磁力摩擦式輔助驅(qū)動在TBM連續(xù)皮帶機(jī)中的應(yīng)用

徐虎城， 齊夢學(xué)， 王燦林， 車新寧

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磁力摩擦式輔助驅(qū)動在TBM連續(xù)皮帶機(jī)中的應(yīng)用

徐虎城1， 齊夢學(xué)2， 王燦林3， 車新寧4

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；

2. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司， 重慶 400700； 3. 中鐵十八局集團(tuán)軌道工程有限公司，湖北 武漢 430000; 4. 兗礦集團(tuán)有限公司， 山東 鄒城 273500)

長大隧道TBM(tunnel boring machine)施工大多采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，當(dāng)運輸距離較大時通常需要在中間增設(shè)輔助驅(qū)動，以降低膠帶最大張力，從而降低膠帶強(qiáng)度。為了提高輔助驅(qū)動的工程適應(yīng)性，研發(fā)了磁力摩擦式輔助驅(qū)動系統(tǒng)，具有驅(qū)動力大、無二次轉(zhuǎn)載、膠帶無二次沖擊損傷、結(jié)構(gòu)簡單、 故障點少、結(jié)構(gòu)緊湊占用空間小、安裝方便和配置靈活等特點。該成果可用于采用鋼絲繩芯膠帶的TBM連續(xù)皮帶機(jī)、支洞皮帶機(jī)以及其他需要輔助驅(qū)動的膠帶輸送機(jī)，并在山西省中部引黃工程TBM1標(biāo)段成功應(yīng)用，具有廣闊的推廣應(yīng)用價值。

TBM； 出渣運輸； 連續(xù)皮帶機(jī)； 輔助驅(qū)動； 磁力摩擦； 鋼絲繩芯

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)實現(xiàn)了長大隧道施工的流程化作業(yè)，是目前隧道施工最先進(jìn)的工法之一。廣義上講，隧道掘進(jìn)機(jī)包含全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，全斷面掘進(jìn)機(jī)包括巖石掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)(軟土掘進(jìn)機(jī))。在我國隧道施工領(lǐng)域，通常把全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)稱為“TBM”[1]。我國大規(guī)模的鐵路、公路、市政、水利、水電、供氣、防洪等工程建設(shè)，需要修建大量隧道/隧洞，TBM法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全和環(huán)保等施工特點，存在著諸多優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用空間[2]。

長大隧道TBM施工采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，具有作業(yè)效率高、綜合成本低、洞內(nèi)空氣污染小、運輸組織便利等優(yōu)勢[3]，并逐步取代有軌運輸成為長大隧道TBM施工的主流出渣方式。TBM施工中所采用的連續(xù)皮帶機(jī)輸送長度通常不小于10 km，其驅(qū)動方式除了必備的頭部驅(qū)動外，大多需要配備尾部驅(qū)動。如果輸送距離較長、或者運量較大、或者提升高度較高，則需要在皮帶機(jī)中間部位增加輔助驅(qū)動。

國內(nèi)外關(guān)于TBM施工用連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)的研究較多，文獻(xiàn)[3]對比論證了長大隧道TBM施工有軌運輸與連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式；文獻(xiàn)[4-7]論述了連續(xù)皮帶機(jī)在TBM施工中的成功應(yīng)用以及在不同工況施工過程中出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施；文獻(xiàn)[8-11]從不同角度論述連續(xù)皮帶機(jī)出渣條件下敞開式TBM的同步襯砌施工技術(shù)。目前，關(guān)于連續(xù)皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，特別是輔助驅(qū)動系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)很少。

本文總結(jié)了目前常用的皮帶機(jī)中間輔助驅(qū)動類型，簡要分析其優(yōu)缺點，結(jié)合TBM施工隧道洞內(nèi)斷面空間狹小的特點，提出了磁力摩擦式輔助驅(qū)動設(shè)計理念，具有性能可靠、驅(qū)動力大、配置靈活等特點，并在山西省中部引黃工程中成功應(yīng)用，可為類似工程或設(shè)備提供借鑒。

