近些年随着国家基础建设的发展，隧道及地下空间工程越来越多^[1]。泥水盾构作为典型的机电液一体化复杂设备，被广泛应用于越江越海富含水地下工程建设^[2-5]。在盾构机进行掘进时，管片拼装机使用钢筋混凝土管片拼装衬砌，对已开挖隧道进行保护^[6]。管片拼装机作为泥水盾构机的关键部件，其工作的稳定程度和自身强度直接影响泥水盾构机的掘进效率，分析管片拼装机关键部件力学性能，对相关结构设计提出改进，对施工的顺利进行有重要意义。

对于隧道施工设备的力学特性研究，周阳宗等^[7]在对盾构刀盘进行受力分析的基础上，利用有限元软件对某型大直径盾构刀盘进行静力学分析和模态分析；Wang等^[8]基于电液比例控制技术提出了一种位置和速度复合控制系统，采用一种平稳连续变化的组合运动规律，减小管片拼装机的关节力；霍军周等^[9-10]分析了TBM主机系统的载荷传递规律和复合式土压平衡盾构机的压力分布规律；Zhang等^[11]分析了刀盘与掌子面的力学耦合现象，并给出了刀盘的推力和扭矩的近似计算公式。国内外学者对盾构机的力学特性研究较多，但对于盾构机管片拼装机的力学特性研究较少。廖少明等^[12]通过在典型地层深埋段埋设全断面的隧道试验环，对盾构拼装管片的全过程及拼装后管片结构的受力特征进行了现场实测，分析管片拼装过程中的内力变化规律；Yuan等^[13]通过对管片拼装机动力学建模，得到了驱动器的动力学特性和各部件的受力情况，建立动力系统强度校核的边界条件；夏毅敏等^[14]建立管片拼装机的动力学仿真模型，对管片拼装机不同安装位置的扼架力学行为进行研究；李刚等^[15]对管片拼装机运动学和动力学仿真进行研究，得出各主动件的速度和驱动力曲线，研究管片拼装机的力学特性；郭强等^[16]利用有限元软件分析管片拼装机行走横梁、提升横梁及管片座的力学性能。

上述对管片拼装机的研究都独立地进行动力学或静力学分析，也没有进行相关测试验证。本文从整体角度考虑，提出管片拼装机工步规划，建立动力学仿真模型，为静力学分析提供载荷边界条件，并进行静力学分析，根据现场应力测试对静力学仿真结果进行验证。

1 动力学仿真建模 1.1 仿真工步规划

管片拼装机包括平移机构、回转机构、举升机构和微调机构。可以实现管片的升降、俯仰、平移、旋转、横摇、偏转六个动作。管片的拼装顺序为：A₁-A₂-A₃-B₁-B₂-K，其管片安装动作流程如图 1所示，管片拼装机结构如图 2所示。

1.2 仿真设置

各部件的仿真约束设置如表 1所示。

在平移油缸和举升油缸处的移动副添加移动驱动，在小齿轮处旋转副添加旋转驱动，根据管片拼装机仿真工步规划，通过ADAMS中的step函数设置各个动作的驱动函数。

1.3 仿真模型建立

在Solidworks中建立管片拼装机三维模型，通过Parasolid接口将其保存为*.X_T文件，然后导入Adams软件中，设置对应的约束副和驱动副。最终建立的仿真模型如图 3所示。

2 动力学仿真分析

本文以A₂管片仿真为例进行分析。根据管片拼装机仿真工步规划和驱动油缸的工作特性，设置平移油缸和举升油缸运动如图 4所示。

在滚轮作用下的托梁受力图如图 5所示。可以看到左托梁和右托梁受力情况区别较大，这是由于转动架转动时，对两边托梁产生了不同方向的力矩。左托梁峰值载荷出现在仿真过程中18 s左右，左滚轮峰值载荷为47 kN，右滚轮峰值载荷为48 kN；右托梁峰值载荷出现在仿真过程中58 s左右，左滚轮峰值载荷为73 kN，右滚轮峰值载荷为75 kN。

