华南理工大学学报(自然科学版)

作者：何源福, 夏毅敏, 李深远, 等

单位：1.中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083；2.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410083；3.中国铁建重工集团股份有限公司, 湖南 长沙 410100；4.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063；5.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心, 湖北 武汉 430063

关键词：钢拱架,快速封口安装机构,抓取模块,螺旋理论,传动性能,尺寸参数优化

基金：湖南省创新型省份建设专项经费资助项目(2019GK1010);中南大学研究生自主探索创新项目(2022ZZTS0633)

目前隧道掘进机（TBM）施工过程的钢拱架安装均采用人工操作的形式完成，作业环境非常恶劣，导致钢拱架支护效率低、劳动强度大、施工风险高。为此，笔者及其所在团队前期设计了一种钢拱架快速封口安装机构，用于代替人工完成钢拱架的封口作业。抓取模块作为该封口安装机构中直接与钢拱架接触的核心部件，需要具有足够的传动性能，以满足夹持作业需求。为此，文中基于螺旋理论，建立了其运动学模型，推导了输入旋量和输出旋量之间的虚拟系数，研究得到了抓取模块的传动性能，并提出了相应的传动指标；在此基础上，建立了抓取模块的尺寸参数优化模型，结合钢拱架封口件的实际抓取需求，得到抓取模块各尺寸参数的优化结果如下：卡爪与连杆的初始夹角α=88°、导杆的初始位置l??FJ=170?mm，导杆运动范围0 ~ 63 mm。利用ADAMS软件对抓取模块从夹持到张开的姿势变化过程进行分析，得到以下结论：卡爪末端间的距离从50.0 mm逐渐增加至234.6 mm，满足抓取空间需求；输出扭矩呈先增大后减小的趋势，卡爪完全张开时扭矩最小值为21.23 N·m，满足输出扭矩需求。钢拱架封口成环的样机实验表明：抓取模块尺寸参数的测量值与计算模型仅相差4.5 mm，说明模型是正确的；钢拱架的整个封口安装时间为8.6 min，与传统人工作业相比，钢拱架封口机构的作业效率提高了20% ~ 70%。

来源：2022年第8期

《华南理工大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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