1 輔助驅(qū)動應(yīng)用現(xiàn)狀

目前皮帶機(jī)中間輔助驅(qū)動主要有2種方式： 滾筒轉(zhuǎn)載式和重力摩擦式，TBM施工用連續(xù)皮帶機(jī)主要采用前者。

1.1 滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動

滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動是目前連續(xù)皮帶機(jī)最常用的輔助驅(qū)動方式，通過驅(qū)動滾筒與膠帶之間的摩擦力為膠帶運行提供輔助動力，主要結(jié)構(gòu)組成為電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動滾筒、改向滾筒、機(jī)架以及控制系統(tǒng)，見圖1。陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工中的連續(xù)皮帶機(jī)即采用該種輔助驅(qū)動方式。

1—驅(qū)動滾筒； 2—改向滾筒； 3—膠帶。

圖1 滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動

Fig. 1 Drum converting typed auxiliary driving

連續(xù)皮帶機(jī)運行過程中，石渣經(jīng)過輔助驅(qū)動位置時，經(jīng)高位向低位轉(zhuǎn)載運行，膠帶將承受石渣落差帶來的二次沖擊，必要時需要設(shè)置緩沖床或者緩沖托輥。轉(zhuǎn)渣點需要設(shè)置料斗與裙板，以防止石渣外溢或者落入回程膠帶而造成滾筒或者膠帶損傷。由于TBM開挖的石渣通常情況下粒徑較小、細(xì)小顆粒多、巖粉含量大、含水量大，導(dǎo)致石渣中不可避免地存在較多泥漿，對連續(xù)皮帶機(jī)的運行帶來一定的安全隱患，需增加清掃裝置予以保護(hù)，并且要經(jīng)常維護(hù)和維修以確保清掃效果，否則容易損傷膠帶。此外，輔助驅(qū)動位置的皮帶機(jī)調(diào)整調(diào)試工作要求嚴(yán)格，否則容易導(dǎo)致膠帶跑偏而影響連續(xù)皮帶機(jī)正常運轉(zhuǎn)。

1.2 重力摩擦式輔助驅(qū)動

重力摩擦式輔助驅(qū)動是在連續(xù)皮帶機(jī)需要增加輔助驅(qū)動的位置，于連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶與回程膠帶之間設(shè)置1臺單獨的輔助驅(qū)動皮帶機(jī)，承載膠帶緊貼輔助驅(qū)動膠帶，其自身重量及所負(fù)荷載全部由輔助驅(qū)動膠帶承擔(dān)。兩膠帶以相同的速度運行，在輸送物料重力與連續(xù)皮帶機(jī)膠帶自身重力作用下，承載膠帶與輔助驅(qū)動膠帶之間產(chǎn)生較大的靜摩擦力，并以此作為連續(xù)皮帶機(jī)的輔助驅(qū)動動力，見圖2。

1—輔助驅(qū)動滾筒； 2—輔助驅(qū)動膠帶； 3—改向滾筒； 4—承載膠帶。

圖2 重力摩擦式輔助驅(qū)動

Fig. 2 Gravity friction typed auxiliary driving

重力摩擦式輔助驅(qū)動大多用于輸送量和驅(qū)動功率比較大的膠帶輸送機(jī)。輔助驅(qū)動動力遵循阿蒙頓-庫侖摩擦定律

Fj=fN，

(1)

其中

N=(qB+qG)glj。

(2)

式(1)和式(2)中：f為膠帶間的摩擦因數(shù)；N為物料、膠帶自身重力所形成的正壓力；qB為膠帶的線密度；qG為物料的線密度；g為重力加速度；lj為輔助驅(qū)動膠帶長度 。

輔助驅(qū)動皮帶機(jī)長度

lj≥Fj/[f(qB+qG)g]。

(3)

在實際運轉(zhuǎn)過程中，連續(xù)皮帶機(jī)上的石渣并非完全均勻布置，忽多忽少甚至?xí)r斷時續(xù)，并且部分工況條件下在輔助驅(qū)動區(qū)域并無石渣，而計算輔助驅(qū)動的長度時，必須考慮其最不利工況，因而，輔助驅(qū)動皮帶機(jī)長度通常較大；同時，輔助驅(qū)動動力也會出現(xiàn)明顯跳動，大小變化頻繁且變化幅度較大，不利于連續(xù)皮帶機(jī)的平穩(wěn)運行。

2 磁力摩擦式輔助驅(qū)動

鑒于常用的滾筒轉(zhuǎn)載式和重力摩擦式輔助驅(qū)動存在的問題，結(jié)合TBM連續(xù)皮帶機(jī)安裝、運行工況條件及負(fù)荷變化特點，筆者的研究團(tuán)隊開發(fā)了磁力摩擦式輔助驅(qū)動系統(tǒng)[12]。

