盾构用真空吸盘优化设计研究

序论：速发表网结合其深厚的文秘经验，特别为您筛选了1篇盾构用真空吸盘优化设计研究范文。如果您需要更多原创资料，欢迎随时与我们的客服老师联系，希望您能从中汲取灵感和知识！

盾构法是使用盾构机一边进行隧道掘进，一边在洞内进行管片拼装及注浆的隧道施工方法，具有速度快、施工质量好、作业环境好、综合效益高等优点。真空吸盘作为盾构施工中拼装管片的核心利器，与拼装机配合可沿轴线方向360°旋转，同时还可回转俯仰微调其盘面，从而实现盾构机机内管片的抓取调整及拼装，具有施工安全性高、效率高、拼装稳定性高等优点。真空吸盘设计及制造过程中，如何保证密封槽焊接的密封性及回转俯仰微调动作顺畅，是一个关键性难题。目前，针对盾构机真空吸盘的优化设计研究较少，国内尚处在起步阶段，随着盾构法施工的快速发展，真空吸盘的使用越发普及，真空吸盘的优化设计研究将凸显其重要性。本文以新建深江铁路珠江口隧道项目为依托，针对真空吸盘的设计制造国产，对其进行优化设计研究，以解决真空吸盘密封槽焊接密封性及其回转俯仰质量难题，以期对后续相关设备的设计制造提供参考。

1工程概况及背景

深江铁路珠江口隧道是目前国内最大埋深及最高水压的水下隧道，全长13.69km，最大埋深达到115m，最大水压为1.06MPa，超过10个标准大气压，隧道本身为单洞双线高速铁路隧道，设计时速250km/h，建成后将成为又一世界级的超级工程。该隧道工程下穿珠江，主要穿越淤泥、砂层、微风化花岗岩等复合地层，以及长距离断裂带，岩石强度最高可达200MPa，地质极其复杂，周边环境水腐蚀性较为严重，施工难度大，安全风险高，是深江铁路二期的控制性工程。该隧道项目施工用盾构机均采用真空吸盘实现盾构管片的吊运、拼装，因此，真空吸盘的质量将直接影响施工的质量及效率，真空吸盘的优化设计研究至关重要。

2回转俯仰结构的优化设计研究

2.1实际工况及功能介绍

在盾构机掘进、拼装衬砌管片及注浆的过程中，真空吸盘作为管片拼装的关键设备，主要是将管片从管片运输车上吸附抓取，吊运至安装位置处进行对位、拼装，真空吸盘通过与拼装机联动，可实现沿隧道轴线上的管片吊运、抓取及管片沿隧道轴线上360°环向拼装，从而实现盾构机一边掘进，一边一环接一环地进行管片拼装。在真空吸盘吸附管片的过程中，真空吸盘底部盘面装配的定位销与管片上定位销孔进行对位安装，回转俯仰结构通过油缸伸缩实现盘面的微调，从而保证底部盘面定位销与定位销孔的准确定位；在真空吸盘吸附盾构管片进行沿隧道轴线360°环向拼装时，回转俯仰结构也可通过油缸伸缩，实现管片位置的微调，得以实现管片的精准定位及安装。整体而言，回转俯仰结构可实现真空吸盘盘面定位销与定位销孔的准确定位，同时，也可实现管片安装时位置的微调，以保证管片拼装质量。

2.2传统回转俯仰结构及其优化设计研究

真空吸盘的回转俯仰结构，核心部件是吸盘大臂上的中心回转筒部分，中心回转筒的结构，目前一般分为2种。一种结构为箱型回转室，内置三维回转轴，该型结构的优点是可靠性较好，缺点是结构复杂，零件种类数量多，导致装配过程烦琐，维修困难，制造成本也大。进口的海瑞克真空吸盘多采用这种结构。另一种结构为圆形回转室，内置回转球轴承，主要包括内球轴承、上下轴承座、伸缩轴等，该型结构较为简单，但对零部件的加工精度要求较高，一方面，要求球轴承配合面有很高的硬度、表面粗糙度及合理的游隙；另一方面，对回转筒上用来安装上下轴承座的上下座孔有很高的圆度和同心度要求，得以保证回转俯仰动作的可靠性。这种轴承材质多采用42CrMo或轴承钢锻件，需要经过多道机加工和热处理工序，一般的加工设备很难达到要求的精度等级，而且目前没有完全成熟的加工工艺，因此，该型结构的制造难度大、成本高、加工周期长。进口的ACIMEX真空吸盘多采用这种结构。结合以上两种回转俯仰结构的优缺点及真空吸盘在安装管片时需要完成的预定动作及其受力情况分析，对真空吸盘的回转俯仰结构进行优化设计（见图1）。具体的优化设计过程如下。（1）真空吸盘的主要结构由吸盘大臂通过回转系统和吸盘盘面连接，可将吸盘大臂理解为相对固定的支架。吸盘大臂与盾构拼装机连接，用于整个吸盘系统的支承及载荷传递，吸盘盘面用来抓取管片。根据真空吸盘的功能要求，吸盘在抓取和安装管片时，吸盘盘面相对于吸盘大臂有小幅度的回转和俯仰动作，同时盘面会受到轴向、径向和环向三个方向作用的较大载荷。由此可见，吸盘大臂与盘面的回转体至关重要。为实现这一功能，优先考虑采用国标球形轴承来作为回转体。综合比较各类国标轴承的特点，最终选择润滑型向心关节轴承。（2）根据关节轴承的结构和安装要求，初步设计回转筒体、空心轴及其他定位件结构，使回转结构可实现盘面的回转俯仰动作、盘面承载、轴承润滑等功能要求。（3）根据载荷情况，计算选择关节轴承型号，最终确定回转部分各零件的形状尺寸。（4）样机试验，根据管片特征，制作钢结构钢片和吸盘样机，根据实际工况需求，进行厂内空载、满载动作试验，试验结果证明，在模拟的各类工况下，回转俯仰动作灵活，无卡滞，同时执行油缸动作时的压力较原回转结构时有明显降低，即其回转俯仰动作时所需动力相对较小。

