地铁盾构管片生产中的自动化设备应用研究.pdf

STONE2023No.920STONE机械装备石材地铁盾构管片生产中的自动化设备应用研究蔡信勇（福建省二建建设集团有限公司，福建福州3 50 0 0 0）摘要：在盾构管片生产流程中融入自动化设备能够有效提升管片质量、降低生产能耗、减少安全隐患。在城市轨道交通事业高速发展的时代背景下，需利用自动化设备对盾构管片生产进行优化设计。工程实践中，可以援用自动焊接设备、自动抹面机器人与管片尺寸智能检测设备，强化盾构管片的生产效率、成品质量与检测精度。关键词：地铁盾构管片；自动化设备；智能机器人1盾构管片生产流程中融入自动化设备的优势1.1减少生产能耗在盾构管片生产过程中融入自动化技术，有利于维持管片存放空间的统一性，从而达到良好的管片养护效果。自动化技术设备对环境的依赖性较低，无论是在寒冬、炎夏、高原、山岭等场景中都能够平稳运转，大大提升了管片生产效率。同时，在焊接及抹面环节中融人自动化技术，有助于优化材料配比并排除因部件变形而产生的材料浪费。当前国内许多地铁工程在建设过程中采用自动化设备节约能源，比如天津2、3 号线地铁工程便构建了基于自动化设备的生产流程，将每立方米管片所产生的能耗费用降低到了15元，比传统管片生产方式节省近3 0%能源耗费。1.2提高生产效率在融合了自动化技术与设备之后，盾构管片焊接、浇筑、抹面等环节生产效率大幅提升。如在自动化生产线中，并非按照模具固定摆放模式进行生产，而是让工作人员围绕固定岗位实施操作，模具在生产线上按着一定节拍移动。以实际生产经验来看，管片静停时间为12 h，蒸养时间不少于4 h，混凝土搅拌时间约5min。施工现场可以根据不同环节的时间需要计算公倍数，根据模具自动移动的节拍调节生产线、养护线的数量，使管片整体生产流程变得更加紧凑。1.33增强管片质量在缺少自动化设备加持下的传统管片生产过程中，许多工序依赖于人工操作，工人仅凭经验、感官和原始工具进行数据采集、位置确定以及误差检测，对管片强度掌控能力较差，使得许多管片成品出现了形变、坏角、破损等情况 2 。而自动化设备能够在很大程度上弥补人工操作的不确定性，将管片制作全过程框定在规范流程、固定模板上，强化管片质量控制，最大限度地规避管片错台、裂纹与碎裂问题，并对已经产生的质量问题及时实施补救，推动盾构管片生产加量、增速、提质。1.4阝降低安全隐患传统管片施工多由工人实地操作，由于管片本身较为大宗，绝大部分制作工具重量高、形制锋利、理化性质不甚稳定，工人在操作的过程中难免遭受器械伤害。自动化设备的引人能够将工人从漫布强光、浓烟、灰尘的环境中解放出来，为他们的身体健康带来保护。此外，盾构管片生产中的许多施工环节采用交叉作业模式，管片模板在转移、运输、工序交接的过程中也容易出现意外。而在地铁工程中采用自动化设备能够将多道工序固定在同一位置，实现基于固定模位的多层工序效果，在建设过程中保证某一施工程序不会受到其它程序的干扰，降低因交叉作业而产生的机械碰撞、空间冲突以及高空坠落风险。2自动化设备在盾构管片生产中的应用与优化2.1盾构管片钢筋骨架自动焊接设备不同于传统的电阻焊接工艺，盾构管片钢筋骨架自动焊接设备采用“两步法”制作机制，通过CO2气体保护方式提升焊接的操作性与自动化水平 3 。在铁作者简介：蔡信勇（19 8 6 年一），男，福建福州人，本科，工程师。研究方向为盾构管片生产机械设备SHICAI机械装备材路建设实践中，焊接机器人需要视管片情况改良结构及形制，并配合弯弧机、液压顶出装置等设备使用。2.1.1钢筋构件装配要点在钢筋骨架焊接环节中，需要利用自动弯弧机对钢筋实施加工处理，再将弯折成型的钢筋置于钢筋网片自动焊接器械的工作槽位，打造出网片成品。