摘 要：TBM施工是我國現(xiàn)階段特長隧洞施工的主要技術(shù)，施工中一般采用連續(xù)皮帶運輸系統(tǒng)將渣土運出隧道。如何快速方便地卷收皮帶，是TBM施工實際操作中需要解決的難題，該難題目前在業(yè)內(nèi)沒有可借鑒的、成體系的解決方法?，F(xiàn)以廣西桂中某引水工程TBM標段采用的敞開式TBM為例，闡述了TBM皮帶回收裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理，針對工程實際施工中遇到的問題進行分析，并提出了相應(yīng)的處理方法，可為今后類似的工藝施工提供參考。

關(guān)鍵詞：敞開式TBM;齒輪泵;運輸帶;電機驅(qū)動

1 工程概況

廣西桂中某引水工程隧道使用Robbins敞開式隧道掘進機（TBM）施工，TBM的掘進方向為直線（無拐點），平坡掘進，縱坡坡度0.2‰。TBM開挖洞徑D=5 940 m。

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，TBM輸送帶在實際回收過程中出現(xiàn)皮帶回收張緊力不足、皮帶回收支撐架變形、驅(qū)動齒輪泵馬達動力不足及吊裝平移困難等諸多問題，影響了TBM連續(xù)皮帶的回收效率和回收進度。因此，本文從連續(xù)皮帶回收裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，結(jié)合廣西桂中某引水工程隧道中敞開式TBM連續(xù)輸送帶的實際使用情況，剖析問題的實質(zhì)，希望為今后敞開式TBM輸送帶回收裝置的優(yōu)化設(shè)計提供有益的參考。

2 TBM皮帶回收裝置技術(shù)要點

2.1? ? 驅(qū)動回收裝置的結(jié)構(gòu)

TBM皮帶回收裝置主要包括自轉(zhuǎn)回收裝置部分、皮帶系統(tǒng)330 kW兩組驅(qū)動電機部分、導(dǎo)向底座部分、雙向支撐架部分、底部滑板部分、拉桿、齒輪軸及油泵等。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2? ? TBM皮帶回收裝置工作原理

利用TBM上330 kW主驅(qū)動電機，通過電機連接傳動軸驅(qū)動皮帶滾筒運轉(zhuǎn)，通過運輸帶與滾筒的耐磨層產(chǎn)生摩擦力從而帶動皮帶運轉(zhuǎn)。TBM完成掘進后，11.8 km輸送帶延伸至隧洞另一端，輸送帶是由上下兩層尺寸和型號不相同的托輥支撐，當皮帶通過驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)時，皮帶運動受力由靜止摩擦力變成滾動摩擦力，大大減少了驅(qū)動電機回收的阻力。在使用皮帶回收裝置初始階段，工作人員發(fā)現(xiàn)單純依靠皮帶回收裝置卷收皮帶而無外力張緊時，會出現(xiàn)卷收皮帶卷松弛的情況，可通過調(diào)整主驅(qū)動電機減速控制頻率，限制其最高轉(zhuǎn)速，使主驅(qū)動滾筒輪因摩擦力喂帶的卷速與齒輪油泵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速盡量保持一致或稍慢，以保持主驅(qū)動皮帶滾筒與皮帶回收裝置之間的皮帶始終處于張緊狀態(tài)，確保卷帶回收的質(zhì)量。皮帶在回收過程中會因為多種原因出現(xiàn)跑偏的情況，使回收的皮帶參差不齊。為避免這一情況，在皮帶裝置的兩側(cè)增加限位滾筒，皮帶滾筒使用螺栓固定并可適當調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同皮帶的寬度需求。

皮帶回收裝置運作主要有7個階段：啟動主驅(qū)動電機→啟動回轉(zhuǎn)回收液壓馬達→定距離皮帶回收完成→停止回收裝置→側(cè)向定位油缸伸縮→吊裝起運→更換齒輪傳動軸，往復(fù)循壞，從而實現(xiàn)皮帶回收。

2.3? ? TBM皮帶回收裝置機電、液壓系統(tǒng)設(shè)計

TBM皮帶回收裝置的電氣液壓控制系統(tǒng)主要由動力部分、傳動部分、控制部分、執(zhí)行部分、機械結(jié)構(gòu)部分、液壓部分等組成。在具體操作過程中，由動力部分提供動力，由各電氣元件對各電氣液壓控制部分提供工作信號，各控制元件、輔助元件在控制元件的共同作用下，控制執(zhí)行元件部分按照既定工作要求執(zhí)行動作。

