TBM鋼拱架自動輸送系統(tǒng)研究與實(shí)踐

李深遠(yuǎn)

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100）

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）是一種大型隧道掘進(jìn)設(shè)備，具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，在鐵道、交通、礦山等硬巖開挖領(lǐng)域廣泛使用[1-3]。在TBM 的掘進(jìn)過程中，經(jīng)常會遇到破碎地層，圍巖完整性較差，需要進(jìn)行及時有效的鋼拱架支護(hù)作業(yè)，以確保TBM 施工的順利進(jìn)行。目前的鋼拱架支護(hù)作業(yè)，都是依靠人工作業(yè)完成，由工人將運(yùn)輸進(jìn)來的鋼拱架通過搬運(yùn)拖拽的方式，移動至鋼拱架拼裝環(huán)處，完成鋼拱架的拼接作業(yè)。這個過程費(fèi)時費(fèi)力，大大降低了鋼拱架的支護(hù)效率，還具有較大的安全隱患。鋼拱架的支護(hù)不及時，容易導(dǎo)致隧道塌方，從而引起TBM 設(shè)備與人員的損傷。因此，如何提高鋼拱架的支護(hù)效率一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

到目前為止，眾多學(xué)者對隧道支護(hù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究[4-5]。孫振川[6]結(jié)合工程實(shí)踐，提出TBM 超前地質(zhì)預(yù)報、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時支護(hù)等一系列確保TBM 連續(xù)施工的方案與措施。昝志華[7]從實(shí)際案例出發(fā)，對TBM支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計并改造等措施，最終徹底解決了TBM 在掘進(jìn)過程中支護(hù)效率低的難題。王杜娟[8]分析了近幾年國內(nèi)煤礦TBM 施工案例，提出礦用TBM 開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘錨運(yùn)同步、及時支護(hù)。楊華勇[9]針對現(xiàn)有隧道設(shè)備的發(fā)展情況，提出集最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)和最優(yōu)支護(hù)方案于一體的隧道掘進(jìn)機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化模型的智能化設(shè)想。何源福[10]利用圖譜法，設(shè)計了鋼拱架抓取對接機(jī)構(gòu)的最優(yōu)構(gòu)型，并對機(jī)構(gòu)的傳遞性能進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了鋼拱架的自動拼接作業(yè)，大大提高了鋼拱架的安裝效率?？梢钥闯?，目前對隧道支護(hù)的研究多集中在施工方法的改進(jìn)，針對鋼拱架快速支護(hù)的相關(guān)機(jī)構(gòu)研究還較少。

本文從鋼拱架自動安裝需求的角度，設(shè)計了TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)，對其中運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)與油缸進(jìn)行選型，并對車輪、鏈條、鏈輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)能夠代替人工完成鋼拱架的運(yùn)輸工作，大大加快的鋼拱架的安裝效率，推進(jìn)TBM 鋼拱架安裝智能化的發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)包括運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)，運(yùn)輸機(jī)構(gòu)把鋼拱架運(yùn)送到拼裝環(huán)附近的預(yù)定位置，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)從運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上抓取拱架置于拼裝環(huán)卡爪內(nèi)。運(yùn)輸機(jī)構(gòu)如圖1 所示，每次運(yùn)送鋼拱架數(shù)量為5 榀，設(shè)置有中間限位框架和兩邊限位框架，限位框架上均設(shè)置凹槽限位結(jié)構(gòu)，確保鋼拱架不會在運(yùn)輸過程中發(fā)生滑移，各鋼拱架能夠精準(zhǔn)到達(dá)指定位置，以方便自動抓取。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)如圖2 所示，由移動小車和抓取機(jī)構(gòu)組成，兩者通過舉升油缸連接驅(qū)動，抓取機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)從運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上抓緊鋼拱架。

圖1 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動鏈輪鏈條傳動，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)沿隧道軸線方向移動；通過油缸的間歇式往復(fù)運(yùn)動將每一塊鋼拱架運(yùn)送至預(yù)拼裝區(qū)域；轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)通過油缸驅(qū)動將預(yù)拼裝區(qū)域的鋼拱架轉(zhuǎn)運(yùn)至拼裝環(huán)上進(jìn)行拼接。

1.2 工作原理

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的工作原理為：運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在鏈輪鏈條驅(qū)動下，沿軌道平移至轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)附近的預(yù)定位置；運(yùn)輸機(jī)構(gòu)兩側(cè)限位框架在油缸驅(qū)動下下降，中間兩限位框架相對頂升，從而使鋼拱架置于中間限位框架；中間兩限位框架沿自動抓取機(jī)構(gòu)方向平移，如圖3 所示。然后，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)上的抓取機(jī)構(gòu)抓取運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上的鋼拱架，通過卡抓結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓緊；轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)沿軌道平移至拼裝環(huán)附近的預(yù)定位置；抓取機(jī)構(gòu)通過油缸控制升降，將鋼架置于拼裝環(huán)上，如圖4 所示。

圖3 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)作業(yè)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)作業(yè)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的設(shè)計前提是避免與TBM 其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，同時為了實(shí)現(xiàn)鋼拱架的自動運(yùn)輸，需要具備驅(qū)動系統(tǒng)、行走輪、運(yùn)輸軌道等，占用空間較多。為避免干涉和節(jié)省空間，不僅要考慮運(yùn)輸拱架作業(yè)情況、同時要考慮整體空間布置，實(shí)現(xiàn)極低占用空間（只運(yùn)輸拱架）或多功能運(yùn)輸作業(yè)。TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如如表1 所示。