随后把网片组装、拼合为完整的盾构隧道管片钢筋骨架，最后再利用自动焊接机器人对这些零散的钢筋骨架进行自动化焊接。为增强钢筋构件装配效率，应当在钢筋网片焊接程序中加设点挡式限位装置，以此优化夹具设计、节约施工成本。此外，经过焊接的钢筋骨架容易出现结构问题，并为脱模工作带来一定阻碍。因此在焊接过程中可以引人液压顶出装置，将该装置安放在夹具底部，方便焊接完成后顶出网片。2.1.2焊接方式传统的电阻焊方式对焊件端面清洁度与平整度要求较高，容易形成加热不均、氧化物杂质沉淀等问题，且难以灵活选择焊接厚度、形状和接头形式。网片自动化焊接设备采用二氧化碳气体保护焊方式，该方式相较于传统电阻焊接不仅具有成本优势，且有更高的稳定性与可塑性。地铁盾构管片所使用的钢筋网片纵向长度大、横向宽度渐变趋势明显。因此，在工位设计时应当充分考虑空间布局的合理性，围绕钢筋内弧面形状对焊接机械手进行编排设计，将机械轴连点成线，在骨架支座处呈夹包态势安置。此外，钢筋网片选用双机对称的安装结构形式，选取最优化的安装位置，以此提升空间利用率、提高管片生产效率。2.1.3实践应用效果在地铁建设工程实践中，采用了自动焊接技术设备的钢筋骨架焊接点外观平整、接缝严密，焊接的美观度与稳定性均高于传统作业方式。在传统焊接工作中，施工人员可能会受到环境、心理因素的影响而产生工作纰漏，而机械设备在连续作业方面有着人工操作无法比拟的优势。根据往期案例来看，依托于自动焊接装置的钢筋骨架日产量为4 8，而人工焊接日产量仅为6，自动化技术为地铁盾构管片质量的提升以及生产进度的加快提供了极大的技术推力(4 。2.2盾构管片自动抹面工艺地铁盾构管片抹面施工不仅受到温度、湿度等环境条件的制约，还易受混凝土振捣密度与塌落度、施工人员的技术经验等客观因素的影响。因此，在抹面工作中应当优化环境条件、材料配合比与间隔时间，并在此基础上引人自动抹面技术，以具有自动化、高效性的技术手段确保抹面工作能够在混凝土初凝之前完成。2.2.1抹面工艺的实施依据盾构管片生产过程中，实施抹面工艺的原因，排除以下三种情况：第一，浇筑工序完毕后，混凝土、剩余材料堆积在料口位置的现象；第二，由于密封盖板自身厚度所造成的混凝土高于弧面的现象；第三，由于振捣所产生的混凝土表面凹陷、气泡、缺料等现象 5。传统的抹面工艺中的压实抹光工作依赖工人的手动操作，不仅劳动强度大，而且工人的操作力度、技能熟练度等不稳定因素也会影响弧面效果。为此，需要援用自动抹面设备，为管片生产弧度的统一、材料的配比带来规范化标准。2.2.2粗收抹面与精收抹面中的自动化设备抹面工艺可以根据工程的步骤、时间、进度分为粗收和精收。因此，根据施工需要分别引入粗收抹面机器人与精收抹面机器人。前者主要是用来排除料口多余混凝土并补平弧面，为接下来的精收抹面工作打下基础；后者则主要用于去除表面气泡，消减粗收痕迹。在盾构管片生产的过程中，二者互相配合、相辅相成，共同提升管片密实性、平整度与收面率。自动粗收抹面机器人可以模拟人工抹面的特点与方式，利用条形钢馒对混凝土模具进行抽拉、刮搓，从而填补缺陷、消除气泡，具体结构见图1。自动精收抹面机器人则模拟工人使用泥灰铲的动作，沿混凝土弧面对其施以压平收光，具体结构见图2。根据配图不难看出，两种自动化设备的轴行走装置、桁架形制十分接近，但细化到具体的部件参数如轴旋转度数、抹平机构配件类型等却存在一定的区别。比如，自动粗收抹面机器人A轴旋转度数为90，而自动精收抹面机器人的A轴则能够实现18 0 旋转作业。在抹面工艺中，可以将实际工作需要同两种自动化设备的刀具、导向、限位轴、曲面旋转、汽动悬浮等装置相对映，优选出适合当前工序的设备，提升地铁工程的施工质量与自动化水平。