2.3.1? ? 驅(qū)動電機設(shè)計計算

在皮帶回收過程中，電機與傳動軸連接傳動，在傳動軸的作用下，需要通過功率轉(zhuǎn)換成扭力，克服皮帶由靜止變?yōu)闈L動的摩擦力，從而提供張緊力達到回收的效果，在驅(qū)動電機的情況下，一直處于一種較緩勻速狀態(tài)且傳動單一、性能穩(wěn)定。電機的設(shè)計計算主要包括電機輸出功率、輸入功率、軸頭電功率、軸頭機械功率及運行力矩等部分。

電機的輸出功率計算：

Pout=T×ω

ω=（2π/60）×n

根據(jù)電動勢能學(xué)，將上述兩式代入下式中計算，可得出電機輸出的總功率：

Pout=（T×n）/9 550

式中：Pout為輸出總功率（kW）;T為輸出力矩（Nm）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）。

通過電壓、電流和功率因數(shù)計算電機輸入功率：

式中：Pin為輸出功率（W）;U為輸出電壓（V）;I為輸出電流（A）;cos φ為動能變量。

由計算可知，電機的效率為輸出功率與輸入功率比值：

η=Pout/Pin

電機額定點的輸出功率分為兩部分：一部分是軸頭電功率，另一部分是軸頭機械功率。軸頭電功率的計算公式：

式中：Pout為軸頭電功率（W）;Un為輸出電壓（V）;In為輸出電流（A）;ηn為輸出效率。

軸頭機械功率的計算公式：

Pout=（Tn×nn）/9 550

式中：Pout為軸頭機械功率（kW）;Tn為輸出力矩（Nm）;nn為轉(zhuǎn)速（r/min）。

電機力矩包含動態(tài)力矩分量和負載力矩分量：

T=Tdyn+Tload

式中：T為電機力矩;Tdyn為電機動態(tài)力矩分量;Tload為電機負載力矩分量。

動態(tài)力矩分量的設(shè)計計算公式：

Tdyn=J×（dω/dt）

根據(jù)電動勢能守恒定律，由下式可計算出電機運行過程中總的力矩：

根據(jù)皮帶回收的電機功率、轉(zhuǎn)速、力矩的計算，驅(qū)動電機實際輸出功率遠遠大于回收皮帶時產(chǎn)生的實際張緊力及克服皮帶運動狀態(tài)下由靜止摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦產(chǎn)生的阻力。

2.3.2? ? 卷帶驅(qū)動齒輪泵設(shè)計計算

TBM皮帶回收裝置在液壓齒輪泵運轉(zhuǎn)的過程中，需要對齒輪泵各種變量進行計算，當齒輪泵相關(guān)設(shè)計參數(shù)大于實際需要參數(shù)時，即可滿足回轉(zhuǎn)回收齒輪油泵參數(shù)的設(shè)計相關(guān)要求。

齒輪泵流量計算公式：

qo=（Vn）/1 000

q=（Vnηo）/1 000

式中：V為泵排量（mL/r）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）;ηo為齒輪泵效率;qo為理論流量（L/min）;q為實際流量（L/min）。

齒輪泵輸入功率（kW）計算公式：

Pi=（2πTn）/60 000

式中：T為扭矩（Nm）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）。

齒輪泵輸出功率（kW）計算公式：

式中：p為輸出壓力（MPa）;p′為輸出壓力（kgf/cm2）;q為實際流量（L/min）。

齒輪泵容積效率（%）計算公式：

式中：q為實際流量（L/min）;qo為理論流量（L/min）。

齒輪泵機械效率（%）計算公式：

式中：p為輸出壓力（MPa）;q為實際流量（L/min）;T為扭矩（Nm）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）。

齒輪泵總效率（%）計算公式：

η=ηV×ηm

式中：ηV為齒輪泵容積效率（%）;ηm為齒輪泵機械效率（%）。

齒輪馬達扭矩（Nm）計算公式：

T=Tt×ηm

式中：ΔP為馬達的輸入壓力與輸出壓力差（MPa）;q為馬達排量（mL/r）;Tt為馬達的理論扭矩（Nm）;T為馬達的實際輸出扭矩（Nm）;ηm為馬達的機械效率（%）。

