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半岛平台钢拱架安装机械手关键技术研究

2023-06-30 阅读次数:

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  AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterTheKeyofSteelStructureInstallationManipulatorTechnologyResearchByLiyiXiongSupervisor:Prof.SoutongQinMechanicalManufacturingandAutomationSchoolofMechanicalEngineeringMay2012。11曩勺管,-。-I,110,,lllIIl7学位论文原创性声明IlllrflllII}Y2102239本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者:日期:70/2年(月上日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者:**摘要近些年随着我国经济的高速发展,我国交通基础设施建设也在快速发展,尤其是高速公路,铁路的建设中,对我国隧道施工的机械化水平提出了新的要求与考验。尤其是在软围岩的隧道施工中,其中开挖过后的支护钢拱架的安装尤为关键。但是在现阶段的国内隧道施工中钢拱架的安装还是主要由人工或借助其他设备安装,不仅劳动强度比较大,而且效率和安全性又不能保证。为了实现高效率机械化施工,急需设计制造钢拱架安装机械手。在了解和分析了隧道施工中钢拱架安装施工工艺后,提出了钢拱架安装机械手的设计要求,在软围岩隧道施工中的钢拱架多采用分段空中对接的安装方式,对钢拱架安装机械手做了总体的规划设计?钢拱架安装机械手主要由钢拱架夹持机构,手臂伸缩机构,通用液压履带地盘,及电液控制系统等组成。钢拱架伸缩臂及夹持机构是安装机械手的主要工作装置,主要由大小伸缩臂、调整油缸、夹持机构等组成。本文主要对大小伸缩臂及夹持机构的做了结构及工作原理的设计分析。由于钢拱架安装机械手的机械手臂及夹持机构对其在施工中的工作性能有重大影响,在设计中采用了虚拟技术,在Solidworks中建立模型,并且导入到仿真软件Adams中进行关键部件的运动及动力学分析,得出机械手工作时的工作范围和受力特性,以及在运动过程中关键部件的受力情况。关键词:软围岩支护钢拱架大小伸缩臂夹持机构仿真分析论文类型:应用研究AbstractABSTRACTWithChina’Srapideconomicdevelopmentrecentyears,China’transportationinfrastructurealsorapiddevelopment,especiallyhighways,railways,newrequirementstests.Especiallyinthesoftsurroundingrockoftunnelconstruction,whichsupportisakeystepinallinstallationofsteelarchsupport,installationinthedomesticsteelarchtunnelconstructionhandor、ithotherdevicestoinstall.notonlythelaborintensityandefficiencysafetycannotguarantee.Inordertoachievehighefficiencyofmechanizedconstruction,theurgentneedtodesignmanufactureofsteelarchtoinstalltherobot.Understandinganalysisofsteelarchtunnelconstructioninstallationandconstructionprocess,thesteelarchdesignrequirementstoinstalltherobot,thesteelarchofthesoftrocktunnelconstructionistheuseofsegmentedairdockinginstallation,thesteelarchtoinstalltherobbertodotheoverallplanningdesign.Thesteelarchinstalltherobotmainlybythesteelarchclampingmechanism,thecompositionoftheal'intelescoping,universalhydrauliccrawlersites,electro-hydrauliccontrolsystem.Thesteelarchtelescopicannandtheclampingmechanismisamechanicalhanddevice,mainlybythesizeofthetelescopicboomadjustmentcylinderholdingmechanismandothercomponents.InthispaperthesizeofthetelescopicalTnanddothedesignofthestructureworkingprincipleoftheclampingmechanism.Steelarchtoinstalltherobot’SmechanicalarmandtheclampingmechanismhaveasignificantimpactontheirperformanceintheconstructionusedinthedesignofvirtualtechnologyinthemodelSolidworks,andimportedintothekeycomponentsinthesimulationsoftwareAdamskinematicanddynamicanalysis,comestotheworkoftherobotwhenthescopeofworkandfeatures,aswellaskeycomponentsoftheforcesinthecourseof KeyWords:soft clamping mechani Type ofThesis:A III 目录 目录 1绪论 lO2.1.2钢拱架安装机械手的功能要求 102.2安装机械手总体方案介绍 102.2.1底盘性能参数 102.2.2伸缩臂和夹持机构及工作吊篮机构的主要技术指标 ll2.3钢拱架安装机械手的本体结构 122.4钢拱架安装机械手臂及夹持机构 122.5本章小结 133钢拱架安装机械手举升及夹持机构受力分析与强度校核 143.1钢拱架安装机械手举升机构设计 143.2受力分析 143.2.1大臂装置受力分析 14IiI 目录 3.3斗杆的运动分析 173.3.1满斗处于最大伸长活动半径时大臂臂油缸提升力矩的校核 193.3.2抓取钢拱架处于最大高度时,大臂举升力矩的校核 2l3.4关键零部件的有限元强度分析 213.4.1有限元分析概述 2l3.4.2夹持机构有限元分析 233.5本章小结 254钢拱架安装机械手结构虚拟装配及运动学仿线钢拱架机械手及伸缩臂的虚拟装配 264.2.1虚拟装配的特点 274.2.2虚拟装配过程 274.2.3确定钢拱架安装机械手机构的装配层次 274.2.4确定装配的顺序 284.2.5确定机械手结构装配的约束关系 284.2.6机械手结构装配体的干涉检查 304.2.7机械手臂及加持机构装配体的爆炸视图 3l4.3运动学仿线运动学仿线夹持机构运动学仿线课题展望 41参考文献 42IV 致谢 1绪论1绪论 1.1课题研究背景 随着我国经济的飞速发展,全国交通路网的建设也在不断加快,尤其是铁 路建设,通车里程飞速攀升,在穿越高山地区或大江大河的铁路建设中,采用开 挖隧道的形式能够缩短路基里程,在当今铁路建设里程不断增长的环境下,对 于复杂环境下的隧道建设任务中的各项技术参数要求越来越高儿川。 自建国后发展自今,考虑到成本因素,加之我国劳动力资源丰富等优势条 件,在国内建筑施工中大量使用农民工,这固然为我国广大农村的剩余的富裕 劳动力提供了许多的工作岗位和就业机会,又快速促进了各基建事业的发展弘J。 但是在科技日新月异的今天,市场竞争逐渐加剧,规模成倍扩大,过多地使用 农民工的弊端就慢慢凸显出来:专项施工技术水平普遍低下,尽管企业在施工 前中后期会进行一些系统的指导与培训,但是施工中需要的专业技术离接近或 达到行业技术要求还有很大差距。