎng)建設包括給排水泵站、壓力管道、檢查井、室內(nèi)外給排水管道及事故排出口等部分，管網(wǎng)鋪設線路長，跨越大。第二，管道材料、尺寸規(guī)格較多。除常見的混凝土管道，還有球墨鑄鐵管道、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）管道等。不同材質(zhì)管道的價格相差較大，影響工程造價。第三，管道埋設較深。污水排放工程主要依靠埋設的管道傾斜一定坡度實現(xiàn)污水受重力自流，因此一些排水主干管道埋設相對較深。第四，現(xiàn)場環(huán)境復雜。管道施工不僅受限于城市道路空間，也需應對因給排水、通信等管線縱橫交錯造成的地下空間復雜的施工環(huán)境。此外，市政管道施工還包含管道功能性實驗等工程，涉及的技術領域較廣泛[2-4]。

分析管道工程特點后，明確施工要求，設計研制了一種以液壓挖掘機為搭載平臺的市政管道安裝機械手。該管道安裝機械手能提高施工效率，具有極好的通用性，可實現(xiàn)不同管徑的管道鋪設工作。控制策略上采用遠程遙控，可有效避免施工人員因進入溝槽底部而造成的人身傷亡等事故。本文主要研究市政混凝土管道安裝機械手的核心工作裝置——夾持機構的結構與工作原理。

1 管道安裝機械手的基本工作原理

設計的管道安裝機械手以挖掘機為搭載平臺，安裝在挖掘機的鏟斗部位，具體結構如圖1所示。

圖1 管道安裝機械手結構

管道在垂直溝槽方向的位移量較小，依靠中心回轉機構便可實現(xiàn)微調(diào)，所以可忽略此方向的自由度?；炷脸胁骞艿莱瘦S對稱，因此其繞管道軸線轉動的自由度可忽略。管道安裝機械手存在4個自由度，即繞垂直于管道軸線的豎直軸線轉動、水平軸線轉動、沿豎直方向移動以及管道軸線方向移動。管道安裝機械手采用液壓挖掘機作為搭載平臺，工作時將挖掘機原有鏟斗拆卸掉，通過升降機構中的連接架安裝在挖掘機鏟斗部位。管道安裝機械手可以通過升降機構將下端夾爪下放至指定位置。回轉機構通過液壓馬達驅動蝸輪蝸桿回轉減速機工作，實現(xiàn)下端各機構±90°轉動。糾偏機構調(diào)整夾持機構，保證下方夾持的待安裝管道軸線與安裝軸線保持在同一水平。夾持機構可通過安裝油缸的伸縮實現(xiàn)在移位軌道上的整體移位，完成安裝管道的動作要求。在實際施工中，可通過挖掘機原有的底盤回轉和動臂升降實現(xiàn)對水泥管道的抓取，并將管道下放至溝槽內(nèi)部，通過機械手微調(diào)待安裝管道姿態(tài)完成對接工作。僅用此設備就可實現(xiàn)整個管道的吊運、下放及對接等一系列鋪設工作。

2 夾持機構研究與分析

2.1 結構組成

夾持機構具體結構如圖2所示，主要由夾爪、移位體及夾持油缸等組成。夾持機構在施工中負責管道夾取、下放及對接工作。夾持機構通過設置的移位體與糾偏機構的導軌相連接，內(nèi)置聚四氟乙烯耐磨塊減小摩擦阻力，方便整個夾持機構和水泥管道在糾偏導軌上平移。在管道施工過程中，通過夾持油缸伸縮實現(xiàn)下端夾爪開合。完成夾持動作后，待糾偏機構調(diào)整待安裝混凝土管道軸線與目標軸線重合后，通過安裝油缸的作用，拉動整個夾持機構和混凝土管道進行平移，完成管道對接。對接完成后驅動夾持油缸回縮，使得下方夾爪放松。為防止下方夾爪鋼結構在夾持過程中劃傷水泥管道表面，在夾爪內(nèi)側安裝聚四氟乙烯耐磨板，保證在提供夾持機構夾持力的同時不破壞水泥管道的自身結構，即材料不發(fā)生移除，仍可保證混凝土管道的使用壽命。