石材2023年9 期2122STONE2023 No.9STONE机械装备石材2.3隧道管片尺寸智能检测设备传统地铁管片施工主要使用卷尺、平水仪、游标卡尺等设备对管片尺寸进行检测，此类工具本身存在误差，加之工人操作的不确定性，使得工程出现检测速度慢、检测精度差等问题，难以达到验收标准要求。为此，需要在隧道管片尺寸检测环节中引入3 D扫描机器人，克服人工作业的不利因素，提高盾构管片生产效率。X轴Y轴琴桁架B轴抹平机构管片模具图1自动粗收抹面机器人结构轴轴Z轴桁架A轴抹平机构B轴管片模具图2 自动精收抹面机器人结构2.3.13D扫描机器人结构3D扫描机器人的设计尺寸应以满足管片检测需求为标准，在国内大部分地铁工程案例中，管片的规格为直径6 m，宽度1.5m，厚度0.3 m，也有形状不同的管片如特殊转弯管片宽度为1.2 m。随着我国地铁行业的发展，相继出现了直径6.2 m、8.3 m 等参数规格的地铁管片 6 。为顺利完成所有尺寸管片的检测工作，3 D扫描机器人设计尺寸为长宽高：8.3 m5.7m5.0m，扫描仪、跟踪仪、轴移动模组分布在其主体桁架周围，定位标志则分布在机体两侧2.3.2智能化检测流程3D扫描机器人的智能化检测应充分协调硬件与软件，除机械作业流程外，还要严格把控软件通信控制流程，对所获数据进行智能化处理。首先，将管片置于专用轨道车并合理调节其位置，再将轨道车连同其上管片一并移至待检区。随后，启动3 D扫描装置，通过扫描获取管片3 D信息。在完成上述步骤后，需要借助上位机软件分析、处理数据。先将管片或模具数据导人软件，对数据所同构的3 D空间展开坐标系纠正。然后进行角点、弧线、宽度点云分类，并将分析结果同前期建模、预设参数相比对，保证模型拟合、尺寸无误后输出检测成果。这一流程需要发挥出上位机软件、机械控制系统与3 D激光扫描设备的协同配合作用，确保PLC主程序的多轴伺服与机械臂装置能够同控制模块高效交互通信，并借助点云数据处理算法对扫描数据展开处理。在多方技术设备的配合下，3 D扫描机器人不仅能够高效完成盾构管片智能化检测工作，还能智能输出检测报表、上传检测结果，极大节约了人工成本，提高了盾构管片检测精度。3结语在地铁建设中融入自动化设备有助于提升工程质量、节约施工资源、降低工人劳动强度，实现降本增效、节能环保。实际上，自动化设备在地铁盾构管片生产中的赋能点不仅限于焊接、抹平、尺寸检测这几类项目上，业界应当不探索自动化技术在工程中的嵌人路径，将自动化设备应用到铁路施工更多工序中，为我国产业结构的优化升级带来更加强劲的科技驱动力。参考文献1】朱海良.管片钢筋骨架自动焊接技术的设计与应用D.隧道建设（中英文），2 0 2 2,4 2（S1）：4 13-4 19.2张益翔,张钰.数字技术在大直径盾构管片生产过程的应用D.建筑经济,2 0 2 1,4 2（S2）：7 9-8 2.3】陈志勇,秦守鹏,吴先安,洪江华,郭岩,韩顺琪,王劲草.盾构隧道衬砌管片外形尺寸检测系统研制与应用D.铁道建筑，2021,61（10):8 2-8 6.4】龚率，张小波，乔燕燕，黄志伟，何波.采用新检测方法的地铁盾构隧道管片姿态检测信息管理系统D.城市轨道交通研究，2021,24（0 8）:2 0 9-2 12+2 2 2.5】申俊琦,王志江,胡绳荪,杨辉,吴定勇,王厚,李博.盾构机部件机器人焊接工艺研究D).机械工程学报,2 0 19,55（2 3）：10 3-10 8.6周鸣亮,程文,张东明,黄宏伟.运营期盾构隧道结构病害的自动化检测与三维可视化D.应用基础与工程科学学报，2021,29（0 5）:12 6 5-12 7 9.