張 楠

(徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

根據(jù)目前國內(nèi)山體隧道市場(chǎng)的需求，徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司自主開發(fā)了XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)來滿足市場(chǎng)需求，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)可廣泛用于地鐵、礦山、水利等中等斷面隧道工程，主要針對(duì)較堅(jiān)硬巖施工。為確保該機(jī)工作具有較高的穩(wěn)定性，筆者根據(jù)力學(xué)理論進(jìn)行了穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算，得出最小穩(wěn)定系數(shù)值，結(jié)果表明該懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)工作具有較高的穩(wěn)定性。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)參數(shù)

(1) 整機(jī)質(zhì)量 XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)整機(jī)重90 t。

(2) 質(zhì)心的確定 為便于分析計(jì)算，設(shè)定直角坐標(biāo)系如下：設(shè)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)中心線與地面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，掘進(jìn)機(jī)的縱向?qū)ΨQ中心線為X軸，正方向指向正前方，回轉(zhuǎn)中心線為Y軸，正方向向上，左右方向?yàn)閆軸，機(jī)身右側(cè)為正方向。如圖1所示。

圖1 質(zhì)心位置圖

通過計(jì)算，得出不同狀態(tài)下的整機(jī)質(zhì)心如表1所列。

表1 XTR6/260掘進(jìn)機(jī)各狀態(tài)質(zhì)心位置 /mm

2 不同工況下穩(wěn)定性的計(jì)算

本文主要計(jì)算XTR6/260隧道掘進(jìn)機(jī)在行走爬坡和截割工況下載荷固定時(shí)的穩(wěn)定性。

2.1 行走爬坡工況時(shí)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算

(1) 極限傾翻角[1]

XTR6/260掘進(jìn)機(jī)在上坡、下坡、橫向傾斜停留及行走時(shí)(如圖2～4所示)的極限傾翻角由下式確定：

α1=arctg (a/h)

(1)

α2=arctg (b/h)

(2)

α3=arctg (e/h)

(3)

式中：α1為上山極限傾翻角；α2為下山極限傾翻角；α3為橫向極限傾翻角；a為質(zhì)心到履帶后輪中心線距離；b為質(zhì)心到履帶前輪中心線距離；e為質(zhì)心到履帶最邊緣距離；h為質(zhì)心到地面的高度。

XTR6/260掘進(jìn)機(jī)各參數(shù)值分別代入式(1)～(3)得：

α1=61°，α2=51.18°，α3=44°

圖2 上坡時(shí)的極限傾翻角

圖3 下坡時(shí)的極限傾翻角

圖4 橫向傾斜停留及行走時(shí)的極限傾翻角

(2) 下坡打滑時(shí)臨界坡度角

XTR6/260掘進(jìn)機(jī)下坡發(fā)生傾翻之前，如果履帶與隧道底板附著力不足，則可能導(dǎo)致機(jī)器下滑或側(cè)滑。履帶板與隧道底板附著力為[2]：

F1=uGcosα

(4)

式中：F1為履帶與隧道底板附著力 kN；G為掘進(jìn)機(jī)重力 kN；α為隧道坡度角。

使機(jī)器產(chǎn)生下滑力F2是與底板平行的重力分量[2]：

F2=Gsinα

(5)

式中：u為履帶板與隧道底板附著系數(shù)。

若F1=F2，則可求得下滑臨界坡角，即uGcosα=Gsinα，即α=arctgu。

如果取u=0.4[4]，則得α=21.8°

即當(dāng)α≤21.8°時(shí)機(jī)器不致傾翻，為穩(wěn)定狀態(tài)。

XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)適用隧道坡度定為±18°，從以上分析可以得出，該機(jī)在該范圍內(nèi)工作時(shí)，不會(huì)發(fā)生傾翻和下滑，具有較高的穩(wěn)定性。

2.2 截割工況的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算

截割時(shí)按回轉(zhuǎn)臂和履帶推進(jìn)機(jī)構(gòu)在截割頭上產(chǎn)生的力分析XTR6/260掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性。

2.2.1 縱向截割(上下截割)穩(wěn)定性

當(dāng)截割頭縱向截割(上下截割)時(shí)，受力如圖5所示。

圖5 縱向截割受力圖

截割頭向上截割時(shí)的極限傾翻力矩：

MF1=Ra2·d

(6)

XTR6/260掘進(jìn)機(jī)自重產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩：

M1=G(b+c)

(7)

穩(wěn)定系數(shù)[1]：

(8)

截割頭向下截割時(shí)的極限傾翻力矩：

MF2=Ra1(a+b+c+d)

(9)

XTR6/260掘進(jìn)機(jī)自重產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩：

M2=G·a

(10)

穩(wěn)定系數(shù)[1]：

(11)

式中：Ra1、Ra2為巖土對(duì)截割頭反作用力；G為整機(jī)重力；a為整機(jī)質(zhì)心到履帶驅(qū)動(dòng)輪中心距離；b為整機(jī)質(zhì)心至履帶導(dǎo)向輪中心距離；c為履帶前軸中心線到推板前緣的距離；d為推板前緣至截割頭載荷中心的水平距離。

