一種沉井潛入式豎井掘進機結(jié)構(gòu)設計與研究

徐光億， 肖 威， 趙 飛， 齊志沖， 呂 旦， 趙子輝

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

城市地下空間的開發(fā)利用已成為當今世界發(fā)展的趨勢，并成為衡量城市現(xiàn)代化的重要標志。隨著城市化的快速發(fā)展，城市可用面積越來越少。因此，開發(fā)和利用地下空間資源，修建與城市發(fā)展相適應的地下停車場、市政給排水管網(wǎng)、地下倉儲等基礎設施，對城市的建設與發(fā)展具有重要意義[1]。因此對應的施工裝備——豎井掘進機應運而生。

在豎井掘進機的發(fā)展過程中，已有學者對其施工工藝、掘進裝備未來發(fā)展、設備研究等方面進行了探索研究。劉志強等[2]對千米級豎井全斷面科學鉆進裝備與關鍵技術進行了分析與研究。賈連輝等[3]提出全斷面豎井掘進機上排渣技術，并對其關鍵技術進行了研究與試驗。王鵬越[4]和楊仁樹等[5]結(jié)合立井鑿井技術及施工裝備的歷史發(fā)展，對豎井掘進裝備的發(fā)展進行了探討。劉志強[6]和荊國業(yè)等[7]分別介紹了利用導孔排渣的機械破巖豎井掘進機鑿井工藝，并對掘進裝備進行了論述?，F(xiàn)有的研究多集中在設備的施工工藝、未來發(fā)展等方面，而關于設備本身的研究相對較少。

本文基于工業(yè)試驗研發(fā)了一種新型豎井裝備——沉井潛入式豎井掘進機，介紹了設備的應用工況、結(jié)構(gòu)組成與工作原理；分析了設備工作裝置受力特性，并對其進行了運動學分析；基于有限元分析方法和虛擬樣機技術，對關鍵結(jié)構(gòu)件進行了強度分析和動態(tài)仿真模擬。

1 依托試驗項目

本項目依托于廠內(nèi)工業(yè)試驗模擬現(xiàn)場工況。為更真實的模擬豎井掘進機的工況，建立了試驗臺進行開挖試驗。試驗項目可以模擬真實現(xiàn)場豎井施工情況。試驗采用基坑(井)內(nèi)組裝始發(fā)，為減小豎井深度，降低豎井建造難度，豎井試驗臺設計為地面始發(fā)，利用組裝工裝作為設備始發(fā)鋼結(jié)構(gòu)，進行設備始發(fā)掘進?；映叽鐬樯喜恐睆?.95 m，深6 m，可以供掘進機進行開挖試驗。圖1為試驗基坑(井)和設備始發(fā)現(xiàn)場照片。

樣機工業(yè)性試驗開挖介質(zhì)為C30混凝土，開挖深度為0.5 m，試驗切削效率約為30 m3/h。采用抓斗形式出渣，出渣效率約為40 m3/h。該豎井掘進機較好地完成了工業(yè)試驗，成井精度控制在1‰以內(nèi)，達到了預期效果。

(a) 試驗基坑(井)

(b) 試驗整機組裝

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

沉井潛入式豎井掘進機是結(jié)合沉井工法的一種新型豎井掘進機，主要應用于城市給排水豎井設施建設，地下停車場、倉儲設施建設，盾構(gòu)始發(fā)井建設等領域，該設備是具有高安全性、集成化、機械化等特點的一種新型豎井施工設備。

沉井潛入式豎井掘進機由動力系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)等組成。主機結(jié)構(gòu)主要由支撐裝置、驅(qū)動裝置、回轉(zhuǎn)裝置、伸縮油缸、工作臂、截割臂、截割滾筒等組成。