2.1 工作機(jī)制

根據(jù)鐵磁性物質(zhì)在磁場中受力的性質(zhì)，在重力摩擦式輔助驅(qū)動的基礎(chǔ)上，在輔助驅(qū)動膠帶下方設(shè)置磁鋼，磁力穿透輔助驅(qū)動膠帶作用于連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶的鋼絲繩，從而使連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶與輔助驅(qū)動膠帶之間保持相對恒定的壓力，確保驅(qū)動力始終保持在合理范圍。

2.2 主要結(jié)構(gòu)

磁力摩擦式輔助驅(qū)動設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖3。

(a) 原理圖

(b) 布置圖

(c) 橫斷面圖

1—輔助驅(qū)動滾筒以及電機(jī)、減速器等； 2—機(jī)架； 3—輔助驅(qū)動改向滾筒； 4—連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶(鋼絲繩芯)； 5—輔助驅(qū)動膠帶(纖維芯)； 6—釹鐵硼磁鋼； 7—支架； 8—護(hù)板； 9—下托輥； 10—上托輥。

圖3 磁力摩擦式輔助驅(qū)動設(shè)計結(jié)構(gòu)

Fig. 3 Design of magnetic friction typed auxiliary driving

連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶為鋼絲繩芯膠帶，膠帶中的鋼絲繩為強(qiáng)磁性材料，極易被磁化。輔助驅(qū)動膠帶為纖維芯膠帶，屬于不能被磁化的弱磁性材料。釹鐵硼磁鋼安裝在支架上，按照設(shè)計的數(shù)量排列于機(jī)架，輔助驅(qū)動膠帶布置于磁鋼上方，連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶緊貼在輔助驅(qū)動膠帶上方。磁鋼所產(chǎn)生的磁場力透過輔助驅(qū)動膠帶作用于連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶中的鋼絲繩上。在磁力的作用下，連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶與輔助驅(qū)動膠帶緊密地貼合在一起，具備了摩擦傳動的條件。當(dāng)輔助驅(qū)動滾筒運轉(zhuǎn)時，輔助驅(qū)動膠帶通過靜摩擦力(驅(qū)動連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶運行的輔助動力)帶動連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶及其運輸?shù)氖酵蜻\行。

輔助驅(qū)動滾筒以及改向滾筒附近無磁鋼，磁鋼僅安裝于輔助驅(qū)動膠帶成槽部分，連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶運行至滾筒前能夠與輔助驅(qū)動膠帶分離，以保證分離后兩膠帶沿各自設(shè)定的軌跡運行。

磁力摩擦式輔助驅(qū)動所能提供的最大摩擦力，遵循阿蒙頓-庫侖摩擦定律，則

Fj=f(Fc+N)。

(4)

其中

Fc=ljFci；

(5)

N=(qB+qG)glj。

式(4)和式(5)中：Fj為輔助驅(qū)動所能提供的最大摩擦力；Fc為磁場作用于連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶的引力；Fci為磁鋼單位長度產(chǎn)生的引力。

當(dāng)主驅(qū)動滿足設(shè)計要求且輔助驅(qū)動的摩擦力滿足Fj>Fuj(輔助驅(qū)動所分擔(dān)的阻力)時，膠帶被正常驅(qū)動。若主驅(qū)動滿足設(shè)計要求，但輔助驅(qū)動的摩擦力Fj

單個磁鋼的磁場強(qiáng)度、磁鋼的布置形式和總面積以及磁鋼與鋼絲繩芯膠帶間的距離決定著磁力摩擦式輔助驅(qū)動所能產(chǎn)生的驅(qū)動力(或拖動力)的大小。

2.3 主要特點

1)驅(qū)動力大。磁力摩擦式輔助驅(qū)動選用釹鐵硼磁鋼作為產(chǎn)生正壓力的施力源。稀土釹鐵硼永磁材料具有剩磁高、矯頑力高、磁性能高的特點，性能優(yōu)異，號稱“磁王”。與傳統(tǒng)的重力摩擦式輔助驅(qū)動相比，在單位長度上，由磁鋼磁場所產(chǎn)生的正壓力遠(yuǎn)大于由物料和膠帶自身重力所產(chǎn)生的正壓力； 因此，在相同長度下，膠帶運行所需的摩擦驅(qū)動力，磁力摩擦式也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力摩擦式。此外，連續(xù)皮帶機(jī)承受荷載大小，對兩膠帶之間正壓力的影響不大，故對摩擦驅(qū)動力的影響同樣很弱，因而,磁力摩擦式輔助驅(qū)動的驅(qū)動力是相對恒定的。

