盛 磊 于振軍 韓凌峰

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000；2.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，德陽 618000）

1 技術(shù)背景

隧道滲水是隧道常見病害中一種較為普遍的病害形式，已經(jīng)對(duì)包括隧道的電氣化改造[1]等造成了嚴(yán)重的安全隱患。目前，隧道滲漏治理方法主要是以“防、堵、排、截”相結(jié)合的原則進(jìn)行綜合治理[2-3]，其中“排”是現(xiàn)有技術(shù)條件下經(jīng)濟(jì)合理的一種治理方案，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了隧道的滲漏治理中，它是在隧道內(nèi)壁鑿槽引排的方法，以滲漏點(diǎn)為起點(diǎn)鉆孔，沿隧道壁開鑿引水槽，再埋入聚氯乙烯（Poly Vinyl Chloride，PVC）排水管，從而實(shí)現(xiàn)將滲水從上往下引流的目的。傳統(tǒng)人工開鑿方法是利用手持式混凝土切割機(jī)和電錘沖擊鉆進(jìn)行作業(yè)，受施工天窗期的影響，單條排水槽需要多個(gè)工人多個(gè)天窗期才能完成，且人工作業(yè)方式前期準(zhǔn)備工作繁多、施工工藝復(fù)雜、施工效率低下、作業(yè)環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響了隧道施工進(jìn)度[4-5]。

為解決隧道滲漏病害治理中排水槽施工過程出現(xiàn)的上述問題，推進(jìn)隧道病害治理施工的智能化進(jìn)程，研發(fā)了一套用于以機(jī)器人等為載具的末端切槽工具，經(jīng)試驗(yàn)，該工具滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可降低施工工藝復(fù)雜性，提高施工效率。

2 工藝介紹

排水管道安裝槽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為燕尾槽結(jié)構(gòu)，其目的是為了使引水管道固定更加安全，在填充混凝土并固化后不易從墻壁中脫落。引水管通常采用外徑為50 mm 及以下的PVC 管，排水管道安裝槽內(nèi)截面尺寸通常設(shè)計(jì)為外寬50 mm，底寬80 mm，高60 mm 的燕尾型結(jié)構(gòu)，排水管道安裝槽設(shè)計(jì)截面圖如圖1 所示。

圖1 排水管道安裝槽設(shè)計(jì)截面圖

本文提供的切槽方法是以工業(yè)機(jī)器人為載具，在其前端安裝上研制的切槽工具，經(jīng)過系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行掃描生成切槽軌跡，然后按軌跡通過兩次固定角度切槽即可完成符合工藝要求的燕尾槽切槽作業(yè)。這種切槽方法前期場地準(zhǔn)備少、工藝復(fù)雜性低、施工效率高，大大減少了切槽時(shí)間。

3 切槽工具總體方案

由于該切槽工具需要安裝到工業(yè)機(jī)器人等載具平臺(tái)上才能使用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需留有與之相應(yīng)的安裝接口。其主要結(jié)構(gòu)還包括刀頭裝置、柔性浮動(dòng)裝置、力矩變換裝置、限位裝置、除塵降溫裝置和主軸電機(jī)等，總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 刀頭裝置

作為本切槽工具最重要的組成部分，刀頭結(jié)構(gòu)的合理性直接影響了最終的切槽效果，為了達(dá)到理論開槽截面尺寸要求，本設(shè)計(jì)采用了多切割片疊加放置的方式，通過兩次交叉切割，得到了接近理論切割面的切口，由于切口底面程V 字形結(jié)構(gòu)，使得放置水管時(shí)的貼合度更高。兩次切槽切割片組呈現(xiàn)的疊加效果如圖3 所示，最終完成的切槽切口截面如圖4 所示。

圖3 兩次切槽切割片疊加效果

圖4 切口截面

為了達(dá)到鐵路隧道混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求，本次試驗(yàn)用的混凝土預(yù)制試件采用了強(qiáng)度等級(jí)為C45 的混凝土砌塊，因此切割片的選擇既要能對(duì)該強(qiáng)度的混凝土有較強(qiáng)的切削能力，又要有較高的耐磨性。經(jīng)試驗(yàn)，采用干式金剛石鋸片對(duì)此種強(qiáng)度的混凝土有較強(qiáng)的切削能力和耐磨性[6]，滿足切槽要求。在選擇切割片時(shí)，若尺寸選擇過小，則不能滿足基本切槽深度，若尺寸過大會(huì)加大電機(jī)負(fù)荷，因此切割片尺寸的選擇既要達(dá)到切槽深度，又要盡量減輕電機(jī)負(fù)荷。通過多次試驗(yàn)與分析，最終采用的切割片直徑為230 mm。

除了切割片外徑尺寸，層疊的切割片數(shù)量與片距也會(huì)對(duì)電機(jī)負(fù)荷、排屑能力和進(jìn)給速度產(chǎn)生直接影響。當(dāng)切割相同寬度和深度的單邊槽時(shí)，切割片層疊數(shù)量越少，進(jìn)給速度越快，但切割片排屑能力越差，會(huì)在溝槽中留下混凝土殘塊，不便于清理。若增加切割片數(shù)量，使片距縮短，排屑能力會(huì)得到改善，但電機(jī)負(fù)荷會(huì)隨之增加，需要更大功率的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。為了在不增加電機(jī)功率的同時(shí)又得到較理想的排屑效果，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出，在滿足切槽進(jìn)給速度（0.4 m?min-1）和電機(jī)額定功率（5.5 kW）的情況下，選擇9 片切割片，總體厚度為42.7 mm，片距為2.2 mm 時(shí)的切割片組排屑能力最優(yōu)，同時(shí)電機(jī)效率也能達(dá)到最佳狀態(tài)。

