敞開式TBM撐靴油缸穩定裝置設計

尹威華，張 嘯，張喜冬，席 杰

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

支撐及推進系統是敞開式TBM 的主要機構之一，為TBM 掘進提供推力，同時承受TBM 掘進的反力及反扭矩。支撐及推進系統由主梁、鞍架、推進油缸、撐靴油缸、扭矩油缸、撐靴、十字鉸接裝置、撐靴回正裝置、撐靴油缸穩定裝置等結構組成。

國內對敞開式TBM 支撐及推進系統進行了較多研究，但主要集中在運動分析和控制系統等研究，如：文獻[1]提出推進油缸分組姿態自適應的控制方法；文獻[2]通過分析支撐及推進系統機構的拓撲結構和運動規律，建立敞開式TBM 調向運動方程。本文分析換步過程支撐及推進系統的幾何關系，建立撐靴油缸穩定裝置力學模型，對穩定裝置彈簧進行設計校核。

1 敞開式TBM撐靴油缸穩定裝置結構及功能

敞開式TBM 一般分為兩個工作模式：掘進和換步。TBM 掘進時，推進油缸伸出，帶動刀盤、驅動、主梁等向前移動，同時撐靴撐緊洞壁，保持相對固定，為TBM 掘進提供推進反力和反扭矩。主梁式TBM 可以在掘進中進行調向，水平調向時，通過撐靴油缸作用，帶動鞍架及主梁向左或向右擺動，進而實現TBM 向右或向左的調向。TBM 換步時，后支撐伸出，和護盾共同支撐主機的重量，撐靴油缸收回，通過推進油缸回收，帶動撐靴及鞍架向前移動。

TBM 換步時，由于推進油缸回收的差動或者摩擦阻力的不均衡，可能會引起撐靴油缸繞十字銷軸轉動，進而導致左右撐靴的偏轉，撐靴偏轉嚴重時，難以匹配已安裝好的鋼拱架，給施工帶來不便。因此敞開式TBM 通常在撐靴油缸兩側布置穩定裝置，如圖1 所示，共4 組，用于保持撐靴油缸的相對居中狀態，避免撐靴左右偏轉過大。同時，在TBM 進行水平調向時，由于鞍架的左右擺動，會使得鞍架與撐靴油缸發生一定的偏轉，因此撐靴油缸穩定裝置需具備一定的壓縮量，用于適應TBM 轉彎需求。

圖1 撐靴穩定裝置布置圖

敞開式TBM 撐靴油缸穩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。雖然結構型式不同，但撐靴油缸穩定裝置原理相同，本文對圓柱彈簧型式結構進行分析。

圖2 撐靴穩定裝置結構圖

2 撐靴穩定裝置受力分析

撐靴穩定裝置通常設計4 組，對稱布置在撐靴油缸的前后。可通過調整螺桿，使彈簧產生一定預變形X0，變形后的板簧會產生彈力N0。彈簧的預變形量相同，且使穩定裝置頂住撐靴油缸，用以保持平衡。換步時，通過推進油缸回收帶動撐靴及鞍架沿掘進方向前后移動，推進油缸之間并接，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軸與撐靴油缸之間的摩擦力。