随着我国铁路建设的规模更加扩大,落后的 施工技术与管理模式已经成了提高行业技术水平的绊脚石。正是在这样的大背 景下一种新的管理模式——机械化配套施工作业成为大规模铁路建设行业的新 的选择和契机pJ。 截止到今年年初,我国建成的铁路隧道总量已经突破了l万座,总的长度 更是突破了l万多公里。尤其是在铁路隧道建设总量上,已经远远超过世界上 其他发达国家。但我国整体的隧道施工技术水平不高,尤其是在软围岩隧道施 工中,各项装备都处于施工机械化初期,整体技术相对比较落后,主要表现有: (1)钻爆法为基础的机械化快速施工技术体系尚未完成pJ,许多施工中设 备配套关键技术难题尚未取得突破,比如在作业线配套技术、施工中风险与安 全的控制、隧道垮塌变形治理、岩溶高压水等方面尤其突出。另外施工进度各 地差异很大,安全隐患严重存在,特别在建设后期,对当地生态环境影响较大。 (2)在针对软岩和土质隧道施工中,大多还是采用人工作业,不仅工序循 环时间长,围岩扰动大,而且安全风险高,支护困难,进度过于缓慢,造成软 岩隧道既不能快速施工,离机械化作业更是差距甚大【jj。 在对几个西方发达国家的隧道施工现场进行实地考察学习后,技术人员发 现,发达国家的隧道施工从开挖、支护、钻注浆、锚杆、喷混凝土、出砟等各 l绪论 工序都配有全套的全机械化作业生产线,机械化程度较高,且配套完整,国外 隧道施工最后喷混凝土时采用混凝土机械手,真正实现了工装的配套,既环保 又安全,可以真正控制支护质量,同时还可以有效降低施工成本pJ。由于施工 机械化程度比较高,设备完善,在隧道施工中,作业人员每班仅不到10人。在 国外租赁市场尤为成熟,承包商的生产线一般都利用发达的租赁市场,配套维 修都很方便,更便于施工现场的与应用,因此更加有力的提高了施工机械 化水平。 1.2课题研究的现状 1.2.1国外钢拱架安装机械手现状 上个世纪七八十年代,在西方欧美等发达国家就开始了大规模的基础设施 建设,相应的工程机械也得到了更大的发展,由于在西方发达国家人力资源较 少,劳动力成本也比发展中国家高许多,为了节省施工过程中的劳动力成本等 因素,在企业施工过程中大都配备有较为齐全的施工设备,在施工的各个工序 中都有全套的机械化作业,机械化程度非常高,并且配套完善,施工安全性, 保障性都比较高。 西方发达国家在针对不同领域的基础设施建设中,都有专业的成套的机械 施工设备。在软围岩的施工中,钢拱架安装设备被普遍使用。西方发达国家早 在八九十年代就掌握了钢拱架安装台车的技术,并不断的把先进的远程控制技 术应用到台车上,使其在隧道施工过程中的机械化和自动化程度都得到了极大 的提高。 下面仅举例比较有代表性的UTILIFT四臂钢拱架安装台车。Himec臂式举 升平台是长期以来Normet工程师和欧洲隧道工程客户专家的广泛合作的产物。 它全盘周到地考虑了软岩和硬岩环境中客户对于举升和接近设备的需求。从中 得到重型的举升能力及大工作覆盖面的丰富产品生产线,使得Himec可以满足 任何断面的隧道施工作业。另外,日本古河公司的MCHl220Z是集合了钢拱架安 装和混凝土喷浆于一体的综合性支护设备。这些大型专业设备的应用,使得隧 道施工效率大幅度提高。 l绪论图I.1NOR_MET公司的HIMEC-9915-BA钢拱架安装车 图1.2日本隧道一体化设备 1.2.2国内刚钢拱架安装机械手现状 在铁路隧道建设机械化配套施工的新形势下,提升隧道施工装备实力与国 产化水平,进而形成我国铁路机械化配套施工技术体系具有重要意义“州。目前 国内隧道施工机械化水平还偏低,大都是靠大量的劳动力完成。在软岩的施工 中,进行钢拱架的安装通常都是由人工架设。劳动强度偏大,且效率低下。 有些借助装载机等也有很大的安全隐患。在目前隧道施工中,多采用进口设备, 但软围岩隧道施工时,国外设备技术参数还不能很好地满足国内施工要求,受 限于 l绪论图1.5借助台架安装拱架 图1.6借助其他工程车辆安装拱架 1绪论1.3课题研究的目的和意义 随着全国铁路运输行业的快速发展,隧道施工机械化的要求也越来越高, 目前国内对软围岩两台阶施工法中的专用设备的研究还较少,在研究归纳国外 专用设备结构的基础上对钢拱架安装机械手关键部位进行设计。 在国外隧道施工过程中,钢拱架安装设备使用较为普遍,而国内隧道施工 机械化程度较低,从国外进口的钢拱架安装设备有时候不能很好的与国内较为 低端的工况相配套。