(1) 切割頭向下切割幾種工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下：

① 中間水平，向下切割

K2=1.2

此種工況使用后支腿輔助支承

K2=2.02

② 左(右)側(cè)水平，向下切割

K2=1.26

此種工況使用后支腿輔助支承

K2=2.02

③ 左(右)側(cè)最上位置，向下切割

K2=2.39

④ 中間最上位置，向下切割

K2=2.24

⑤ 中間最下位置時(shí)，向下切割(向下切割到最下臨界位置)

K2=1.64

⑥ 左(右)側(cè)最下位置時(shí)，向下切割(向下切割到最下臨界位置)

K2=1.73

各種工況下最小穩(wěn)定系數(shù)為：K1=1.2<1.25(掘進(jìn)機(jī)CE標(biāo)準(zhǔn)要求最小穩(wěn)定系數(shù))。

所以向下切割情況下需要后支腿輔助支承，能保證機(jī)器穩(wěn)定。

(2) 切割頭向上切割幾種工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下：

① 中間水平，向上切割

K1=17.87

② 左(右)側(cè)水平，向上切割

K1=31.6

③ 中間最下位置時(shí)，向上切割

K1=35.11

④ 左(右)側(cè)最下位置時(shí)，向上切割

K1=75.1

⑤ 中間最上位置時(shí)，向上切割(向上切割到最上臨界位置)

K1=206.3

⑥ 左(右)側(cè)最上位置時(shí)，向上切割(向上切割到最上臨界位置)

K1=106

各種工況下最小穩(wěn)定系數(shù)為:K1=17.87?1，所以向上切割情況下機(jī)器穩(wěn)定。

2.2.2 橫向穩(wěn)定性計(jì)算(切割頭在左、右側(cè)上下切割時(shí))

傾翻力矩：Mp=Rb·f

(13)

穩(wěn)定力矩：M3=G·e

(14)

穩(wěn)定系數(shù)：K3=M3/Mp

(15)

式中：Rb為切割頭切割時(shí)所受的最大阻力；G為整機(jī)重力；e為整機(jī)質(zhì)心到履帶支重輪外邊緣距離；f為切割頭最外緣到履帶支重輪外邊緣距離。

各狀態(tài)計(jì)算結(jié)果如下：

(1) 左(右)側(cè)水平位置，向下切割受力如圖6所示，K3=1.43。

圖6 橫向水平截割受力圖

(2) 左(右)側(cè)最上位置，向下切割受力如圖7所示，K3=2.74。

圖7 橫向側(cè)向下截割受力圖

左、右側(cè)向下切割工況最小穩(wěn)定系數(shù)：K3=1.43>1.25，所以左、右側(cè)向下切割情況下機(jī)器橫向穩(wěn)定。

(3) 左(右)側(cè)水平位置，向上切割受力如圖8所示，K3=2.47。

圖8 橫向側(cè)向上截割受力圖

(4) 左(右)側(cè)向上切割到最上極限位置受力如圖9所示，K3=4.72。

左、右側(cè)向上切割工況最小穩(wěn)定系數(shù)為：K3=2.47>1.25，所以左、右側(cè)向上切割情況下機(jī)器橫向穩(wěn)定。

圖9 橫向側(cè)最上截割受力圖

2.2.3 軸向鉆進(jìn)

軸向鉆進(jìn)受力圖如圖10所示。

圖10 軸向鉆進(jìn)受力圖

極限力矩為：Mf3=Rc·h

穩(wěn)定力矩為：M4=G×a

式中:h為切割頭中心至履帶板底平面的距離；Rc為阻力，等于G×u；u為履帶與地面的附著系數(shù)，取u=0.5；a為整機(jī)質(zhì)心到履帶驅(qū)動(dòng)輪中心距離。

穩(wěn)定系數(shù)為:K=M4/Mf3=1.75>1

當(dāng)K>1時(shí)，機(jī)器穩(wěn)定；當(dāng)K<1時(shí)，掘進(jìn)機(jī)傾翻；當(dāng)K=1時(shí)，掘進(jìn)機(jī)處于將要傾翻而又未傾翻的臨界狀態(tài)[3]。令K=1.75>1，因此軸向鉆進(jìn)時(shí)機(jī)器穩(wěn)定。

通過以上計(jì)算可知，XTR6/260隧道掘進(jìn)機(jī)在隧道施工時(shí)施工坡度不可大于21.8°；在切割頭向下切割時(shí)，若不采用后支腿輔助支承，機(jī)身有翻轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，因此在產(chǎn)品操作說明書及技術(shù)文件中，明確指出：XTR6/260隧道掘進(jìn)機(jī)施工坡度為±18°，掘進(jìn)截割時(shí)必須將后支腿落下穩(wěn)定機(jī)身。

3 結(jié) 語

通過以上計(jì)算，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)整機(jī)具有較高的穩(wěn)定性，將鏟板與后支撐著地，還可進(jìn)一步增加整機(jī)工作的穩(wěn)定性。通過在重慶唐家沱地鐵隧道90 MPa砂巖地層的使用，有效檢驗(yàn)了整機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性。