TBM 掘進機關鍵部件分析及維修技術優(yōu)化

高 偉

（山西省數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進中心， 山西 太原 030000）

1 研究背景

當TBM掘進機處于工作狀態(tài)時，其周圍環(huán)境惡劣，加之自身零件結(jié)構復雜，且系統(tǒng)集成性強，所以很容易出現(xiàn)故障[1]。目前針對TBM掘進機檢修，主要還是依賴于人工，并需要在停機的狀態(tài)下完成，而在狹小的隧道中拆卸、檢修，勢必造成工作量的巨大及任務的艱難性，同時會造成較大的經(jīng)濟損失[2]。TBM掘進機結(jié)構如圖1 所示。

圖1 TBM 掘進機結(jié)構示意圖

TBM掘進機正常工作時的主要流程包括推進與換步，當開始工作時，使支撐部分處于前位工作狀態(tài)，隧道的洞壁由主支撐來承擔，然后由支撐腿抬起[3]。在刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的帶動下，刀盤轉(zhuǎn)動，刀盤需要進行掘進時由推進系統(tǒng)提供動力，滾刀受到強大壓合力的作用下與巖面接觸，巖石強度低于推力時，巖石在滾刀的作用下直接破裂，壓力變大時，裂痕擴散形成巖石塊，碎落的巖石經(jīng)鏟渣斗鏟起后通過輸送機運出洞外[4]。然后進行換步，刀盤不工作，支撐腿此時要抵至仰拱上，以便承受TBM掘進機后端的重力，此時隧道的洞壁不需要主支撐來承擔，液壓缸反向供油，活塞桿縮回，掘進行程結(jié)束[5]。

2 TBM 掘進機刀盤外部載荷及受力分析

2.1 轉(zhuǎn)速與刀盤的關系

根據(jù)相關文獻分析，受刀盤外部條件的限制及本身材料的影響，掘進機在掘進過程中刀盤線速度應該以不超過150 r/min 為宜。且按照滾刀破巖機理分析，滾刀在壓力作用下，有近九成的能量用于巖石紋裂、一成用于裂紋拓展，同時刀盤半徑加速度不能超過重力常數(shù)一定比例，否則巖渣存留在鏟斗中不容易運下來。在合理條件下，大直徑掘進機的掘進速度小于小直徑掘進機，由此說明，刀盤轉(zhuǎn)速與刀盤直徑呈反比例關系，如圖2 所示。

圖2 刀盤直徑與刀盤轉(zhuǎn)速的關系

2.2 刀盤特性參數(shù)

刀盤作為鋼性結(jié)構焊件，前端為雙層加強壁，與后隔板通過溜碴槽連接，刀盤軸承和螺栓連接形成刀盤后隔板，前端面板上布置有盤形滾刀，作用是擠壓破碎巖石；沿著刀盤徑向來看，安裝有石渣鏟斗，主要作用是挖軟巖。前后面板的厚度和焊縫尺寸需要結(jié)合滾刀破巖時承受的高動態(tài)載荷來確定，結(jié)構剛度和強度較高的刀盤與高質(zhì)量的焊縫有利于掘進機在高效率運轉(zhuǎn)時刀具不發(fā)生側(cè)向位移，減小刀盤振動和刀具磨損情況，延長主軸承壽命。

刮料斗在設計時需要考慮掘進效率，實現(xiàn)刀盤邊緣磨損的最小值；刀盤結(jié)構還應考慮反轉(zhuǎn)的需要，但出碴時只朝一個方向旋轉(zhuǎn)。刀盤結(jié)構如下頁圖3 所示。

圖3 刀盤結(jié)構

2.3 刀盤和滾刀受力

對刀盤和盤形滾刀進行簡化，在靜止狀態(tài)下按照簡支梁進行受力分析。

小齒輪的作用是驅(qū)動大齒圈，切向力產(chǎn)生驅(qū)動力矩。TBM掘進機工作時，會有垂直力、滾動力、側(cè)向力和慣性力作用于滾刀上，垂直力用于產(chǎn)生傾覆力矩；其余力產(chǎn)生阻力矩，刀盤在電機的帶動回轉(zhuǎn)下與這些阻力平衡，這些外部力作用于刀盤上產(chǎn)生徑向的作用，刀盤的主軸用于抗衡這個力，所以主軸很容易在TBM掘進機維修時出現(xiàn)故障，因此也會產(chǎn)生較大的噪聲振動。

刀盤的總推力和受到的轉(zhuǎn)矩是很多結(jié)構的設計依據(jù)，如滾刀間距和貫入深度等，受不同地質(zhì)條件的影響，最好使刀盤載荷位于最佳狀態(tài)，遇到較硬的巖石則需要使刀盤轉(zhuǎn)速加大，減少損耗。

在極限工況下，每把刀的額定承載能力較大，加之刀的數(shù)量也很大，一般將承載力設置在10 000 kN以上。需要保證刀盤的穩(wěn)定性、強度和剛度達到設計規(guī)范。在刀盤的半徑方向，徑向力若遠不能超過掘進推力，則刀盤受到的影響也不大。進行破巖工作時，回轉(zhuǎn)力矩是主要的作用方式。