另外国外进口设备一般都较为昂贵,对隧道建设的经济性 也提出了较大的考验。研制国产化的钢拱架安装机械手可以大大减少在施工过 程中的劳动强度,加快施工进度,减少施工过程中普遍存在的安全隐患问题, 也使我国的隧道建设机械化水平得到提高。 在越来越多的工程机械研发过程中,虚拟制造技术被科技研发人员广泛的 应用。采用虚拟制造技术可以大大地提高工作效率,在机械产品更新换代时间 更短,竞争越来越大的现代社会环境下,运用这一技术可以缩短产品研发周期, 降低成本,在钢拱架安装机械手中也运用了虚拟制造技术对机械手的关键机构 进行了运动学和动力学仿真,可以比其他技术手段更为直观的检测所设计的机 构运动过程中的是否发生干涉的问题,在验证过程中又可以检验机构设计的合 理性。动力学仿真能分析所设计的机构在运动过程的受力情况,为其设计的修 正提供有效的可参考依据。 1.4课题的主要工作 本课题的主要研究工作包括以下几点: 1、对钢拱架安装机械手进行初步规划的总体设计。 2、分析拱架安装技术要求,设计钢拱架安装机械手的安装机构及分析其工 作原理。 3、运用SolidWorks对钢拱架安装机构进行实体建模,建立虚拟样机的模 4、对机构做相关的运动学仿线本章小结 本章主要介绍了目前国内外钢拱架安装发展的过去和现状,以及课题的研 究意义。解机械手结构 2.1钢拱架安装机械手总体结构设计要求钢拱架安装机械手结构设计要求如下: (1)要求所设计的安装机械手最大举升高度为13米; (2)要求所设计的安装机械手最大抓举重量为1600kg; (3)要求所设计的安装机械手最大平伸距离12米; 钢拱架安装机械手结构除了满足主要指标外,还应满足以下设计要求: (1)机械手臂应结构紧凑,满足强度要求下保证安全稳定性。 (2)行走底盘要有广泛的适用性,适用于恶劣环境。 (3)经济适用,故障率低。 2.1.1钢拱架施工流程 钢拱架安装机械手一般适用于大中型各种断面的隧道,它在隧道施工中起 到支梁的作用,通常是隧道挖掘后,在支顶水泥板时安装钢拱架,然后再喷水 泥加固,这样就保证了隧道不会塌陷。 钢拱架安装要求为: 1、按设计图放大样,在放样过程中要特别注意,根据工艺的技术要求预留 合适的焊接收缩余量以及切割、刨边等的加工余量,将主钢筋、工字钢、钢管通 过冷弯加工成形,要求尺寸准确,弧形始终保持圆顺【IJ。 2、钢拱架按设计图配置加强筋与主筋焊接。焊接时,沿钢拱架两边对称焊 接,防止变形。 3、钢拱架在加工成型后要进行试拼装,拼装允许的误差范围: 沿隧道周边的钢拱架轮廓误差应该小于或等于3cm 钢拱架由边墙各单元钢构件,’拱部等拼装组成,每个螺栓孔眼中心间误 差不超过0.5cm,,各单元均用螺栓连接 当钢拱架水平放置,所测量的平面翘曲波动应小于+2amuJ。 钢拱架施工工艺流程可以用图2.1更加直观的表示: 复喷砼至葭计厚度ji 2钢拱架安装机械手总体结构设计图2.1钢拱架施工流程图 2.1.2钢拱架安装机械手的功能要求 由钢拱架安装流程知,该机械手的功能应包含以下几个方面: ‘1.拱架机械手在安装钢拱架时,有抓取钢拱架,运送钢拱架,安装钢拱架 等过程。机械臂能灵活调整抓取姿态以适应自动或人工安装。 2.工作吊篮由伸缩或举升臂拱架安装过程中把工作人员运送到指定位 置,对拱架进行拱架螺栓连接。 3.在适应隧道恶劣环境的同时,保证安装机械手施工过程中设备及人员的 安全性。 2.2安装机械手总体方案介绍 综合考虑安装钢拱架的作业环境和工作原理,得出以下总体方案: (1)机械结构:由于隧道内施工过程中环境恶劣,工作时间长,对很多主 体构件受力要求较高,故伸缩臂都采用挖掘机大小臂类似的型钢板材焊接,保 证整体加工的强度与精度。机械伸缩臂通过转台固定在行走底盘上。 (2)驱动方式:常用的液压、气压和电力等三种驱动方都有各自的优缺点。 考虑到拱架施工中恶劣的环境影响,大多工程实际中多认为采用液压驱动比较 (3)运动动力方式:在安装拱架过程中,主要有以下几个动作:抓举钢拱架、举升调整钢拱架、以及工作吊篮的举升等,参照国外钢拱架安装台车的驱 动方式,采用液压缸为动力执行元件比较合适。 (4)动力源:钢拱架安装机械手由常用的液压动力源,在底盘的机械本体 上,如有需要可提供紧急液压动力源。 2.2.1底盘性能参数

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