白 云，郭京波，劉建東，苗 磊

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

1 引言

隨著全國(guó)鐵路交通和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，社會(huì)進(jìn)入了地下開(kāi)挖與利用的新時(shí)代。其中，全斷面掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱TBM）得到了廣泛應(yīng)用，它是一種具有掘進(jìn)、出碴、支護(hù)和通風(fēng)防塵等多種功能為一體的大型高效隧道施工機(jī)械[1]。

相比隧道施工的傳統(tǒng)鉆爆法，TBM 法在效率、安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，對(duì)不同地質(zhì)條件的適應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)，造價(jià)降低，在隧道建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。

TBM是一種集機(jī)、電、液、光、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的的大型隧道施工重大技術(shù)裝備，價(jià)值昂貴[2]。國(guó)內(nèi)有些學(xué)者雖然已經(jīng)對(duì)微型TBM做了一些研究，文獻(xiàn)[3]分析了微型隧道掘進(jìn)機(jī)在城市共同溝施工中運(yùn)用的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并提出了一些意見(jiàn)和建議。文獻(xiàn)[4]研究了不同工作模式下TBM試驗(yàn)臺(tái)撐靴與圍巖接觸均勻性仿真分析。但是較少對(duì)用于實(shí)際隧道施工的微型TBM進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

根據(jù)隧道實(shí)際施工的條件和試驗(yàn)臺(tái)的功能要求設(shè)計(jì)并制造了?200mm 微型TBM 試驗(yàn)臺(tái)，包括試驗(yàn)臺(tái)的主運(yùn)動(dòng)部分和推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了微型TBM 工作過(guò)程和運(yùn)動(dòng)情況。然后重點(diǎn)分析其液壓系統(tǒng)的參數(shù)要求、控制功能、工作原理并進(jìn)行選型和油路設(shè)計(jì)。研究微型TBM 引出的液壓系統(tǒng)的合理性并基于AMESim軟件對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[5]。

2 微型TBM試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

微型TBM 能夠掘進(jìn)直徑?200mm 的巖石隧道，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬深部巷道/隧道在巖爆條件下TBM開(kāi)挖過(guò)程。在模型隧道開(kāi)挖設(shè)備方面，通過(guò)設(shè)計(jì)一種微型TBM，實(shí)現(xiàn)合理仿真實(shí)際TBM開(kāi)挖的主要巖機(jī)相互作用，包含刀盤推力，扭矩、護(hù)盾接觸力、撐靴壓力等因素對(duì)巖爆的影響。

微型TBM的結(jié)構(gòu)包括刀盤、護(hù)盾、前推進(jìn)系統(tǒng)、水平支撐系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、后推進(jìn)系統(tǒng)、巖渣處理裝置、計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 微型TBM結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Structural Model Diagram of Micro TBM

刀盤設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑為200mm，采用鑲嵌硬質(zhì)合金頭或者碳化鎢材料的刀具，對(duì)巖樣進(jìn)行切削代替滾刀滾動(dòng)破巖。結(jié)構(gòu)采用三受力臂結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)合金柱焊接在每根臂上，采用三臂結(jié)構(gòu)，研磨切削，便于采用多種出渣方式，最大限度地避免了二次磨損。刀盤中間部位留有噴水孔。

護(hù)盾位于刀盤后面，為圓筒體結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)微型TBM內(nèi)部設(shè)備及維持巖壁穩(wěn)定，與刀盤一起向前移動(dòng)，護(hù)盾通過(guò)一對(duì)圓錐滾子軸承安裝在推進(jìn)軸上。工作過(guò)程中，刀盤旋轉(zhuǎn)切削巖層，切下的巖粉通過(guò)護(hù)盾下凹槽流出。

水平支撐由4 根微型油缸組成，分為上下2 組，每組2 根油缸，水平支撐將撐靴推壓到隧道巖壁上，為推進(jìn)系統(tǒng)提供摩擦力。

刀盤驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸、軸承、控制系統(tǒng)等組成，控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速、扭矩可以實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制。微型TBM試驗(yàn)臺(tái)采用液壓推進(jìn)形式，分為前推進(jìn)和后推進(jìn)兩個(gè)部分。前推進(jìn)為圓柱空心油缸，油缸活塞桿與端蓋連接，缸體與水平支撐系統(tǒng)連接，液壓推進(jìn)為內(nèi)置式。后推進(jìn)位于刀盤后邊，原理與前推進(jìn)油缸相同，待后推進(jìn)油缸伸到指定位置，空心油缸伸出實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。

圖2 微型TBM實(shí)物圖（局部）Fig.2 Micro TBM Physical Drawings（Local）

2.2 工作原理

試驗(yàn)機(jī)的工作過(guò)程分為三個(gè)部分：

（1）準(zhǔn)備（掘進(jìn)起始前）：空心油缸（后推進(jìn)系統(tǒng)）向前推進(jìn)到工作位置停止。水平支撐在支撐油缸作用下，將撐靴擠壓在洞壁上，撐靴與巖壁間存在一定作用力。