2.4 載荷分析

實驗室進行模擬試驗，刀盤上設置20 把滾刀，刀具直徑為280 mm，設計最大總推力為2 470 kN。隧洞推力示意圖，如圖4 所示。

圖4 隧洞推力示意圖

圖5 為被測滾刀在階段10 掘進過程中垂直力、滾動力、側(cè)向力隨時間變化的曲線圖。

由圖5 可知，載荷在不同方向均產(chǎn)生了很大的隨機性、強沖擊性和突變性，峰值是每隔4～5 s 便出現(xiàn)一次。切削力的峰值每出現(xiàn)一次，則代表滾刀完整地進行了一次破巖過程，在工作狀態(tài)下，切削力會在短期內(nèi)由最低值迅速上升到峰值。當巖石被刀具切削后，其上面的載荷很快便消失，此時的切削力達到正常水平。

圖5 三向載荷測量結(jié)果

2.5 刀具失效形式分析

在進行破巖作業(yè)中，刀具以正常磨損和非正常磨損的方式進行，在刀盤上施加推力時，刀圈外部邊緣進入粉碎體，此時刀盤表面發(fā)生滾動摩擦，隨著時間的延長，刀圈周圍均勻磨損，這就是正常磨損，磨損后需要及時更換刀具。正常損壞的情況無可避免，而非正常磨損是刀具并非達到疲勞極限而損傷的，在一般情況下是可以有效避免的。刀具失效形式一般包括刀圈崩刃、刀圈斷裂、刀圈弦磨、擋圈脫落等，如下頁圖6 所示。

圖6 刀具失效形式

3 TBM 掘進機維修技術優(yōu)化

3.1 TBM掘進機綠色維修過程中油污及廢棄物污染的控制對策

1）在對TBM 掘進機維修時，嚴格設計清潔操作規(guī)程并按要求執(zhí)行，禁止隨意存放遺留油污，對灑落在施工現(xiàn)場的殘渣要及時清理。

2）在對修理機械時排出的廢油和工業(yè)垃圾進行處理時，要有序分類整理并移交至集中處理室，由專門的處理人員妥善管理，絕對禁止直接將工業(yè)垃圾、廢油等直接排放至生產(chǎn)環(huán)境中。

3.2 TBM掘進機綠色維修過程中噪聲污染的控制對策

1）合理進行結(jié)構分析，對選用的零部件進行降噪處理的同時，改進傳動和受力裝置，如可以在錨桿鉆機上固定和控制鉆桿的固定環(huán)上內(nèi)鑲耐磨橡膠減少噪聲；同時噪聲也會由平穩(wěn)性差引起，所以要繼續(xù)加固已有的傳動件，保持回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動平衡，使機械振動降低到最低值，同時有些零部件是可以輻射噪聲的，盡量將此種零件與振動部件直接相連，連接方式以鉚接、軟連接為主。

2）及時地潤滑和密封設備，使機器在正常工作中不產(chǎn)生額外的噪聲。

3）在錨桿鉆機、風機等噪聲較大的設備上，采用吸聲、隔聲、消聲措施，以及給維修操作人員帶耳機等方式來降低噪聲影響。

3.3 TBM掘進機日常管理優(yōu)化

技術人員要加大對TBM 掘進機的日常管理，設置應急預案，管理內(nèi)容包含但不限于設備的分類、編號、維修記錄、功能檢測等方面，結(jié)合技術管理的原則，以預防為主，確保質(zhì)量。加大對設備的巡查力度，保證其能夠更好地處于正常狀態(tài)。

在對TBM掘進機進行日常維修保養(yǎng)時，要有效檢查外觀和功能是否達到設計標準，同時校驗操作工序是否達到操作手冊的要求，主要是八臺刀盤驅(qū)動減速箱處透明油管的油位。對一些大件，也要做好緊固工作，根據(jù)工位的變化和推動力運行方向以及刀具的切削方向進行；液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動裝置的控制部分，必須要達到設計準則；同時帶式輸送機在運輸渣料的過程中，皮帶也要進行日常巡檢，若皮帶強度不足，則應及時更換，避免引發(fā)較大的次生事故；皮帶機的機頭和機尾裝置要驗證張力是否滿足承載的需求，保證最后運出洞穴的可靠性。作為主要的承載部件，主軸承和大齒圈等要實時監(jiān)測，在日常巡檢結(jié)束后要做好后期的跟蹤巡查，主軸承的內(nèi)外迷宮環(huán)會受到巖渣影響，極易受到?jīng)_擊，長時間就會發(fā)生損壞，因此在設計時為了防止這種情況發(fā)生，需要設置三道唇形密封，并重點加強間隙的保養(yǎng)控制，確保其能夠真正地發(fā)揮作用。另外，在進行保養(yǎng)的過程中還需要有效地考慮刀盤等方面的結(jié)構特點，在容易發(fā)生損壞的部位進行重點控制，同時控制好濕度，加強用電系統(tǒng)的絕緣測量，并采取有效的措施進行重點控制。

在整個TBM掘進設備中，刀盤是最易受損也是最為關鍵的部件，是引發(fā)事故的源頭，由于圍巖環(huán)境復雜，而且具有高硬度、高耐磨、高溫、高壓等特點，刀盤在施工過程中承受著盤形滾刀與巖石相互作用所產(chǎn)生的大推力、大扭矩的強沖擊性隨機分布載荷，這使得刀盤表現(xiàn)為劇烈的隨機振動，后期還應繼續(xù)對施工載荷條件下的刀盤結(jié)構力學進行更為深化的研究，掌握以刀具為基礎的整體維修的機理及特點，對后期施工安全隱患問題的預估具有重要的意義。本文旨在為工業(yè)設計領域的TBM掘進機維修提供一定的技術分析，對優(yōu)化TBM掘進機的維修流程具有一定的指導意義。