為了進(jìn)一步提升切割片組的排屑能力，可將兩塊切割片之間的墊片打磨出一定角度，使切割片之間呈非平行排列，這樣在切割過程中，切割片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的擺動(dòng)，從而強(qiáng)行將夾在中間的殘塊甩出，以達(dá)到主動(dòng)排屑的目的。切割片的非平行排列圖和切槽效果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 切割片的非平行排列圖

圖6 切槽效果圖

4.2 柔性浮動(dòng)裝置

隧道內(nèi)壁混凝土表面受建設(shè)施工時(shí)施工技術(shù)的影響，在縱向模具接縫處存在10 mm 左右的不規(guī)則錯(cuò)臺(tái)，切槽工具切割到此處時(shí)，由于阻力迅速增加可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡?，F(xiàn)象。因此，切槽工具需要具備柔性自適應(yīng)能力，以減小經(jīng)過不規(guī)則錯(cuò)臺(tái)時(shí)產(chǎn)生的阻力，使工具前端刀頭裝置始終維持恒定壓力，從而保證槽深的一致性。本次設(shè)計(jì)的裝置由一個(gè)大口徑氣缸構(gòu)成，利用空氣作為介質(zhì)，通過精確調(diào)節(jié)氣缸進(jìn)出口的氣壓能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)恒壓的目的。除此以外，柔性浮動(dòng)裝置還能起到減振保護(hù)作用，可明顯減少切割片和電機(jī)在切槽過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，從而減小外部因素對(duì)機(jī)器人的影響。

4.3 力矩變換裝置

主軸電機(jī)作為功率輸出單元，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能并通過切割片輸出到作業(yè)端，在電機(jī)功率輸出過程中，需要經(jīng)過力矩轉(zhuǎn)換裝置把輸出至前端的力矩放大，以滿足切槽要求。力矩變換裝置先通過一對(duì)柱齒輪把電機(jī)輸出力矩放大，然后通過錐齒輪把電機(jī)縱向力矩轉(zhuǎn)換成橫向力矩由鋸片輸出。

4.4 限位裝置

切槽工具在作業(yè)過程中切槽深度的控制主要由安裝在切割片組兩側(cè)的限位裝置實(shí)現(xiàn)。限位裝置內(nèi)部安裝了行程限位開關(guān)，用于檢測位置狀態(tài)信號(hào)，限位開關(guān)前端與隧道內(nèi)壁接觸處安裝了滑輪裝置，能夠使工具端移動(dòng)過程更加順暢，限位裝置所安裝的限位開關(guān)具備IP67 級(jí)防護(hù)能力，能夠保護(hù)自身不受粉塵和水的影響。此裝置結(jié)構(gòu)上采用加強(qiáng)設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)誤操作或突發(fā)情況時(shí)，自身硬限位部分能夠?qū)Φ镀鸬椒雷脖Ｗo(hù)作用。

4.5 除塵降溫裝置

在混凝土切槽過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，從而對(duì)現(xiàn)場施工環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，同時(shí)也會(huì)使切割鋸片的溫度升高，進(jìn)而對(duì)切削能力和鋸片壽命產(chǎn)生很大影響。為了降低環(huán)境污染和對(duì)鋸片的損害，在切割片組上下兩端安裝了自動(dòng)噴淋裝置，該裝置可根據(jù)切槽深度和角度手動(dòng)調(diào)節(jié)位置，當(dāng)進(jìn)行切槽作業(yè)時(shí)裝置能夠自動(dòng)工作，以達(dá)到除塵降溫的目的。

5 實(shí)驗(yàn)及測試

在完成整個(gè)切槽工具的安裝和調(diào)試后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測試，配合機(jī)器人平臺(tái)和與本設(shè)備配套的切槽系統(tǒng)，對(duì)預(yù)制的C45 混凝土砌塊進(jìn)行了切割，切槽速度為0.4 m?min-1，按固定角度進(jìn)行兩次切槽，所切燕尾槽表面寬度達(dá)到了47 mm，內(nèi)底寬度達(dá)到了78 mm，內(nèi)高達(dá)到了64 mm，誤差均在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)，切割速度、燕尾槽外形與深度均達(dá)到了預(yù)期要求。另外，此工具還可以開直槽，直槽寬度能夠達(dá)到42.7 mm。切槽工具實(shí)物外形和最終切槽效果分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 切槽工具實(shí)物外形圖

圖8 切槽效果

6 結(jié)語

燕尾型排水管道安裝槽切槽工具的成功研制與測試，降低了隧道切槽工藝的復(fù)雜性，提高了施工效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)隧道切槽作業(yè)的智能化提供了解決方案。該工具具有較好的通用接口，后期可移植到其他平臺(tái)作業(yè)，通過對(duì)工具性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和完善，可實(shí)現(xiàn)工具小型化并進(jìn)一步提升工作效率。