（2）掘進(jìn)：首先使刀盤在電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后開(kāi)啟推進(jìn)油缸推動(dòng)刀盤向前，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)；同時(shí)，噴水出渣系統(tǒng)工作。推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度為掘進(jìn)速度，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制。當(dāng)推進(jìn)油缸推完一個(gè)行程時(shí)，停止掘進(jìn)。

（3）換步：收縮水平支撐油缸，使得水平撐靴脫離洞壁（10~20）mm，推進(jìn)油缸收縮，帶動(dòng)水平支撐前移一個(gè)行程，推進(jìn)油缸停止收縮。打開(kāi)水平支撐，水平油缸伸出，使得撐靴壓緊洞壁，換步結(jié)束，可以重新掘進(jìn)。

3 微型TBM試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)及工作原理

3.1 微型TBM試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，微型TBM試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1 微型TBM液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Micro TBM Hydraulic System Parameters

微型TBM試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力大部分來(lái)自于液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)后推進(jìn)油缸推進(jìn)，水平支撐油缸伸出與縮回，前推進(jìn)油缸伸出與縮回等動(dòng)作，完成一個(gè)行程的推進(jìn)，其液壓控制系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

圖3 微型TBM液壓原理圖Fig.3 Hydraulic Schematic Diagram of Miniature TBM

推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖主要由液壓泵、液壓缸、單向閥、過(guò)濾器、溢流閥、液壓鎖、三位四通電磁換向閥等組成。水平支撐液壓系統(tǒng)有4個(gè)液壓缸、液壓鎖、三位四通電磁換向閥、溢流閥、油箱等組成。液壓站上的液壓閥組，如圖4所示。

圖4 液壓閥組Fig.4 Hydraulic Valve Set

3.2 液壓工作原理

（1）準(zhǔn)備過(guò)程

打開(kāi)總電源，按下操作按鈕，電磁鐵通電，三位四通閥處于右位，液壓泵壓出的油液通過(guò)單向閥、管路濾油器、三位四通閥處于右位、溢流減壓閥，進(jìn)入到推進(jìn)油缸的無(wú)桿腔，使后推進(jìn)油缸活塞桿伸出，到指定位置按下停止按鈕；然后按下水平支撐油缸的伸出按鈕，三位四通電磁換向閥處于右位，與后推進(jìn)油缸類似的過(guò)程，使四個(gè)水平支撐油缸的撐靴油缸伸出頂?shù)蕉幢?，擠壓后停止伸出。

（2）掘進(jìn)過(guò)程

打開(kāi)電機(jī)開(kāi)關(guān)，刀盤通過(guò)電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)；按下推進(jìn)按鈕，推進(jìn)系統(tǒng)的三位四通電磁換向閥處于右位，液壓泵壓出的油液通過(guò)單向閥、管路濾油器、三位四通閥處于右位、溢流減壓閥，進(jìn)入到空心油缸的無(wú)桿腔，使推進(jìn)油缸活塞桿伸出，掘進(jìn)一個(gè)行程后停止。

（3）換步過(guò)程

按下?lián)窝ビ透卓s回按鈕，水平支撐系統(tǒng)三位四通電磁換向閥換到左位，此時(shí)液壓油經(jīng)過(guò)油路進(jìn)入到撐靴油缸的有桿腔，使活塞桿縮回至初始位置；然后類似的操作縮回空心油缸的活塞桿，帶動(dòng)水平撐靴系統(tǒng)前進(jìn)一個(gè)行程，完成一個(gè)行程的掘進(jìn)。

4 微型TBM試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)建模分析

4.1 模型建立

考慮到實(shí)際的工作情況，重點(diǎn)考慮前推進(jìn)油缸和后推進(jìn)油缸的工作性能，對(duì)圖3的原理圖需要做合理的簡(jiǎn)化，啟動(dòng)AMESIM軟件，并調(diào)用系統(tǒng)里面常用的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)，然后建立微型TBM試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)模型。

4.2 參數(shù)設(shè)置

（1）系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)各個(gè)元件的實(shí)際類型，選擇合適的子模型，然后為子模型設(shè)置參數(shù)[6]，系統(tǒng)分析用到的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 液壓仿真主要參數(shù)表Tab.2 Main Parameters of Hydraulic Simulation

（2）各個(gè)液壓元件的參數(shù)設(shè)置

液壓泵選用柱塞泵，最大排量為每2.5mL；后推進(jìn)油缸的缸徑設(shè)定為80mm，桿直徑為55mm，行程為1100 mm；前推進(jìn)油缸的缸徑設(shè)定為130mm，桿直徑設(shè)定為100mm，行程為150mm。