表1 TBM鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

2.1 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型

運(yùn)輸機(jī)構(gòu)需要運(yùn)送5 榀10m 級的鋼拱架，其運(yùn)輸需求如下。

1）HW150 單位重量：30.69kg/m。

2）10m 級隧道支護(hù)，鋼拱架理論總長度：10m×3.14=31.4m。

3）鋼拱架總重量G=48.73×31.4=1530kg。

4）運(yùn)輸機(jī)構(gòu)重量Q=1000kg。

5）小車運(yùn)行速度v=6m/min。

運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在移動過程中的摩擦阻力Fm為

其中，β為附加摩擦阻力系數(shù)，取2；g為重力加速度，取9.81m/s；f為滾動摩擦系數(shù)，取0.3；μ為車輪軸承摩擦系數(shù)，取0.015；d為與軸承配合處車輪軸的直徑，取35mm；D為車輪踏面直徑：取110mm。

運(yùn)輸機(jī)構(gòu)與鋼拱架總重量約2 600kg，小車采用滾動輪行走，小車所需驅(qū)動力為

其中，F(xiàn)H為驅(qū)動拖拉力；N為運(yùn)輸機(jī)構(gòu)法向受力；μ為運(yùn)料小車車輪與軌道滾動摩擦系數(shù)。

采用兩側(cè)電機(jī)同步驅(qū)動，運(yùn)行電機(jī)功率pj為

其中，η為機(jī)械傳動效率，取0.85；m為運(yùn)行電機(jī)的數(shù)量，取2。

運(yùn)行電機(jī)的動載功率為

其中，Kd為動荷系數(shù)。

運(yùn)行電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為

其中，d為鏈輪分度圓直徑，d=152.71mm。

理論扭矩為

理論角速度為

因此，選用單電機(jī)額定功率需滿足Pe>230W，額定輸出轉(zhuǎn)速n1>32.74r/min。

2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的油缸選型

鋼拱架轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)包含2 個舉升油缸和1 個調(diào)整油缸。調(diào)整油缸伸縮主要克服的阻力為滑動摩擦，其運(yùn)動方式為勻速運(yùn)動。油缸的最小拉力為

其中，G3為行走油缸法向受力，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)與鋼拱架總重約為600kg；μmax為金屬間滑動最大滑動摩擦阻力，取0.2。

設(shè)計調(diào)整油缸型號為?50/?36-240，壓力240bar 時拉力為2.27kN，滿足橫移調(diào)整拉力需求。單塊鋼拱架重量為2.6kN，垂直向上移動，勻速直線運(yùn)動，推力約等于重力。抓取油缸作用力為推力，所需推力為

其中，G1為單塊鋼拱架負(fù)載重量，鋼拱架為260kg；G2為抓取頭等部件總量150kg。設(shè)計抓取臂舉升油缸型號?50/?36-400，壓力240bar時推力為4.71kN，滿足舉升調(diào)整需求。

3 強(qiáng)度校核

3.1 車輪強(qiáng)度校核

由于運(yùn)輸機(jī)構(gòu)移動時負(fù)載較大，很容易將機(jī)構(gòu)底部的車輪部件壓潰損壞，所以需要對運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的車輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，獲得滾動輪的技術(shù)要求為：徑向載荷不低于30kN，軸向載荷不低于10kN。

車輪的疲勞計算載荷為

其中，Pmax為正常工作的最大輪壓（滿載），為6 325N；Pmin為正常工作的最小輪壓（空載），為2 500N。

車輪的許用輪壓P≥Pc即可，完全滿足要求。

3.2 鏈條的強(qiáng)度校核

對于v<0.6m/s 的低速鏈傳動，鏈的主要失效形式是過載拉斷，故按靜強(qiáng)度設(shè)計條件計算。

鏈條作用是克服盾構(gòu)小車的靜阻力，則圓周力F 等于靜阻力Fm，即

鏈條的極限拉伸荷載計算式為

其中，KA為工況系數(shù)，取1.5；n為鏈條數(shù)量；F為鏈條緊邊拉力，即圓周力，取24 904N；Sca為鏈條抗拉靜強(qiáng)度許用安全系數(shù)，取值范圍4～8，若速度較低，從動系統(tǒng)慣性小，不太重要的傳動或作用力的確定比較準(zhǔn)確時，可取小值。

因此，滾子鏈的極限拉伸荷載需滿足>6 096N，結(jié)合鏈條的安全選取原則，使用力矩必須大于極限力矩的3 倍，即需大于18.3kN。

參照相關(guān)國標(biāo)與應(yīng)用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，采用10A-1鏈號（50 分，極限拉力22.20kN）以上都可以滿足要求極限拉力要求，考慮極限震動工況等不利影響，選用20A-1 鏈號。

3.3 鏈輪的適配

所選鏈條參數(shù)如表2 所示，根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)計配套鏈輪，鏈輪設(shè)計參數(shù)如表3 所示。

表2 鏈條基本參數(shù)

表3 鏈輪設(shè)計參數(shù)

4 樣機(jī)研制

為了證明研究的正確性，根據(jù)所求結(jié)果，研制了TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的樣機(jī)，并進(jìn)行鋼拱架的自動運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼拱架能夠準(zhǔn)確平穩(wěn)的進(jìn)行運(yùn)輸、抓取、升降動作，且在該過程中為發(fā)生鋼拱架的滑移情況，證明了TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)具有運(yùn)輸、抓取、托舉鋼拱架的功能，能夠?qū)摴凹苓\(yùn)輸至拼裝環(huán)處。該系統(tǒng)能夠代替人工完成鋼拱架的搬運(yùn)工作，大大加快的鋼拱架的安裝效率，推進(jìn)TBM 鋼拱架安裝智能化的發(fā)展。

TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)樣機(jī)研制完成后，已進(jìn)行一系列鋼拱架自動運(yùn)輸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，TBM 鋼拱架自動輸送系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。