2)膠帶無二次沖擊損傷。磁力摩擦式輔助驅(qū)動所提供的驅(qū)動力來自于兩膠帶之間的摩擦力，連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶及荷載在運行中通過輔助驅(qū)動時，其運動狀態(tài)基本不發(fā)生改變，膠帶也避免受到二次沖擊，使用壽命得以延長。

3)無二次轉(zhuǎn)載，結(jié)構(gòu)簡單，故障點少。磁力摩擦式輔助驅(qū)動無需二次轉(zhuǎn)載，因此取消了滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動的料斗、清掃器、緩沖床、膠帶裙板、泥漿收集處理池等部件和結(jié)構(gòu)，減少了故障點，設(shè)備運行更加可靠，并且有利于環(huán)境保護(hù)及現(xiàn)場文明施工。

4)結(jié)構(gòu)緊湊。磁力摩擦式輔助驅(qū)動，由于“磁王”材料釹鐵硼對連續(xù)皮帶機(jī)鋼絲繩芯所產(chǎn)生的巨大吸引力，使得兩膠帶之間的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力摩擦式輔助驅(qū)動的壓力，兩膠帶間單位長度的摩擦力顯著提升，從而大大減小了輔助驅(qū)動的長度，減少了對隧道有限空間的占用。

5)安裝方便。安裝滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動時，首先要在安裝位置將連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶割斷，然后安裝輔助驅(qū)動，將膠帶按照設(shè)計路徑穿過輔助驅(qū)動，再重新硫化連接，費時費力。

安裝磁力摩擦式輔助驅(qū)動時，只需在安裝位置拆除連續(xù)皮帶機(jī)的上托輥，并將承載膠帶與回程膠帶上下分開適當(dāng)距離，即可為輔助驅(qū)動安裝提供足夠空間。輔助驅(qū)動安裝到位后，承載膠帶準(zhǔn)確貼合在驅(qū)動膠帶上，固定連續(xù)皮帶機(jī)回程膠帶及機(jī)架，無需再次硫化，省時省力。

6)配置靈活。使用過程中，可以實時監(jiān)控輔助驅(qū)動負(fù)荷變化，適時調(diào)整磁鋼數(shù)量，便捷調(diào)整兩膠帶之間的摩擦力，保持輔助驅(qū)動所提供的動力與連續(xù)皮帶機(jī)運行所需動力相匹配。

3 磁力摩擦式輔助驅(qū)動的工程應(yīng)用

針對山西省中部引黃工程TBM1標(biāo)段連續(xù)皮帶機(jī)安裝及運行工況條件，筆者團(tuán)隊設(shè)計制造了磁力摩擦式輔助驅(qū)動系統(tǒng)并在工程實踐中成功應(yīng)用。

3.1 工程與設(shè)備概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃中大水網(wǎng)建設(shè)的一項重要工程，供水范圍涉及晉中、忻州、呂梁和臨汾4市16個縣(市)，輸水線路由總干線、西干線、東干線、汾孝支線、交汾支線及汾西支線等組成，隧洞總長308.877 km，其中總干線4條隧洞總長194.527 km，3#隧洞長119.17 km，采用2臺TBM與鉆爆法相結(jié)合的施工方法[13-15]。

總干線3#隧洞TBM1標(biāo)段主洞長21.029 m、縱坡1/2 500，TBM進(jìn)洞支洞長3 770.69 m、縱坡4.1%，23#通風(fēng)支洞縱坡36.15%。TBM開挖直徑為5.06 m，單循環(huán)掘進(jìn)長度為1.5 m，主驅(qū)動功率為6×330 kW，采用六邊形管片襯砌，管片外徑4.8 m、內(nèi)徑4.3 m。

TBM掘進(jìn)采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

原設(shè)計采用滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動，后優(yōu)化修改為磁力摩擦式輔助驅(qū)動。

3.2 應(yīng)用效果

2016年9月23日，TBM累計掘進(jìn)長度12 km時，連續(xù)皮帶機(jī)長度達(dá)到11.7 km，按設(shè)計在距離皮帶機(jī)主驅(qū)動10 km處安裝磁力摩擦式輔助驅(qū)動，見圖4。