動力系統(tǒng)包括2部分： 1)由馬達提供開挖裝置的回轉(zhuǎn)運動； 2)由截割臂上的電機提供截割滾筒旋轉(zhuǎn)運動。

開挖系統(tǒng)創(chuàng)新性采用縱軸結(jié)構(gòu)的截割滾筒設計，主要由截割破巖(土)滾筒、截割電機及其他輔助零部件等組成，工作原理是截割電機驅(qū)動截割滾筒旋轉(zhuǎn)進行截割破巖工作。

其開挖軌跡從以下方面進行分析。

1)沿掘進方向的開挖軌跡分析。在截割滾筒開挖的過程中分為截割運動和進給運動，分別如圖2和圖3所示。其截割滾筒繞自身軸旋轉(zhuǎn)的同時也在沿截割臂軸線方向推進，因此截割滾筒的運動軌跡為圓弧螺旋線，如圖4所示。

v為速度； n為轉(zhuǎn)速。下同。

圖3 進給運動示意圖

圖4 圓弧螺旋線軌跡示意圖

2)沿圓周擺動方向的開挖軌跡分析。當沿圓周方向擺動時，同時伴隨著截割滾筒自身的旋轉(zhuǎn)，因此截割滾筒的運動軌跡為沿圓周方向的圓弧螺旋線，圖5為其中一段的圓周方向軌跡示意圖。

3)最終形成的開挖輪廓。通過截割滾筒自身的旋轉(zhuǎn)并通過伸縮油缸將其移動到某一基準位置進行定位，以定位基準位置依次向外進行回轉(zhuǎn)開挖，達到所需的開挖輪廓。以開挖直徑8 m為例，主機旋轉(zhuǎn)共7圈，主機旋轉(zhuǎn)依次向外進行開挖形成，開挖輪廓如圖6所示。

ω為角速度。

圖6 主機旋轉(zhuǎn)形成的開挖輪廓

推進系統(tǒng)基于滑箱軌道移動運動形式設計理念，創(chuàng)新性采用支腿與滑道形式來實現(xiàn)上下行程的移動。向下推進依靠推進油缸的伸出和預制管片的下沉來保證。

出渣系統(tǒng)可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的出渣方式。針對無水、少水地層，設備采用抓斗出渣的方式；針對富含地下水的工程采用泥漿出渣。

管節(jié)拼裝系統(tǒng)由龍門架、管節(jié)吊機、吊機軌道等組成；控制系統(tǒng)由液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，利用其控制系統(tǒng)融合動態(tài)感知模擬技術來實現(xiàn)實時監(jiān)測與控制；糾偏導向系統(tǒng)由糾偏導向儀和加壓裝置兩者協(xié)同進行控制。主機主要結(jié)構(gòu)組成示意如圖7所示。

該沉井潛入式豎井掘進機結(jié)構(gòu)小巧靈活，對地層及地面環(huán)境的擾動小，豎井斷面尺寸和形狀可變，遠程控制和操作，模塊化設計可根據(jù)需求進行靈活選配和定制。

3 掘進機的力學特性分析

沉井潛入式豎井掘進機在掘進過程中會伴隨著預制管片或現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)管片的拼裝來支撐井壁，設備的土壓力靠管片來承受，因此在計算掘進機的受力時，無需考慮來自井壁土壓力的作用，只需計算設備掘進過程中的受力即可。

在設備開挖過程中，工作裝置產(chǎn)生軸向進給力F軸向力、圓周回轉(zhuǎn)力F周向力、自身重力G1。設備受力示意如圖8所示，主要受到的力(考慮開挖位置在極限位置處)為截割滾筒壓力所產(chǎn)生的反力矩、截割滾筒軸向進給力引起的傾覆力矩[8]。

圖7 主機主要結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖8 設備受力示意圖

截割滾筒壓力所產(chǎn)生的反力矩(逆時針方向)

M1=F周向力×l。

(1)

截割滾筒軸向進給力引起的傾覆力矩

M2=F軸向力×l。

(2)

中部回轉(zhuǎn)裝置受到的軸向力

F1=G1+F周向力×sinθ。

(3)

