隧道掘進(jìn)機(jī)行走部設(shè)計(jì)探析

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

0 引言

目前隧道施工的手段主要有鉆爆、盾構(gòu)、TBM 和隧道掘進(jìn)機(jī)。其中隧道掘進(jìn)機(jī)憑借投入成本低、工作效率穩(wěn)定、適用巖石硬度覆蓋面廣及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，得到了很多用戶的青睞，市場(chǎng)占有率也逐年攀升。隧道掘進(jìn)機(jī)是在礦用掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，改進(jìn)內(nèi)容包括加大截割部等部件的外形尺寸、提升本體部等部件的可靠性。盡管隧道掘進(jìn)機(jī)已被廣泛使用，但設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)還存在一定的問(wèn)題，其中隧道掘進(jìn)機(jī)行走部的問(wèn)題較為突出，因此對(duì)隧道掘進(jìn)行走部的設(shè)計(jì)改進(jìn)變得尤為重要。

1 隧道掘進(jìn)機(jī)行走部設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)和存在問(wèn)題

1.1 隧道掘進(jìn)要求頻繁調(diào)機(jī)

隧道掘進(jìn)機(jī)需要頻繁調(diào)機(jī)的原因主要有2 個(gè)方面。1）由于隧道施工的斷面面積比煤礦巷道斷面面積大很多，即使設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)備本體部及截割部進(jìn)行了改造，改造后設(shè)備的截割尺寸仍不能完全滿足施工要求，只能通過(guò)頻繁移動(dòng)設(shè)備完成斷面截割任務(wù)。2）完成一個(gè)施工循環(huán)后，隧道內(nèi)壁需要錨護(hù)和噴漿，而隧道施工面空間有限，需要移動(dòng)隧道掘進(jìn)機(jī)給錨護(hù)和噴漿設(shè)備讓出空間，也要求隧道掘進(jìn)機(jī)滿足頻繁調(diào)機(jī)的要求。

1.2 隧道掘進(jìn)機(jī)支重輪磨損嚴(yán)重

支重輪磨損嚴(yán)重的原因主要有2 個(gè)方面。1）隧道掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)有砂石等異物進(jìn)入支重輪與履帶板的接觸面，砂石中大量的石英成分形成強(qiáng)烈的磨料磨損現(xiàn)象。2）支重輪尺寸設(shè)計(jì)不合理，支重輪直徑小、與履帶接觸長(zhǎng)度不足導(dǎo)致支重輪接觸強(qiáng)度不能滿足使用需求，也會(huì)使支重輪產(chǎn)生磨損。

1.3 隧道施工路面起伏，對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)沖擊大

由于隧道施工中設(shè)計(jì)路線不是水平的，所以設(shè)備工作時(shí)隨著路線的起伏而升降，頻繁的升降會(huì)對(duì)設(shè)備的行走部造成沖擊，對(duì)行走部的張緊輪、張緊油缸及履帶組件等構(gòu)件使用壽命影響很大。

1.4 隧道掘進(jìn)機(jī)履帶磨損嚴(yán)重

隧道掘進(jìn)機(jī)履帶磨損嚴(yán)重的原因有2 個(gè)方面。1）隧道掘進(jìn)機(jī)履帶板與砂石直接接觸，砂石含有石英等磨蝕材料，加速了履帶板的磨損。2）在隧道施工過(guò)程中，隧道掘進(jìn)機(jī)要頻繁調(diào)機(jī)移動(dòng)，大量的移動(dòng)也增加了履帶板的磨損。

2 針對(duì)問(wèn)題的解決方案

經(jīng)過(guò)考察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，挖掘機(jī)與隧道掘進(jìn)機(jī)行走部的施工環(huán)境較為相近，因此參考挖掘機(jī)行走部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)內(nèi)容如下。

2.1 行走架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與尺寸改進(jìn)

目前隧道掘進(jìn)機(jī)行走架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致行走部重量增加，設(shè)備調(diào)轉(zhuǎn)不靈活，因此在滿足使用剛度、強(qiáng)度的前提下，通過(guò)簡(jiǎn)化行走架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化行走架部件尺寸，可降低行走部重量[1]，提高設(shè)備靈活性。

2.2 支重輪改進(jìn)

支重輪改進(jìn)的方法有2 種。1）參考挖掘機(jī)支重輪與履帶板的結(jié)構(gòu)，將隧道掘進(jìn)機(jī)支重輪與履帶板的接觸面高度提升，減少砂石等異物進(jìn)入，進(jìn)而降低支重輪磨損量。2）通過(guò)更換支重輪輪體材質(zhì)、加大支重輪直徑、加長(zhǎng)支重輪與履帶接觸長(zhǎng)度，可有效延長(zhǎng)支重輪的使用壽命。

2.3 底板適應(yīng)性改進(jìn)

提升隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)底板適應(yīng)性的方法有2 種。1）增大隧道掘進(jìn)機(jī)行走部的引入角和離去角，通過(guò)調(diào)整張緊輪及驅(qū)動(dòng)輪在行走部中的擺放位置，就可以加大行走部的引入角和離去角角度。2）在行走部張緊輪外部增加彈簧，由彈簧吸收設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊，既保護(hù)了張緊輪組件及履帶組件，又提升了設(shè)備對(duì)底板不平工況的適應(yīng)性。