溢流閥的公稱壓力為30MPa，溢流壓力為25MPa，通過(guò)最大流量210L/min；三位四通電磁換向閥選用HSV34，其最大壓力為35MPa，通過(guò)最大流量為220L/min；減壓閥最大壓力300bar，開(kāi)啟壓力250bar。后推進(jìn)油缸負(fù)載設(shè)為2000kg，前推進(jìn)油缸負(fù)載設(shè)為3000kg。

4.3 仿真與分析

設(shè)置系統(tǒng)的分析啟動(dòng)時(shí)間0s，后推進(jìn)液壓缸行程分析時(shí)間為15s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s。后推進(jìn)油缸關(guān)閉后，開(kāi)啟前推進(jìn)液壓缸，行程分析時(shí)間共15s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s。分析如下：

4.3.1 后推進(jìn)油缸分析

當(dāng)后推進(jìn)油缸壓力伴隨著負(fù)載增加而增加，當(dāng)壓力上升到工作壓力值時(shí)，壓縮缸保持在200bar，如圖5所示。缸的速度從圖6可知，在第1s 期間，速度急劇上升到0.016m/s，然后下降到0.012m/s隨著時(shí)間逐漸增大到0.018m/s附近，出現(xiàn)了上下抖動(dòng)狀態(tài)，是由于缸泄露的影響。由圖7可知，活塞桿位移隨著時(shí)間逐漸增大，曲線斜率基本穩(wěn)定，故活塞桿伸出過(guò)程比較平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，壓力變化趨勢(shì)穩(wěn)定，推進(jìn)速度僅有小幅抖動(dòng)，基本正常。

圖5 后推進(jìn)油缸進(jìn)口壓力分析曲線Fig.5 Analysis Curve of Inlet Pressure of Rear Propulsion Cylinder

圖6 后推進(jìn)油缸活塞速度分析曲線Fig.6 Velocity Analysis Curve of Back Propulsion Cylinder Piston

圖7 后推進(jìn)油缸活塞位移分析曲線Fig.7 Displacement Analysis Curve of Back Propulsion Cylinder Piston

4.3.2 前推進(jìn)油缸分析

當(dāng)后推進(jìn)油缸壓力伴隨著負(fù)載增加而增加，當(dāng)壓力上升到工作壓力值時(shí)，壓縮缸保持在135bar，如圖8所示。缸的速度從圖9可知，在第1s期間，速度急劇上升到5mm/s，然后在第2s開(kāi)始上升速度減緩，并穩(wěn)定在6mm/s附近。由圖10可知，前推進(jìn)油缸活塞桿位移隨著時(shí)間逐漸增大，曲線斜率基本穩(wěn)定，故活塞桿伸出過(guò)程比較平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，壓力變化趨勢(shì)穩(wěn)定，推進(jìn)速度正常。

圖8 前推進(jìn)油缸進(jìn)口壓力分析曲線Fig.8 Analysis Curve of Inlet Pressure of Forward Propulsion Cylinder

圖9 前推進(jìn)油缸活塞速度分析曲線Fig.9 Speed Analysis Curve of Forward Propulsion Cylinder Piston

圖10 前推進(jìn)油缸活塞位移分析曲線Fig.10 Displacement Analysis Curve of Forward Propulsion Cylinder Piston

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)制造了符合模擬實(shí)驗(yàn)研究的?200mm 微型TBM 試驗(yàn)臺(tái)。其可以模擬深部隧道在巖爆條件下TBM開(kāi)挖過(guò)程，并且仿真刀盤推力，扭矩、護(hù)盾接觸力、撐靴壓力等因素掘進(jìn)過(guò)程的影響。針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理，分析了其機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且對(duì)刀盤、護(hù)盾、前推進(jìn)系統(tǒng)、水平支撐系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、后推進(jìn)系統(tǒng)、巖渣處理裝置、計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

（2）分析了液壓系統(tǒng)的參數(shù)要求、控制功能、工作原理并進(jìn)行選型和油路設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了液壓原理圖，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理，具體分析了各個(gè)液壓元件在每一步的工作情況。

（3）運(yùn)用AMESim軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的后推進(jìn)系統(tǒng)和前推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，均布定載荷情況下，油缸進(jìn)油口壓力穩(wěn)定增大并保持在工作壓力值附近，推進(jìn)速度負(fù)載后基本保持不變，活塞桿伸出位移平穩(wěn)增大，性能良好，滿足工作要求。

（4）僅在均勻分布定載荷進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)性能仿真。在接下來(lái)的工作中，將對(duì)水平支撐系統(tǒng)和各個(gè)液壓閥的性能進(jìn)行研究深化，并做相應(yīng)優(yōu)化。本研究對(duì)于我國(guó)微型TBM的深入研究具有一定的指導(dǎo)意義。