隧道掘進機行走部設計探析

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

目前隧道施工的手段主要有鉆爆、盾構、TBM 和隧道掘進機。其中隧道掘進機憑借投入成本低、工作效率穩定、適用巖石硬度覆蓋面廣及易維護等優點，得到了很多用戶的青睞，市場占有率也逐年攀升。隧道掘進機是在礦用掘進機結構基礎上改進而來的，改進內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。盡管隧道掘進機已被廣泛使用，但設備本身的結構還存在一定的問題，其中隧道掘進機行走部的問題較為突出，因此對隧道掘進行走部的設計改進變得尤為重要。

1 隧道掘進機行走部設計的關注點和存在問題

1.1 隧道掘進要求頻繁調機

隧道掘進機需要頻繁調機的原因主要有2 個方面。1）由于隧道施工的斷面面積比煤礦巷道斷面面積大很多，即使設計人員對設備本體部及截割部進行了改造，改造后設備的截割尺寸仍不能完全滿足施工要求，只能通過頻繁移動設備完成斷面截割任務。2）完成一個施工循環后，隧道內壁需要錨護和噴漿，而隧道施工面空間有限，需要移動隧道掘進機給錨護和噴漿設備讓出空間，也要求隧道掘進機滿足頻繁調機的要求。

1.2 隧道掘進機支重輪磨損嚴重

支重輪磨損嚴重的原因主要有2 個方面。1）隧道掘進機運行時經常會有砂石等異物進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烈的磨料磨損現象。2）支重輪尺寸設計不合理，支重輪直徑小、與履帶接觸長度不足導致支重輪接觸強度不能滿足使用需求，也會使支重輪產生磨損。

1.3 隧道施工路面起伏，對隧道掘進機沖擊大

由于隧道施工中設計路線不是水平的，所以設備工作時隨著路線的起伏而升降，頻繁的升降會對設備的行走部造成沖擊，對行走部的張緊輪、張緊油缸及履帶組件等構件使用壽命影響很大。

1.4 隧道掘進機履帶磨損嚴重

隧道掘進機履帶磨損嚴重的原因有2 個方面。1）隧道掘進機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）在隧道施工過程中，隧道掘進機要頻繁調機移動，大量的移動也增加了履帶板的磨損。

2 針對問題的解決方案

經過考察對比發現，挖掘機與隧道掘進機行走部的施工環境較為相近，因此參考挖掘機行走部結構進行改進，改進內容如下。

2.1 行走架結構優化與尺寸改進

目前隧道掘進機行走架結構復雜，導致行走部重量增加，設備調轉不靈活，因此在滿足使用剛度、強度的前提下，通過簡化行走架結構，優化行走架部件尺寸，可降低行走部重量[1]，提高設備靈活性。

2.2 支重輪改進

支重輪改進的方法有2 種。1）參考挖掘機支重輪與履帶板的結構，將隧道掘進機支重輪與履帶板的接觸面高度提升，減少砂石等異物進入，進而降低支重輪磨損量。2）通過更換支重輪輪體材質、加大支重輪直徑、加長支重輪與履帶接觸長度，可有效延長支重輪的使用壽命。

2.3 底板適應性改進

提升隧道掘進機對底板適應性的方法有2 種。1）增大隧道掘進機行走部的引入角和離去角，通過調整張緊輪及驅動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，由彈簧吸收設備運行過程中產生的沖擊，既保護了張緊輪組件及履帶組件，又提升了設備對底板不平工況的適應性。

2.4 履帶結構改進

目前隧道掘進機履帶板為整體式履帶板（鑄造或鍛造），結構如圖1（a）所示，可參考挖掘機行走部的工程式履帶對其進行替換。工程式履帶為組合件，由履帶板、鏈軌及連接件組成，結構如圖1（b）所示。與整體式履帶板相比工程式履帶板有2 個優點。1）當履帶板發生損壞時，直接將損壞件替換掉，其他組件依然可以使用，可降低設備維護成本。2）當施工工況發生變化時，工程履帶板可根據實際工況進行調整，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 種履帶結構比對

3 關鍵參數選取設計

3.1 履帶節距

由于設備功率較大，為了滿足剛度與強度的要求，履帶節距可以選大一些。選擇大節距履帶可以減少履帶板使用數量，但節距增大會導致驅動輪直徑隨之加大，在選擇時要根據實際情況合理考慮。履帶節距L 計算經驗公式如下[2]。

式中：G—隧道掘進機重量，N。

3.2 驅動輪強度z校核

首先應假定單側履帶傳遞的最大輸出轉矩受到地面附著條件限制，也就是履帶輸出了最大的轉矩，但行走部仍然處于靜止狀態，此時只有一個驅動輪齒傳遞驅動力，對傳遞驅動力的單齒進行抗彎曲強度校核，校核公式如下。

驅動輪齒抗彎曲強度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。

h—齒高（假定力作用在齒頂），mm。

[σ] —材質許用彎曲強度，MPa。

驅動輪齒抗擠壓強度σj校核

σj=582（G/bd）1/2≤[σj]

式中：b—驅動輪輪齒寬度，mm。

d—履帶銷套外徑，mm。

[σj] —材質許用擠壓強度，MPa。

3.3 支重輪與托鏈輪的數量及強度校驗

為保證設備運行平穩，理想支重輪的數量應與履帶支承段的履帶板數量相同，即支重輪間距等于履帶板節距，但這種設計方法限制了支重輪的外徑尺寸，會降低支重輪強度。如選擇支重輪數量為履帶支承區履帶板數量一半，會降低設備運行平穩性，甚至導致設備下陷，增加運行阻力。根據設計經驗，一般取支重輪間距為履帶節距的1.4～1.7 倍，支重輪的外徑為履帶節距的1～1.25 倍。

在進行設計校核時，還應該校核支重輪與鏈軌節間的接觸應力，校驗公式如下[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—支重輪輪體接觸長度，mm。

r—支重輪半徑，mm。

[σjj] —支重輪輪體材質許用接觸應力，MPa。

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

3.4 引導輪和張緊裝置

引導輪和張緊裝置用來調節履帶松緊程度，張緊裝置的彈簧可以起到緩沖作用，防止履帶零部件過載。引導輪與張緊輪的調節行程應大于履帶節距的一半，以便履帶拉長后，拆除一節履帶即可繼續使用。引導輪的安裝中心高度應略低于驅動輪的安裝中心高度，其直徑也略小于驅動輪直徑，保證設備行進時，履帶由高處向低處滑動，減少驅動力不必要損耗。

張緊裝置的張緊力FZ經驗計算公式如下：FZ=qa2/4k

式中：q—履帶單位長度重力 kN/mm。a—導向輪與驅動輪間的中心距 mm。k—履帶懸垂度 mm。

4 結語

隧道掘進機結構是在礦用掘進機結構基礎上改進而來的，但是隧道掘進機與礦用掘進機的使用工況不一樣，為了保證設備符合隧道使用需求，對礦用掘進機進行“隧道化”改造非常有必要。該文總結了隧道掘進機行走部在應用過程中遇到的一些問題和難點，給出了改進意見，并從結構設計、參數選擇及強度校核幾個方面進行了探討，為隧道掘進機的應用與推廣提供了詳細的參考。