2.4 履帶結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前隧道掘進(jìn)機(jī)履帶板為整體式履帶板（鑄造或鍛造），結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，可參考挖掘機(jī)行走部的工程式履帶對(duì)其進(jìn)行替換。工程式履帶為組合件，由履帶板、鏈軌及連接件組成，結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。與整體式履帶板相比工程式履帶板有2 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）當(dāng)履帶板發(fā)生損壞時(shí)，直接將損壞件替換掉，其他組件依然可以使用，可降低設(shè)備維護(hù)成本。2）當(dāng)施工工況發(fā)生變化時(shí)，工程履帶板可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整，如在多石土壤中采用兩齒式履帶板，在寒冷地帶使用冬季履帶板。

圖1 2 種履帶結(jié)構(gòu)比對(duì)

3 關(guān)鍵參數(shù)選取設(shè)計(jì)

3.1 履帶節(jié)距

由于設(shè)備功率較大，為了滿足剛度與強(qiáng)度的要求，履帶節(jié)距可以選大一些。選擇大節(jié)距履帶可以減少履帶板使用數(shù)量，但節(jié)距增大會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪直徑隨之加大，在選擇時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況合理考慮。履帶節(jié)距L 計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下[2]。

式中：G—隧道掘進(jìn)機(jī)重量，N。

3.2 驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度z校核

首先應(yīng)假定單側(cè)履帶傳遞的最大輸出轉(zhuǎn)矩受到地面附著條件限制，也就是履帶輸出了最大的轉(zhuǎn)矩，但行走部仍然處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪齒傳遞驅(qū)動(dòng)力，對(duì)傳遞驅(qū)動(dòng)力的單齒進(jìn)行抗彎曲強(qiáng)度校核，校核公式如下。

驅(qū)動(dòng)輪齒抗彎曲強(qiáng)度σ 校核

σ=M/W=0.75Gh/W ≤[σ]式中：M—彎曲截面彎矩。

W—彎曲截面系數(shù)。

h—齒高（假定力作用在齒頂），mm。

[σ] —材質(zhì)許用彎曲強(qiáng)度，MPa。

驅(qū)動(dòng)輪齒抗擠壓強(qiáng)度σj校核

σj=582（G/bd）1/2≤[σj]

式中：b—驅(qū)動(dòng)輪輪齒寬度，mm。

d—履帶銷套外徑，mm。

[σj] —材質(zhì)許用擠壓強(qiáng)度，MPa。

3.3 支重輪與托鏈輪的數(shù)量及強(qiáng)度校驗(yàn)

為保證設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，理想支重輪的數(shù)量應(yīng)與履帶支承段的履帶板數(shù)量相同，即支重輪間距等于履帶板節(jié)距，但這種設(shè)計(jì)方法限制了支重輪的外徑尺寸，會(huì)降低支重輪強(qiáng)度。如選擇支重輪數(shù)量為履帶支承區(qū)履帶板數(shù)量一半，會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性，甚至導(dǎo)致設(shè)備下陷，增加運(yùn)行阻力。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般取支重輪間距為履帶節(jié)距的1.4～1.7 倍，支重輪的外徑為履帶節(jié)距的1～1.25 倍。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)校核時(shí)，還應(yīng)該校核支重輪與鏈軌節(jié)間的接觸應(yīng)力，校驗(yàn)公式如下[3]。

σjj=0.418（G1E/Br）1/2≤[σjj]

式中：G1—支重輪壓力，N。

E—支重輪輪體彈性模量。

B—支重輪輪體接觸長(zhǎng)度，mm。

r—支重輪半徑，mm。

[σjj] —支重輪輪體材質(zhì)許用接觸應(yīng)力，MPa。

托鏈輪位于行走架上方，用于托起履帶鏈，減小履帶跳動(dòng)防止滑落，為減小摩擦損失，每側(cè)托鏈輪數(shù)量為1～2 個(gè)。托鏈輪的布置高度應(yīng)有利于履帶脫離嚙合，并保證履帶平衡而順利的滑過(guò)上方區(qū)，保持履帶的正常張緊狀態(tài)。

3.4 引導(dǎo)輪和張緊裝置

引導(dǎo)輪和張緊裝置用來(lái)調(diào)節(jié)履帶松緊程度，張緊裝置的彈簧可以起到緩沖作用，防止履帶零部件過(guò)載。引導(dǎo)輪與張緊輪的調(diào)節(jié)行程應(yīng)大于履帶節(jié)距的一半，以便履帶拉長(zhǎng)后，拆除一節(jié)履帶即可繼續(xù)使用。引導(dǎo)輪的安裝中心高度應(yīng)略低于驅(qū)動(dòng)輪的安裝中心高度，其直徑也略小于驅(qū)動(dòng)輪直徑，保證設(shè)備行進(jìn)時(shí)，履帶由高處向低處滑動(dòng)，減少驅(qū)動(dòng)力不必要損耗。

張緊裝置的張緊力FZ經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：FZ=qa2/4k

式中：q—履帶單位長(zhǎng)度重力 kN/mm。a—導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪間的中心距 mm。k—履帶懸垂度 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)是在礦用掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，但是隧道掘進(jìn)機(jī)與礦用掘進(jìn)機(jī)的使用工況不一樣，為了保證設(shè)備符合隧道使用需求，對(duì)礦用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行“隧道化”改造非常有必要。該文總結(jié)了隧道掘進(jìn)機(jī)行走部在應(yīng)用過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題和難點(diǎn)，給出了改進(jìn)意見(jiàn)，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇及強(qiáng)度校核幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，為隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用與推廣提供了詳細(xì)的參考。