敞開(kāi)式TBM撐靴油缸穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)

尹威華，張 嘯，張喜冬，席 杰

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

支撐及推進(jìn)系統(tǒng)是敞開(kāi)式TBM 的主要機(jī)構(gòu)之一，為T(mén)BM 掘進(jìn)提供推力，同時(shí)承受TBM 掘進(jìn)的反力及反扭矩。支撐及推進(jìn)系統(tǒng)由主梁、鞍架、推進(jìn)油缸、撐靴油缸、扭矩油缸、撐靴、十字鉸接裝置、撐靴回正裝置、撐靴油缸穩(wěn)定裝置等結(jié)構(gòu)組成。

國(guó)內(nèi)對(duì)敞開(kāi)式TBM 支撐及推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了較多研究，但主要集中在運(yùn)動(dòng)分析和控制系統(tǒng)等研究，如：文獻(xiàn)[1]提出推進(jìn)油缸分組姿態(tài)自適應(yīng)的控制方法；文獻(xiàn)[2]通過(guò)分析支撐及推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立敞開(kāi)式TBM 調(diào)向運(yùn)動(dòng)方程。本文分析換步過(guò)程支撐及推進(jìn)系統(tǒng)的幾何關(guān)系，建立撐靴油缸穩(wěn)定裝置力學(xué)模型，對(duì)穩(wěn)定裝置彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

1 敞開(kāi)式TBM撐靴油缸穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)及功能

敞開(kāi)式TBM 一般分為兩個(gè)工作模式：掘進(jìn)和換步。TBM 掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸伸出，帶動(dòng)刀盤(pán)、驅(qū)動(dòng)、主梁等向前移動(dòng)，同時(shí)撐靴撐緊洞壁，保持相對(duì)固定，為T(mén)BM 掘進(jìn)提供推進(jìn)反力和反扭矩。主梁式TBM 可以在掘進(jìn)中進(jìn)行調(diào)向，水平調(diào)向時(shí)，通過(guò)撐靴油缸作用，帶動(dòng)鞍架及主梁向左或向右擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)TBM 向右或向左的調(diào)向。TBM 換步時(shí)，后支撐伸出，和護(hù)盾共同支撐主機(jī)的重量，撐靴油缸收回，通過(guò)推進(jìn)油缸回收，帶動(dòng)撐靴及鞍架向前移動(dòng)。

TBM 換步時(shí)，由于推進(jìn)油缸回收的差動(dòng)或者摩擦阻力的不均衡，可能會(huì)引起撐靴油缸繞十字銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致左右撐靴的偏轉(zhuǎn)，撐靴偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重時(shí)，難以匹配已安裝好的鋼拱架，給施工帶來(lái)不便。因此敞開(kāi)式TBM 通常在撐靴油缸兩側(cè)布置穩(wěn)定裝置，如圖1 所示，共4 組，用于保持撐靴油缸的相對(duì)居中狀態(tài)，避免撐靴左右偏轉(zhuǎn)過(guò)大。同時(shí)，在TBM 進(jìn)行水平調(diào)向時(shí)，由于鞍架的左右擺動(dòng)，會(huì)使得鞍架與撐靴油缸發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，因此撐靴油缸穩(wěn)定裝置需具備一定的壓縮量，用于適應(yīng)TBM 轉(zhuǎn)彎需求。

圖1 撐靴穩(wěn)定裝置布置圖

敞開(kāi)式TBM 撐靴油缸穩(wěn)定裝置主要有兩種型式：圓柱彈簧式和膜片彈簧加液壓油缸形式，如圖2 所示。雖然結(jié)構(gòu)型式不同，但撐靴油缸穩(wěn)定裝置原理相同，本文對(duì)圓柱彈簧型式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖2 撐靴穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)圖