圖3 支撐及推進系統受力圖

由受力平衡可得

由幾何關系得

由式（1）、式（2）可得

式中F——推進油缸輸出推力或拉力；

α——力F與掘進方向的夾角；

f——鞍架與撐靴系統與主梁軌道之間的摩擦力；

μ——鞍架與撐靴系統與主梁軌道之間的摩擦系數；

G——鞍架與撐靴系統作用在主梁軌道上的重力；

a——推進油缸與撐靴連接點與十字銷軸鉸接點的距離；

y——推進油缸與主梁連接點到主梁重心的距離；

L——推進油缸前后連接點的距離；

N0——穩定裝置彈簧的預緊力；

n——單個穩定裝置中彈簧的數量；

K——彈簧的剛度，N/mm；

X0——彈簧的預變形量，mm。

在實際應用時，盡管油缸之間并接，但是由于阻力不同，油缸可能會出現差動現象，即一側油缸先動作，等一段時間后，達到穩定狀態，左右兩側油缸同時伸縮。這樣由于左右推進油缸的先后動作，會導致撐靴繞十字銷軸發生一點微小的偏轉，則2 組撐靴油缸穩定裝置會發生壓縮，另外兩組撐靴穩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，撐靴油缸穩定裝置會對撐靴油缸產生一個扭矩，使撐靴油缸在偏轉狀態達到平衡，考慮極限情況，假設左側油缸先動作，忽略右側油缸推力，如圖4 所示。

圖4 撐靴偏轉時支撐及推進系統受力圖

由受力平衡可得

式中F1——推進油缸輸出推力或拉力；

α1——力F與掘進方向的夾角；

f1——鞍架與撐靴系統與主梁軌道之間的摩擦力；

a1——推進油缸與撐靴連接點與十字銷軸鉸接點的距離；

L1——推進油缸前后連接點的距離；

N1——穩定裝置彈簧的彈力。

根據圖4 幾何尺寸關系，可求得

通常TBM 推進系統主結構設計選型完成后，a，y，G，ε為定值，由式（4）、式（5）可得穩定器彈簧彈力N1、彈簧的剛度K與推進油缸兩鉸接點距離L1、撐靴偏轉角度θ的關系式，簡化為式（6）。

4 撐靴穩定裝置彈簧壓縮量計算

為適應隧道的轉彎和對TBM 姿態進行糾正，項目上對TBM 轉彎調向能力有要求，特別礦用隧道，往往要求TBM 具備小曲線轉彎的能力。敞開式TBM（主梁式）在掘進中進行調向，調向時，通過撐靴油缸作用，帶動鞍架和主梁左右擺動，進而實現TBM 的調向，調向時撐靴撐緊洞壁，撐靴及撐靴油缸相對隧道保持不動，而由于鞍架的左右擺動，鞍架與撐靴油缸會繞十字銷軸發生相對轉動，進而壓縮撐靴穩定裝置，撐靴的穩定裝置壓縮量需滿足TBM 最小轉彎半徑的要求。

由文獻[2]可知，主梁式TBM 在轉彎時，TBM 可簡化為沿圓弧的切線行走，撐靴油缸撐緊洞壁時，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，由幾何關系得

式中R——TBM 轉彎半徑；

E——TBM轉彎時撐靴距離前部支點的距離；

θ2——轉彎時撐靴左右偏轉的角度；

X2——轉彎時穩定裝置彈簧的壓縮量。

圖5 TBM轉彎模擬圖

5 穩定裝置彈簧應用計算

撐靴油缸穩定裝置剛度與強度設計一方面要滿足換步過程中能夠保持撐靴左右居中狀態，另一方面主機調向時穩定裝置壓縮量滿足轉彎需求，不會造成彈簧損壞。以某主梁式單組撐靴油缸TBM 為例，主要參數如表1 所示。

表1 主要參數

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

該項目主梁式TBM 撐靴穩定裝置彈簧剛度取1 300N/mm，彈簧預壓縮量為30mm，最大壓縮量為150mm，彈簧剛度及壓縮量均大于上述計算結果，且具備一定的安全余量，設計滿足要求。

6 結語

撐靴穩定裝置的設計需滿足剛度和壓縮量的要求，本文通過對TBM 撐靴穩定裝置進行受力分析及轉彎模擬計算，得出TBM 撐靴穩定裝置彈簧的計算公式，可用于指導TBM 撐靴穩定裝置的設計和校核。在實際使用過程中曾出現過急于糾偏，調向幅度過大，導致穩定裝置彈簧，導致結構變形。建議在結構設計時，穩定裝置彈簧在滿足極限工況使用情況下，預留一定的壓縮量，避免彈簧壓并；其次，在TBM 使用時，應避免調向糾偏幅度過大，轉彎半徑超出設計范圍，造成穩定裝置彈簧壓縮量過大，使得結構受力過大，引起變形。