式(1)—(3)中：M1為截割滾筒壓力所產(chǎn)生的反力矩；M2為截割滾筒軸向進給力引起的傾覆力矩；G1為設備自身重力；F1為回轉(zhuǎn)支承受到的軸向力；θ為F周向力與水平方向的夾角；L為開挖裝置與設備重心位置的直線距離。

4 工作裝置的運動學模型構(gòu)建與分析

根據(jù)掘進機實際工作過程中工作裝置的運動狀態(tài)，建立其工作裝置的運動簡化模型，如圖9所示。 伸縮油缸活塞桿的伸出和收回會引起工作臂空間轉(zhuǎn)角的變化。OA為固定臂，OB為轉(zhuǎn)動臂，BC為截割頭部，v1為油缸伸縮的速度方向，v2為設備掘進速度方向。

θ為轉(zhuǎn)動臂OB與固定臂OA的夾角，(°)； α為轉(zhuǎn)動臂OB與前進速度的夾角，(°)； a為固定臂OA的長度，mm； b為轉(zhuǎn)動臂OB的長度，mm； l為液壓缸伸出的長度，mm; 下同。

由圖9，可得：

(4)

θmin=αmin+β(β=90°) 。

(5)

(6)

(7)

(8)

以O點豎直向下位置為界線，以當前位置OB轉(zhuǎn)動臂依靠油缸收縮向中間豎直位置擺動的工況可得：

(9)

以O點豎直向下位置為界線，以當前位置OB轉(zhuǎn)動臂依靠油缸收縮從中間豎直位置向右側(cè)擺動的工況可得：

(10)

以截割臂為研究對象，通過截割臂中心點的位置坐標[x,y]以及截割臂的姿態(tài)角α可以確定截割臂的空間狀態(tài)，用矢量[xyα]T表示。

1)以當前OB截割臂的活動范圍在X軸豎直位置的左側(cè)范圍擺動的工況1進行分析。

在設備掘進的過程中，為了便于研究，假設液壓缸活塞桿直線往復運動速度和下沉掘進速度是恒定的，分別為v1和v2。將大地視為定坐標系XOY，將該機構(gòu)視為動坐標系(以轉(zhuǎn)動點O為坐標原點，掘進方向為X軸，與掘進方向垂直的方向為Y軸)，如圖10所示。

圖10 運動工況1空間姿態(tài)簡圖

截割臂參考點的位移矢量為EE1，參考點位置E1坐標可以表示為：

(11)

式中：h1表示掘進機向下掘進的深度，mm；c表示截割滾筒參考點E到轉(zhuǎn)動點O的距離，mm；θ1表示該空間任意狀態(tài)下工作臂OB與固定臂OA的夾角。

截割臂在伸縮油缸伸出階段的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

EE1[]T=[x1y1α1]T

=[h1+c·sinθ1-c·cosθ1θ1-β]T。

(12)

同理，截割臂在油缸伸出階段狀態(tài)的基礎上繼續(xù)向下掘進深度h2，油缸保持狀態(tài)下的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

E1E2[]T=[x2y2α2]T

=[h1+h2+c·sinθ2-c·cosθ2θ2-β]T。

(13)

同理，截割臂在油缸保持狀態(tài)下的基礎上繼續(xù)向下掘進深度h3，油缸收回狀態(tài)下的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

E2E3[]T=[x3y3α3]T

=[h1+h2+h3+c·sinθ3-c·cosθ3θ3-β]T。

(14)

2)以當前OB截割臂在X軸正中豎直位置向下掘進的工況2進行分析，如圖11所示。

圖11 運動工況2空間姿態(tài)簡圖

截割臂姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

EE1[]T=[x1y1α1]T=[h1+c0β]T。

(15)

3)以當前OB截割臂的活動范圍在X軸豎直位置的右側(cè)范圍擺動的工況3進行分析，如圖12所示。

圖12 運動工況3空間姿態(tài)簡圖

(16)

截割臂在油缸伸出階段的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

EE1[]T=[x1y1α1]T=[h1+c·sinθ1c·cosθ1β-θ1]T。

(17)