馬達的轉(zhuǎn)速（r/min）計算公式：

式中：Q為馬達的輸入流量（mL/min）;q為馬達排量（mL/r）;ηV為馬達的容積效率（%）。

齒輪馬達的輸出功率（kW）計算公式：

式中：n為馬達實際轉(zhuǎn)速（r/min）;T為馬達的實際輸出扭矩（Nm）。

液壓缸面積（cm2）、液壓缸伸縮速度（m/min）計算公式：

式中：D為液壓缸有效活塞直徑（cm）;Q為流量（L/min）;A為液壓缸面積（cm2）。

液壓缸需要的流量（L/min）計算公式：

式中：v為速度（m/min）;A為液壓缸面積（cm2）;S為液壓缸行程（m）;t為時間（min）。

液壓缸的流速（m/s）計算公式：

液壓缸的推力（N）計算公式：

式中：F1為無桿端產(chǎn)生的推力（N）;F2為有桿端產(chǎn)生的推力（N）;P為油缸的進油壓力（Pa）;Po為油缸的回油背壓（Pa）;D為無桿腔活塞直徑（m）;d為活塞桿直徑（m）;ηm為油缸的機械效率（%）。

油管管徑（mm）計算公式：

式中：Q為通過油管的流量（L/min）;v為油在管內(nèi)允許的流速（m/s）。

管內(nèi)壓力降（kgf/cm2）計算公式：

式中：U為油的粘度（cSt）;S為油的比重;L為管的長度（m）;Q為流量（L/min）;d為管的內(nèi)徑（cm）。

對于壓力管，當壓力高、流量大、管路短時取大值，反之取小值。當系統(tǒng)壓力P<2.5 MPa時，取v=2 m/s;當P=

2.5～14 MPa時，取v=3～4 m/s;當P>14 MPa時，取v≤5 m/s。對于移動部件，當P>21 MPa時，取v≤5～6 m/s。

通過對齒輪泵的設(shè)計計算可知齒輪泵各參數(shù)實際要求，據(jù)此選擇合適的齒輪泵，并根據(jù)管路及油缸的型號尺寸來判斷回轉(zhuǎn)回收皮帶實際需要的功率大小。

3 TBM回收裝置回收時的故障處理

TBM皮帶回收裝置正常運行一段時間后，各種部位的部件都會不定時出現(xiàn)機械、液壓、電氣等方面的問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

3.1? ? 皮帶運轉(zhuǎn)失效

當皮帶回收裝置啟動時，由于驅(qū)動電機或齒輪馬達的運轉(zhuǎn)扭矩達到極限，齒輪馬達承載負荷已經(jīng)超過油泵本身提供的動力，這時必須停掉驅(qū)動電機及齒輪油泵，沿皮帶回程路線查找原因，看皮帶是否在運轉(zhuǎn)途中被卡或者存在其他原因?qū)е码姍C及油泵負載過大。

3.2? ? 齒輪油泵外嚙合齒失效

當回收裝置運轉(zhuǎn)一段時間后，齒輪油泵與齒輪軸嚙合齒由于齒輪嚙合處機械性運轉(zhuǎn)，齒輪磨損過大而產(chǎn)生間隙，在油泵啟動時兩傳動齒相互沖擊，使外齒輪嚙合齒齒體龜裂，嚙合齒齒體失效，必須進行更換。

3.3? ? 主驅(qū)動皮帶傳動滾筒輪防滑層失效

主驅(qū)動滾筒工作表面附有防滑層，在皮帶運轉(zhuǎn)回收時，主驅(qū)動滾筒在皮帶的張力作用下，防滑層會與皮帶緊密接觸，產(chǎn)生足以驅(qū)動皮帶的摩擦力。由于回收速度一直是勻速狀態(tài)，在長時間電機連續(xù)啟動狀態(tài)下，滾筒表面防滑層及防滑瓷片會相繼脫落，使得啟動驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力不足以克服輸送帶產(chǎn)生的靜摩擦力，所以防滑層失效時，必須重新冷粘更換防滑皮層。

4 結(jié)語

廣西桂中某引水工程施工某標段的隧道距離較長，對于11.8 km的皮帶回收是整個隧洞施工項目的關(guān)鍵部分之一，直接關(guān)系到后期工作的有效開展。本文針對TBM皮帶回收裝置的結(jié)構(gòu)以及在皮帶回收的實際過程中所遇到的問題進行了分析，并提出一些建議，希望可以為今后TBM長距離皮帶回收的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

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收稿日期：2021-01-25

作者簡介：黃偉（1985—），男，湖北孝感人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。