2 撐靴穩(wěn)定裝置受力分析

撐靴穩(wěn)定裝置通常設(shè)計(jì)4 組，對(duì)稱(chēng)布置在撐靴油缸的前后?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整螺桿，使彈簧產(chǎn)生一定預(yù)變形X0，變形后的板簧會(huì)產(chǎn)生彈力N0。彈簧的預(yù)變形量相同，且使穩(wěn)定裝置頂住撐靴油缸，用以保持平衡。換步時(shí)，通過(guò)推進(jìn)油缸回收帶動(dòng)撐靴及鞍架沿掘進(jìn)方向前后移動(dòng)，推進(jìn)油缸之間并接，液壓力相同，如圖3 所示。為便于分析，忽略制造誤差和十字銷(xiāo)軸與撐靴油缸之間的摩擦力。

圖3 支撐及推進(jìn)系統(tǒng)受力圖

由受力平衡可得

由幾何關(guān)系得

由式（1）、式（2）可得

式中F——推進(jìn)油缸輸出推力或拉力；

α——力F與掘進(jìn)方向的夾角；

f——鞍架與撐靴系統(tǒng)與主梁軌道之間的摩擦力；

μ——鞍架與撐靴系統(tǒng)與主梁軌道之間的摩擦系數(shù)；

G——鞍架與撐靴系統(tǒng)作用在主梁軌道上的重力；

a——推進(jìn)油缸與撐靴連接點(diǎn)與十字銷(xiāo)軸鉸接點(diǎn)的距離；

y——推進(jìn)油缸與主梁連接點(diǎn)到主梁重心的距離；

L——推進(jìn)油缸前后連接點(diǎn)的距離；

N0——穩(wěn)定裝置彈簧的預(yù)緊力；

n——單個(gè)穩(wěn)定裝置中彈簧的數(shù)量；

K——彈簧的剛度，N/mm；

X0——彈簧的預(yù)變形量，mm。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，盡管油缸之間并接，但是由于阻力不同，油缸可能會(huì)出現(xiàn)差動(dòng)現(xiàn)象，即一側(cè)油缸先動(dòng)作，等一段時(shí)間后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，左右兩側(cè)油缸同時(shí)伸縮。這樣由于左右推進(jìn)油缸的先后動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致?lián)窝ダ@十字銷(xiāo)軸發(fā)生一點(diǎn)微小的偏轉(zhuǎn)，則2 組撐靴油缸穩(wěn)定裝置會(huì)發(fā)生壓縮，另外兩組撐靴穩(wěn)定裝置由于螺桿的限制，行程保持不變，而與撐靴油缸脫離接觸，撐靴油缸穩(wěn)定裝置會(huì)對(duì)撐靴油缸產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使撐靴油缸在偏轉(zhuǎn)狀態(tài)達(dá)到平衡，考慮極限情況，假設(shè)左側(cè)油缸先動(dòng)作，忽略右側(cè)油缸推力，如圖4 所示。

圖4 撐靴偏轉(zhuǎn)時(shí)支撐及推進(jìn)系統(tǒng)受力圖

由受力平衡可得

式中F1——推進(jìn)油缸輸出推力或拉力；

α1——力F與掘進(jìn)方向的夾角；

f1——鞍架與撐靴系統(tǒng)與主梁軌道之間的摩擦力；

a1——推進(jìn)油缸與撐靴連接點(diǎn)與十字銷(xiāo)軸鉸接點(diǎn)的距離；

L1——推進(jìn)油缸前后連接點(diǎn)的距離；

N1——穩(wěn)定裝置彈簧的彈力。

根據(jù)圖4 幾何尺寸關(guān)系，可求得

通常TBM 推進(jìn)系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型完成后，a，y，G，ε為定值，由式（4）、式（5）可得穩(wěn)定器彈簧彈力N1、彈簧的剛度K與推進(jìn)油缸兩鉸接點(diǎn)距離L1、撐靴偏轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系式，簡(jiǎn)化為式（6）。