扼架受力如图 6所示。可以看出扼架左、右铰受力区别明显，峰值载荷出现时间和托梁运动仿真相似，扼架左铰Y方向峰值载荷为27 kN，X方向峰值载荷为10 kN；扼架右铰Y方向峰值载荷为51 kN，X方向峰值载荷为10 kN。

3 静力学分析

根据管片拼装机动力学仿真求解的关键部件受力变换规律，得到单个部件静力学仿真所需的载荷边界，对危险工况下的托梁和扼架进行仿真，校核托梁和扼架强度。

3.1 托梁静力学分析

在滚轮与托梁接触处施加动力学仿真得到的相关数值，并在所有节点上施加标准重力场，最后在托梁尾端施加6 t的桥力，进行静力学仿真，得到的托梁应力云图和托梁竖直方向变形云图如图 7所示。可以看出，在管片A₂运动过程中，托梁的最大应力位置位于托梁筋板连接处，属于应力集中。实际托梁上端面大部分区域的应力为70 MPa以下，托梁材料为Q345，托梁应力在许用范围之内，安全系数较高。从托梁竖直方向变形云图可以看出，托梁最大变形为2.884 mm，托梁变形较小。

3.2 扼架静力学分析

扼架的加载方式与托梁类似，得到扼架的应力云图和扼架竖直方向变形云图如图 8所示。可以看出，在管片A₂运动过程中，扼架的最大应力位置位于扼架与支撑连接处，属于应力集中。实际扼架上端面大部分区域的应力为43 MPa以下，扼架材料为Q345，扼架应力在许用范围之内，安全系数较高。从扼架竖直方向变形云图可以看出，扼架最大变形为4.31 mm，扼架变形较小，表明管片拼装机的整体刚度较好，拼装过程稳定可靠。

在管片拼装机实际工作过程中，由于操作失误，管片A₂可能转动到90°，此时扼架产生极限应力和变形，最大应力位置与管片A₂转动70°工况相同，极限应力为272 MPa，属于应力集中，实际扼架上端面大部分区域的应力小于80 MPa。

4 现场测试验证

为了验证静力学仿真结果，选择仿真中应力较大位置进行应变测试，考虑到贴片位置受限，托梁测试点选取左、右托梁上端面靠近固定面处，扼架测试点选取扼架与支撑转折处。测试系统包括YD-28动态电阻应变仪、工控机、数据采集卡、电阻应变片等，测试系统连接如图 9所示。

4.1 托梁测试结果分析

在管片A₂安装过程中，先将管片A₂抓起，再进行测试。移动架在4 s时开始移动，测试点应力变化规律如图 10所示。

在移动架到达末端位置时，静力学仿真与测试结果对比如表 2所示。

4.2 扼架测试结果分析

扼架测试方式与托梁类似，测试点应力变化规律如图 11所示。

由于实际测试时，管片A₂转动到70°的工况不易操控，因此选择管片A₂转动90°工况的应力值与静力学仿真进行对比。在管片转动90°时，测试应力值为41.6 MPa，仿真值为37.3 MPa，误差为10.3%。

通过以上对比可以发现，仿真值与实测值存在误差，这是因为管片拼装机实际工作时产生的振动冲击相对较大，导致各测试点的实际测试值略大于仿真值。

5 结论

1) 根据动力学仿真结果，得到管片A₂安装时托梁和扼架的力学特性。其中，左托梁左滚轮峰值载荷为47 kN，右滚轮峰值载荷为48 kN；右托梁左滚轮峰值载荷为73 kN，右滚轮峰值载荷为75 kN。扼架左铰各方向峰值载荷分别为27 kN和10 kN；扼架右铰各方向峰值载荷分别为51 kN和10 kN。上述峰值载荷为托梁和扼架的静力学分析提供了载荷边界条件。

2) 根据静力学仿真结果，得到管片A₂安装时托梁和扼架的应力和变形。计算结果表明，托梁和扼架的应力计算结果均远小于许用应力，安全系数较高；托梁和扼架的最大变形较小，证明该管片拼装机整体刚度较好，拼装过程稳定可靠。

3) 对管片拼装机进行了实测，根据管片拼装机测试结果对静力学仿真结果进行验证，仿真值与实际测试值误差小于11%，误差在合理范围内。目前，该设备在穿黄地铁工程上应用良好。