(a) 驅(qū)動滾筒端

(b) 尾部改向滾筒端

連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶由輔助驅(qū)動的驅(qū)動滾筒側(cè)高度逐漸降低直至緊貼輔助驅(qū)動膠帶并且由輔助驅(qū)動膠帶承擔(dān)原托輥功能；接近輔助驅(qū)動改向滾筒時，連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶逐漸抬升高度直至完全脫離，而后繼續(xù)由連續(xù)皮帶機(jī)的托輥支撐運行。

磁力摩擦式輔助驅(qū)動全長36 m，實際安裝時間為3 d。按相同的工況條件，若采用重力摩擦式輔助驅(qū)動，其長度約為800 m，安裝時間為7～10 d；若采用滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動，其長度約為25 m，安裝時間約10 d。3種驅(qū)動方式所占用空間的最大寬度基本相同。

2016年9月底，在安裝磁力摩擦式輔助驅(qū)動后，連續(xù)皮帶機(jī)運行平穩(wěn)、工作可靠，設(shè)備完好率達(dá)到96%以上，為TBM持續(xù)快速施工提供了重要保障。截至11月底，TBM繼續(xù)掘進(jìn)2.8 km，10月和11月TBM月進(jìn)尺分別為1 190、1 411 m，最高日進(jìn)尺76.1 m。如果沒有連續(xù)皮帶機(jī)的可靠平穩(wěn)運行，良好的掘進(jìn)進(jìn)尺是無法實現(xiàn)的。

4 結(jié)論與討論

工程實踐證明，TBM連續(xù)皮帶機(jī)磁力摩擦式輔助驅(qū)動性能可靠、安裝便捷，避免了中途卸載轉(zhuǎn)運對膠帶的二次沖擊，有利于保護(hù)膠帶，故障風(fēng)險點大大減少，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝便捷，在長大隧道TBM施工洞內(nèi)空間狹小條件下具有重要的推廣應(yīng)用價值。

目前，磁力摩擦式輔助驅(qū)動技術(shù)在TBM連續(xù)皮帶機(jī)中的應(yīng)用尚處于起步階段，下一步仍需在如下方面繼續(xù)深入研究： 1)稀土釹鐵硼永磁材料雖然可通過調(diào)整數(shù)量、與連續(xù)皮帶機(jī)承載膠帶距離的方式調(diào)整輔助驅(qū)動摩擦力，但操作的便捷性欠佳，可研究加以改善； 2)磁力摩擦式輔助驅(qū)動安裝空間的最大寬度，主要取決于驅(qū)動滾筒、減速器、電機(jī)的尺寸，若能夠繼續(xù)研發(fā)安裝于滾筒內(nèi)部的永磁電機(jī)等新技術(shù)，有望大大減小空間占用，更加有利于隧道內(nèi)狹小空間的綜合利用。

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Application of Magnetic Friction Typed Auxiliary Drivingfor TBM Tunnel Belf Conveyor

XU Hucheng1, QI Mengxue2, WANG Canlin3, CHE Xinning4

(1.XinjiangEerqisiRiverBasinDevelopmentandConstructionManagementBureau,Urumqi830000,Xinjiang,China; 2.TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China; 3.TrafficEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Wuhan430000,Hubei,China; 4.YankuangGroupCo.,Ltd.,Zoucheng273500,Shandong,China)

The belt conveyors are usually used to muck in long and large tunnel constructed by TBM. The auxiliary driving should be used when the mucking distance is long, so as to reduce the maximum tension and strength of the belt. A more adaptable magnetic friction typed auxiliary driving system, which has advantages of large power, no secondary transportation, no secondary impact damage to the belt, simple structure, less fault, compact structure, easy installation and flexible configuration, is developed. The above-mentioned system can be used in belt conveyors in TBM tunnels, branch tunnels and tunnels which need auxiliary driving. It has been applied to the middle Yellow River Diversion Project in Shanxi successfully; so it is worth popularizing.

TBM; mucking; tunnel belt conveyor; auxiliary driving; magnetic friction; steel belt

2016-12-13;

2017-01-04

徐虎城(1975—)，男，甘肅武威人，2004年畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，水利工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail: 392358191@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.018

U 455.3

B

1672-741X(2017)03-0375-05