1. 目的及意义

1.1. 研究背景

近年来，由于我国经济的迅速发展、城市人口的急剧增长以及复杂的国际局势和我国周边态势，为解决人口流动与就业点相对集中给交通、环境等带来的压力，满足国家环境和局势变化需求，修建各种各样的隧道及地下工程( 如城市地铁、公路隧道、铁路隧道、水下隧道、市政管道、地下能源洞库等) 成为必然趋势，这给隧道及地下工程的发展建设带来了机遇。隧道及地下工程事业的发展有利于国土资源的充分开发利用，具有环保和节能优势，特别是在改变我国水资源条件及油气能源储备等方面，具有重要的作用。

随着近几年大规模地铁、城际轨道交通的建设，盾构法施工由于安全、快速等原因越来越被普遍采用，盾构管片也随之广泛的应用。盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着土层压力，地下水压力以及一些特殊荷载的作用。而在实际施工中，管片由于多次倒运、翻转、拼装，难免出现一些破损。隧道运营过程中，受周围建筑环境及车辆循环荷载的影响，部分管片出现开裂影响结构的承载能力及耐久性，同时引起管片破损。由于管片裂损，不仅会引起隧道渗水、漏浆，而且会影响到隧道的使用性能。因而盾构管片破损情况直接关系到隧道的整体质量和安全。

为保证隧道的结构安全，特别是地铁的正常运营，须采取一定的措施对这些隧道进行修复加固施工，从而排除隧道结构的安全隐患。

1.2. 研究现状

为了提高隧道结构的安全性，现国内外有三种解决方案。第一种方案侧重于管片的加工工艺，控制管片生产过程中温度变化，混凝土配比等，使得管片本身结构的强度，稳定性更好。第二种方案着重于安装工法，使得管片在运输以及装配过程中，受到尽量小的损坏，并以更好的施工方法使得管片安装效果更稳固，以减小外界环境对其的影响。第三种方案侧重于对一些出现裂纹或移位的管片进行修复。在一些治理管片裂损工作中常用到防水补漏和一些简单的修复。但在遇到管片大面积破裂，严重错台等严重问题时仅仅靠这些工艺是不够的。必须采用内衬加固工艺，即隧道管片钢环加固工法，这种管片修复方法是目前国内外最常见的一种管片加固方法，本设计针对第三种方案进行研究设计。

1.3. 研究意义

在管片钢环加固工法要用到的基本构件是内衬钢管片，根据隧道的形状规格，将相应的内衬钢管片在隧道内进行拼装焊接，可达到对管片的加固作用。为了完成对内衬钢管片在隧道内的运输，起重，定位任务，本文设计了一种多自由度重载液压机械臂。机械臂安装在轨道车上面，能在较短施工时间内有效、分段、间断或连续地安装整条隧道不同区段的内衬钢管片，具有良好的社会效益和经济效益，保证地铁正常运营和乘客生命财产安全。

2. 研究的基本内容与方案

研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 根据作业任务，规划出机械臂基本作业流程。

作业任务为：将6个钢制加固片按不同次序，不同角度放置到管壁上，使其组成一个环形，再进行焊接，实现对管片的加固作用。（本设计只解决加固片搬运和定位的问题，焊接部分不作研究。）

液压机械臂安装在轨道车上方，轨道车承载多个加固片以及机械臂的重量。轨道车行驶到需要加固的位置，机械臂将6个加固片放到预定位置，需要实现如下的工作循环：抓取轨道车上的加固片，搬运加固片至大概位置，将加固片精确调整到预期位置，松开并复位。完成以上任务的机械臂需要用到6个自由度，其中3个自由度实现对加固片的搬运工作，另外3个自由度方便实现对加固片的位姿进行微调。

2.2 对机械臂的工作环境，操作对象特性进行研究，以此提出机械臂设计要求。

机械臂的工作环境即布满管片的隧道，管片由于地质疏松、盾构超挖、注浆不足的影响以及列车轨道的交变应力的影响，管片往往会发生错台，断裂以及变形等。使得管片组成的实际圆形尺寸大小与参考尺寸有偏差，因此在规划机械臂的工作范围时需考虑这些偏差，使得机械臂有更大范围的操作空间。

机械臂的操作对象是重达1吨的钢制加固片，因此在设计时，需要着重考虑安全问题，体现在 1，执行末端的强度要满足要求，以免发生事故 2，执行末端与管片的连接足够坚固。

2.3 对机械臂进行结构设计，并对其进行结构优化

根据隧道和加固片的尺寸参数，以及机械臂的工作要求，画出机械臂的机构简图，对机械臂的尺寸参数进行设计计算。为了提高能效，在保证强度，刚度等条件下，以轻量化为目的，对方程施加约束条件，以确定机械臂最佳的尺寸参数取值范围。以此参数建立solidworks三维模型，进行运动仿真，观察机械臂是否能满足运动要求。