同理，截割臂在油缸伸出階段狀態(tài)的基礎上繼續(xù)向下掘進深度h2，油缸保持狀態(tài)下的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

E1E2[]T=[x2y2α2]T

=[h1+h2+c·sinθ2c·cosθ2β-θ2]T。

(18)

同理，截割臂在油缸保持狀態(tài)下的基礎上繼續(xù)向下掘進深度h3，截割臂在油缸收回狀態(tài)下的姿態(tài)空間狀態(tài)可以表示為：

E2E3[]T=[x3y3α3]T

=[h1+h2+h3+c·sinθ3c·cosθ3β-θ3]T。

(19)

5 設備關鍵部件的有限元分析

5.1 工作臂有限元分析

工作臂作為整機主要的運動與支撐零部件，是連接回轉(zhuǎn)運動以及截割滾筒的關鍵結(jié)構(gòu)，在實際工作過程中工作臂的受力情況對于整機的可靠性至關重要，因此需要對其進行強度分析。

5.1.1 有限元模型的建立

在不影響精度的前提下，建立計算模型時，應簡化模型結(jié)構(gòu)，以提高運算速度。為此，對模型進行幾何修改，將模型上的非倒角結(jié)構(gòu)和圓角以直角代替，然后進行網(wǎng)格劃分[9-10]。采用有限元法對工作臂三維模型進行網(wǎng)格劃分，如圖13所示。采用四面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格單元數(shù)量95 594，節(jié)點數(shù)量177 080。采用四面體結(jié)構(gòu)單元和線彈性材料模型，在網(wǎng)格劃分前先賦予結(jié)構(gòu)材料屬性，定義材料的彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3。

5.1.2 材料的設置與參數(shù)

結(jié)構(gòu)采用Q345B焊接而成，其材料參數(shù)見表1。

5.1.3 載荷與邊界條件

根據(jù)受力情況，在上部連接位置處與側(cè)部伸縮油缸連接固定位置處施加固定約束，與下部截割臂連接端面的位置施加600 kN·m的力矩，并添加重力約束。工作臂施加邊界條件如圖14所示。

圖13 工作臂三維模型網(wǎng)格劃分

表1 材料參數(shù)表

圖14 工作臂邊界條件

5.1.4 應力分析

圖15為工作臂應力云圖。從圖15分析結(jié)果可知，工作臂大部分區(qū)域的應力在150 MPa以下，局部會由于三維模型繪制的結(jié)構(gòu)尖角以及尖角過渡處出現(xiàn)應力集中導致應力值變大。在由于計算簡化引起的應力值變大的位置，可以采用較大直徑圓角過渡處理，這樣可大大降低這些位置的應力值[9]。因此工作臂結(jié)構(gòu)整體受力狀況較好，滿足設計要求。

圖15 工作臂應力云圖(單位： MPa)

5.2 回轉(zhuǎn)裝置有限元分析

回轉(zhuǎn)裝置是回轉(zhuǎn)運動的關鍵結(jié)構(gòu)件，回轉(zhuǎn)裝置是連接驅(qū)動裝置與開挖裝置的載體，其受力情況相對較差，因此需要對其進行強度分析。

5.2.1 有限元模型的建立

網(wǎng)格劃分如圖16所示，采用四面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格單元數(shù)量95 594，節(jié)點數(shù)量177 080。采用四面體結(jié)構(gòu)單元和線彈性材料模型，在網(wǎng)格劃分前先賦予結(jié)構(gòu)材料屬性，定義材料的彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3。

圖16 回轉(zhuǎn)裝置三維模型網(wǎng)格劃分

5.2.2 載荷與邊界條件

回轉(zhuǎn)裝置約束與加載情況如圖17所示。在上部法蘭連接端面位置處做固定約束處理；在底部端面及圓周面處施加回轉(zhuǎn)力矩和傾覆力矩；施加斜向力；添加重力。

