TBM 掘進機關鍵部件分析及維修技術優化

高 偉

（山西省數字化轉型促進中心， 山西 太原 030000）

1 研究背景

當TBM掘進機處于工作狀態時，其周圍環境惡劣，加之自身零件結構復雜，且系統集成性強，所以很容易出現故障[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濟損失[2]。TBM掘進機結構如圖1 所示。

圖1 TBM 掘進機結構示意圖

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，隧道的洞壁由主支撐來承擔，然后由支撐腿抬起[3]。在刀盤驅動系統的帶動下，刀盤轉動，刀盤需要進行掘進時由推進系統提供動力，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，掘進行程結束[5]。

2 TBM 掘進機刀盤外部載荷及受力分析

2.1 轉速與刀盤的關系

根據相關文獻分析，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 刀盤直徑與刀盤轉速的關系

2.2 刀盤特性參數

刀盤作為鋼性結構焊件，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合滾刀破巖時承受的高動態載荷來確定，結構剛度和強度較高的刀盤與高質量的焊縫有利于掘進機在高效率運轉時刀具不發生側向位移，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，實現刀盤邊緣磨損的最小值；刀盤結構還應考慮反轉的需要，但出碴時只朝一個方向旋轉。刀盤結構如下頁圖3 所示。

圖3 刀盤結構

2.3 刀盤和滾刀受力

對刀盤和盤形滾刀進行簡化，在靜止狀態下按照簡支梁進行受力分析。

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

刀盤的總推力和受到的轉矩是很多結構的設計依據，如滾刀間距和貫入深度等，受不同地質條件的影響，最好使刀盤載荷位于最佳狀態，遇到較硬的巖石則需要使刀盤轉速加大，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。需要保證刀盤的穩定性、強度和剛度達到設計規范。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 便出現一次。切削力的峰值每出現一次，則代表滾刀完整地進行了一次破巖過程，在工作狀態下，切削力會在短期內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 三向載荷測量結果

2.5 刀具失效形式分析

在進行破巖作業中，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程并按要求執行，禁止隨意存放遺留油污，對灑落在施工現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垃圾、廢油等直接排放至生產環境中。

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上內鑲耐磨橡膠減少噪聲；同時噪聲也會由平穩性差引起，所以要繼續加固已有的傳動件，保持回轉狀態下的動平衡，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，結合技術管理的原則，以預防為主，確保質量。加大對設備的巡查力度，保證其能夠更好地處于正常狀態。

在對TBM掘進機進行日常維修保養時，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；液壓系統作為驅動裝置的控制部分，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測，在日常巡檢結束后要做好后期的跟蹤巡查，主軸承的內外迷宮環會受到巖渣影響，極易受到沖擊，長時間就會發生損壞，因此在設計時為了防止這種情況發生，需要設置三道唇形密封，并重點加強間隙的保養控制，確保其能夠真正地發揮作用。另外，在進行保養的過程中還需要有效地考慮刀盤等方面的結構特點，在容易發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，是引發事故的源頭，由于圍巖環境復雜，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，這使得刀盤表現為劇烈的隨機振動，后期還應繼續對施工載荷條件下的刀盤結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。本文旨在為工業設計領域的TBM掘進機維修提供一定的技術分析，對優化TBM掘進機的維修流程具有一定的指導意義。