4 撐靴穩(wěn)定裝置彈簧壓縮量計(jì)算

為適應(yīng)隧道的轉(zhuǎn)彎和對(duì)TBM 姿態(tài)進(jìn)行糾正，項(xiàng)目上對(duì)TBM 轉(zhuǎn)彎調(diào)向能力有要求，特別礦用隧道，往往要求TBM 具備小曲線轉(zhuǎn)彎的能力。敞開(kāi)式TBM（主梁式）在掘進(jìn)中進(jìn)行調(diào)向，調(diào)向時(shí)，通過(guò)撐靴油缸作用，帶動(dòng)鞍架和主梁左右擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)TBM 的調(diào)向，調(diào)向時(shí)撐靴撐緊洞壁，撐靴及撐靴油缸相對(duì)隧道保持不動(dòng)，而由于鞍架的左右擺動(dòng)，鞍架與撐靴油缸會(huì)繞十字銷(xiāo)軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮撐靴穩(wěn)定裝置，撐靴的穩(wěn)定裝置壓縮量需滿足TBM 最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求。

由文獻(xiàn)[2]可知，主梁式TBM 在轉(zhuǎn)彎時(shí)，TBM 可簡(jiǎn)化為沿圓弧的切線行走，撐靴油缸撐緊洞壁時(shí)，撐靴油缸垂直與洞壁，撐靴油缸與主梁軸線法線方向的夾角θ2，如圖5 所示，由幾何關(guān)系得

式中R——TBM 轉(zhuǎn)彎半徑；

E——TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)撐靴距離前部支點(diǎn)的距離；

θ2——轉(zhuǎn)彎時(shí)撐靴左右偏轉(zhuǎn)的角度；

X2——轉(zhuǎn)彎時(shí)穩(wěn)定裝置彈簧的壓縮量。

圖5 TBM轉(zhuǎn)彎模擬圖

5 穩(wěn)定裝置彈簧應(yīng)用計(jì)算

撐靴油缸穩(wěn)定裝置剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)一方面要滿足換步過(guò)程中能夠保持撐靴左右居中狀態(tài)，另一方面主機(jī)調(diào)向時(shí)穩(wěn)定裝置壓縮量滿足轉(zhuǎn)彎需求，不會(huì)造成彈簧損壞。以某主梁式單組撐靴油缸TBM 為例，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 主要參數(shù)

為保證撐靴中間開(kāi)槽與鋼拱架匹配，換步時(shí)撐靴最大偏移量d=30mm，則撐靴油缸最大偏轉(zhuǎn)角度δ=0.44°，代入公式（4）～式（7），計(jì)算得穩(wěn)定裝置彈簧的最小壓縮力為

該項(xiàng)目主梁式TBM 撐靴穩(wěn)定裝置彈簧剛度取1 300N/mm，彈簧預(yù)壓縮量為30mm，最大壓縮量為150mm，彈簧剛度及壓縮量均大于上述計(jì)算結(jié)果，且具備一定的安全余量，設(shè)計(jì)滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

撐靴穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)需滿足剛度和壓縮量的要求，本文通過(guò)對(duì)TBM 撐靴穩(wěn)定裝置進(jìn)行受力分析及轉(zhuǎn)彎模擬計(jì)算，得出TBM 撐靴穩(wěn)定裝置彈簧的計(jì)算公式，可用于指導(dǎo)TBM 撐靴穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)和校核。在實(shí)際使用過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)急于糾偏，調(diào)向幅度過(guò)大，導(dǎo)致穩(wěn)定裝置彈簧，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)定裝置彈簧在滿足極限工況使用情況下，預(yù)留一定的壓縮量，避免彈簧壓并；其次，在TBM 使用時(shí)，應(yīng)避免調(diào)向糾偏幅度過(guò)大，轉(zhuǎn)彎半徑超出設(shè)計(jì)范圍，造成穩(wěn)定裝置彈簧壓縮量過(guò)大，使得結(jié)構(gòu)受力過(guò)大，引起變形。