圖17 回轉(zhuǎn)裝置約束與加載情況

5.2.3 應力分析

圖18為回轉(zhuǎn)裝置應力云圖。從圖18分析結(jié)果可知： 回轉(zhuǎn)裝置的應力在110 MPa以下，結(jié)構(gòu)的整體受力狀況較好，滿足設計要求。

圖18 回轉(zhuǎn)裝置應力云圖(單位： MPa)

6 工作裝置運動學及動力學分析

對工作裝置進行三維建模并簡化，然后把模型導入仿真軟件中建立虛擬樣機模型，并進行模型定義與各種約束、驅(qū)動和力的添加，具體包括以下部件的定義： 2個球鉸副、5個旋轉(zhuǎn)副、2個移動副、5個固定副、1 個齒輪副、2個液壓缸驅(qū)動、1個回轉(zhuǎn)驅(qū)動和1個結(jié)構(gòu)重力[11-13]。

工作裝置的運動形式有2種： 1)上部驅(qū)動帶動回轉(zhuǎn)裝置進行工作裝置的回轉(zhuǎn)運動； 2)伸縮油缸的伸縮帶動工作臂及截割滾筒的擺動運動。

6.1 回轉(zhuǎn)運動

以回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)為主，設置時間為35 s，設其驅(qū)動函數(shù)為：

STEP(time,0, 0, 5, 190 d)+STEP(time, 5, 0, 15, -190 d)+STEP(time, 15, 0, 25, -190 d)+STEP(time, 25, 0, 35, 190 d)，根據(jù)函數(shù)設置進行仿真分析。

回轉(zhuǎn)運動與工作臂質(zhì)心運動曲線如圖19所示?？梢钥闯鲈?～5 s其速度曲線波動較大，其余時間運動相對平穩(wěn)。整個位移曲線呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，符合實際運動情況。

圖19 回轉(zhuǎn)運動與工作臂質(zhì)心運動曲線

工作臂與回轉(zhuǎn)裝置連接處的受力曲線如圖20所示，可以看出其受力曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，0～15 s為1個周期循環(huán)變化，其受力最大值為300 kN。

圖20 工作臂與回轉(zhuǎn)裝置連接處受力曲線

6.2 擺動運動

以伸縮油缸伸縮為主，設置時間為80 s，設其驅(qū)動函數(shù)為：

STEP(time, 0, 0, 10, 500)+STEP(time, 10, 0, 20, -500)+STEP(time, 20, 0, 30, -500)+STEP(time,30,0,40, 500)

擺動運動與工作臂質(zhì)心運動曲線如圖21所示，可以看出其位移曲線隨著油缸的伸縮運動呈現(xiàn)規(guī)律性變化；其速度曲線在油缸伸出與收縮的轉(zhuǎn)換點出現(xiàn)尖峰，其余時間速度相對平穩(wěn)。

工作臂與回轉(zhuǎn)裝置連接處的受力曲線如圖22所示，可以看出其受力曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，最大值為580 kN，最小值為220 kN。

圖21 擺動運動與工作臂質(zhì)心運動曲線

圖22 工作臂與回轉(zhuǎn)裝置連接處受力曲線

7 結(jié)論與討論

本文建立了沉井潛入式豎井掘進機的力學模型，基于力學模型對掘進機的回轉(zhuǎn)裝置、工作臂進行靜強度分析，驗證了其在強度和剛度方面設計的合理性。以工作裝置為研究對象，基于運動學模型對工作裝置進行了運動學理論分析?；谔摂M樣機技術，在回轉(zhuǎn)運動和擺動運動2種運動形式下，對其工作臂以及連接位置處進行了運動學研究和動力學研究。

在設備掘進過程中，整機的自動化作業(yè)可大大提高施工效率，整機的輕量化設計、安裝與吊裝作業(yè)的方便快捷也可大大提高作業(yè)效率，從而降低設備制造以及施工成本。因此，整機零部件的輕量化設計研究以及結(jié)構(gòu)設計的自動化程度可作為接下來的探索方向。