圖2 夾持機構結構

2.2 靜力學分析及仿真

在夾持機構進行管道夾持工作時，單節(jié)800 mm口徑混凝土管道的自重G將對夾爪末端接觸面產(chǎn)生垂直分力GN。垂直分力GN正交分解后得到作用于夾爪力臂L2上的阻力GNx，兩者共同組成管道夾持過程中的阻力矩。在已知各力作用角度與驅動力臂L1的條件下，可計算得到夾持油缸所需提供的驅動力F，并得到夾持油缸力F與混凝土管道自重G之間的關系式。受力分析如圖3所示。

圖3 夾持機構受力分析圖

由力矩平衡可以得到[5]

式中：F為夾持油缸所提供的驅動力；G為混凝土管道自重；α為管道與夾爪接觸面垂直力水平夾角；β為作用在阻力臂上的分力正交分解后的豎直夾角；θ為作用在驅動力臂上的分力正交分解后的豎直夾角；L1為兩鉸點間的距離作為驅動力臂；L2為鉸點與夾爪末端間的距離作為阻力臂。

考慮不同管徑的混凝土管道自重、夾持油缸造價等問題，設計時應使所需的油缸驅動力F與管道自重G相匹配，在設計合理的前提下，盡可能減小夾持油缸所需提供的夾持力，降低油缸制造成本，改善管壁受力情況，可從3個方面進行考慮。第一，增大夾爪固定鉸點間的距離L1，在阻力矩不變的條件下，增大驅動力臂，使驅動力減小。第二，減小夾爪固定鉸點與夾爪末端的距離L2，在阻力不變的條件下，減小阻力臂，使系統(tǒng)阻力矩減小。第三，設計時盡可能增大管道與夾爪接觸面垂直力水平夾角α。角度值越大，夾持過程中夾爪對管道的包絡程度越大，管道自重G的垂直分力GN越小，阻力矩也越小。

在完成夾持機構靜力學分析后，將設計的夾持機構具體參數(shù)代入公式進行求解，結構參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表

計算得到夾爪各部分承受的最大載荷，設置各機構材料為Q345B碳素合金鋼，進行有限元靜力學仿真，施加載荷和約束得到變形量和應力數(shù)據(jù)，結果如圖4和圖5所示。

圖4 夾持機構變形量仿真云圖

圖5 夾持機構應力仿真云圖

通過研究夾持機構得出，設計的夾持機構強度和剛度符合管道施工要求，設計合理，可靠性良好。

2.3 液壓系統(tǒng)設計及試驗

工作中，夾持機構的液壓執(zhí)行元件為夾持油缸。通過控制油缸伸縮控制夾爪開合實現(xiàn)對混凝土管道的夾持?？紤]夾持過程中需調(diào)整管道姿態(tài)，要求夾持機構液壓系統(tǒng)具備保壓功能。所以，設計上采用2枚單向閥互鎖形成插裝閥組，對夾持油缸進回油路起保壓作用。

為保障施工安全性，在控制邏輯上采用遠程控制方式，對夾持機構主油路采用一組電液比例換向閥。通過接收施工人員遠程遙控下發(fā)給主控制器的驅動信號，經(jīng)主控器分析處理后輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號至電液比例換向閥對應線圈，通過線圈得電控制換向閥閥芯開度，從而控制夾持油缸工作。

為進一步驗證夾持機構的使用性能，進行管道對接模擬試驗，如圖6所示。試驗結果表明：該夾持機構使用性良好，結構穩(wěn)定合理，液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能較好地適應管道安裝工作。

圖6 夾持機構工作運行試驗現(xiàn)場

3 結語

根據(jù)現(xiàn)有管道施工工藝，對管道安裝機械手的核心裝置夾持機構進行詳細的設計分析與研究。通過對設計的夾持機構進行靜力學分析，得到夾持管道自重與夾持油缸驅動力之間的力學關系，提出改善管道受力措施，并依據(jù)關系式對設計的夾持機構進行受力計算和有限分析，驗證了設計的夾持機構滿足強度和剛度要求。設計夾持機構液壓驅動系統(tǒng)并進行樣機集成試驗，驗證了設備運行良好，設計合理。采用此夾持機構可提高管道施工工作效率，對我國管道工程施工技術的后續(xù)研究具有一定的借鑒意義。