2.3优化后的回转结构优点分析

（1）采用标准关节轴承，轴承质量可靠，能很好地保证整个吸盘的功能要求和质量的稳定性。（2）同规格的真空吸盘，采用标准关节轴承，回转筒体的外形尺寸明显减小，筒体内部结构更为简单，更容易保证加工质量并简化安装工序。（3）标准关节轴承成本及周期较自制球轴承大幅度降低。

3密封槽焊接及其气密性检测研究

3.1真空吸盘原理

真空吸盘主要包括大臂、盘面、回转俯仰结构、真空管路等。真空管路由真空泵、单向阀、过滤器、电磁阀、真空腔、管路和工作腔等组成。大臂为倒八字箱型结构，其一端内腔作为真空腔，真空泵联通真空腔出气口，真空腔进气口与电磁阀出口，电磁阀进口与盘面工作腔的气口连接。盘面工作腔是由盘面底部焊接的密封槽以及槽内镶嵌的密封槽密封条组成的，吸附管片时，密封条与管片内弧表面形成密闭腔体，真空管路将工作腔内空气抽出，形成负压，得以实现管片吸附。管片释放时，电磁阀动作，使工作腔与大气联通，管片与吸盘脱开。

3.2密封槽焊接及密封槽气密性检测常用方法

真空吸盘通过密闭工作腔与外界大气内外压差来实现管片的吸附与释放，管片质量大，均在几吨到十几吨范围内，由此可见，密闭工作腔气密性的保证及其检测是真空吸盘工作过程中最重要的环节之一，不但会影响设备的正常使用，更重要的是直接影响隧道的施工安全。密封槽焊接过程是先根据图纸将密封槽进行切段，再根据提前画好的轮廓线，将其逐段点焊，最后铆焊点焊好的密封槽。常用的铆焊方式是二氧化碳气体保护焊，但是，对成段密封槽的连接处采用该焊接方式，很容易产生漏点，同时因为底部成段密封槽拐角位置多，很难在装配前确认其具体漏点，通常检验漏点是将真空吸盘整体装配后，接通真空泵来进行漏点查找，此种密封槽气密性检测方法操作烦琐、排查难度大。

3.3密封槽焊接及密封槽气密性检测优化研究

针对传统密封槽焊接方法易造成拐角连接处产生漏点的情况，对其进行优化研究，即密封槽拐角连接处采用氩弧焊，能够保证焊缝金属充分融合，对非拐角连接处仍采用二氧化碳气体保护焊，以避免因电流大而产生焊穿密封槽。针对传统密封槽气密性检测方法操作烦琐、难度大且成本高的情况，对其进行优化，即由图3可见，将焊好密封槽的盘面平稳放置，先将其内部清洁干净，再将白色粉末撒在拐角连接处，并用刷子将其堆积，接着在拐角立焊缝位置处先喷着色剂，等待5min左右后，再在喷着色剂位置处喷涂煤油，以加速着色剂的渗透，等待5～10min后，逐一检查拐角连接处白色粉末颜色，通过颜色的变化来判断是否有染色剂通过焊缝渗透到密封槽内部，若出现白色粉末变色，则表示该拐角连接处焊缝存在漏点，需要对此处焊缝重新补焊或者重新焊接，反之无着色，则表明此拐角连接处焊缝完好；通过此种检测方法，能够快速准确地检查出漏点位置并能迅速对该处漏点做出处理，从而有效地保证了密封槽的焊接密封性及真空吸盘的整体质量。总体而言，通过对密封槽拐角连接处采用氩弧焊及优化密封槽气密性检测方法，有效保证密封槽气密性及真空吸盘的质量，同时，采用此种优化方法的真空吸盘在实际隧道施工项目中应用效果显著。

4应用效果

采用密封槽气密性优化及标准关节轴承作为回转俯仰结构的真空吸盘成功应用于深江铁路珠江口隧道项目施工中，其密封性能及其回转俯仰动作均效果显著，极大地提高了管片的拼装效率及安全性。所采用润滑型向心关节轴承为国家标准件，其加工工艺及质量均很成熟，有效地降低了设备成本及加工难度，并且彻底解决了实际中遇到的原有回转俯仰结构的卡滞、异响等问题，从设计、生产制造等多方面保证吸盘的质量及使用效果；同时，针对其密封性进行优化设计，采用密封槽拐角连接处氩弧焊接方式及其气密性检测的新方法，从制造、质检上保证了设备的气密性，从而对设备的安全使用提供了更多保障。实际使用如图4所示。

5结语

为提高真空吸盘的质量及实用性，本文结合设计、生产制造过程及实际使用效果从设备回转俯仰结构及气密性保证两个方面对设备进行优化设计研究，从而能够保证真空吸盘的使用安全性及实用性；同时，应用于真空吸盘上的优化设计研究可以推广至同类型隧道施工设备领域中，以期对后续设备的研制及开发提供参考。

作者：王庆民 单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司