劉衛(wèi)校+++王琴

摘 要：盾構(gòu)與頂管機(jī)施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構(gòu)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用對(duì)于工程施工有著重要的意義。文章針對(duì)與切削截面形狀起決定作用的刀盤(pán)切削形式為切入點(diǎn)，在介紹現(xiàn)有盾構(gòu)和頂管機(jī)切削形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應(yīng)用，進(jìn)行了該原理在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)上的應(yīng)用與研究。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網(wǎng)工程中，盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用。隧道斷面由盾構(gòu)機(jī)與頂管機(jī)自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應(yīng)用最為經(jīng)濟(jì)。因此，矩形盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義[1]。

1 矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)常用切削形式[1]

刀盤(pán)切削形式的設(shè)計(jì)是矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。圓形斷面的盾構(gòu)與頂管機(jī)，刀盤(pán)的切屑形式基本上是一中心旋轉(zhuǎn)大刀盤(pán)。相比來(lái)說(shuō)，矩形斷面的切削則遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤(pán)式：切削面積大概可達(dá)到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

（2）組合刀盤(pán)式：傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)惡劣的工作環(huán)境將對(duì)其可靠性產(chǎn)生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優(yōu)勢(shì)明顯，為優(yōu)選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內(nèi)齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內(nèi)齒圈1轉(zhuǎn)動(dòng)，二者中心距記為？著0。點(diǎn)A為行星齒輪2上一任意點(diǎn)，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內(nèi)齒圈1圓心o做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若行星輪2以一定的轉(zhuǎn)速v公繞圓心o公轉(zhuǎn)，同時(shí)以1/3倍于公轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)速 v自繞圓心o'做反方向自轉(zhuǎn)（即：v自=-1/3v公），則點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為以圓心o為中心，邊長(zhǎng)為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用研究

2.2.1 在切削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)如圖2所示。切削機(jī)構(gòu)分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設(shè)計(jì)為3根輻條的中心回轉(zhuǎn)支承形式（回轉(zhuǎn)中心 ），每根輻條長(zhǎng)度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構(gòu)和頂管機(jī)主體中心點(diǎn)o有一偏心量ε的位置。盾構(gòu)和頂管機(jī)主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，且速度為切削器旋轉(zhuǎn)速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形，并與頂管機(jī)端面輪廓（邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長(zhǎng)L滿(mǎn)足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長(zhǎng)，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長(zhǎng)L一定時(shí)，通過(guò)改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應(yīng)變化，進(jìn)而得到任意的形狀，甚至當(dāng)ε=0時(shí)，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

按照盧勞三角形原理設(shè)計(jì)的刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正方形斷面的掘進(jìn)。為了滿(mǎn)足切削機(jī)構(gòu)中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向與偏心裝置轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速是偏心裝置轉(zhuǎn)速的1/3倍，可將切削機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)為復(fù)合輪系傳動(dòng)或偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)兩種形式。

（1）復(fù)合輪系傳動(dòng)

圖3 復(fù)合輪系傳動(dòng)

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數(shù)比相等，行星齒輪z7自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是z3、z4轉(zhuǎn)速的1/3倍，兩者轉(zhuǎn)速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤(pán)軸穿過(guò)兩圓孔，并可相互自由轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤(pán)軸固定在z7中心。該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，切削機(jī)構(gòu)可承受較大偏心矩，可勝任地質(zhì)條件相對(duì)較為惡劣的掘進(jìn)工況。上世紀(jì)80年代日本開(kāi)發(fā)的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)有很多采用了該傳動(dòng)形式，并在實(shí)際施工中得到了應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

如圖4所示，偏心軸輸入端與內(nèi)齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤(pán)由三根長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤(pán)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其繞內(nèi)齒圈軸線公轉(zhuǎn)速度的1/3倍，且兩者轉(zhuǎn)向相反，L與ε滿(mǎn)足盧勞三角形原理，切削機(jī)構(gòu)的切削斷面為正方形。動(dòng)力通過(guò)偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤(pán)，完成斷面掘進(jìn)工作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在地質(zhì)條件較好的底層中可以得到很好的應(yīng)用。近幾年來(lái)，我國(guó)矩形頂管機(jī)得到了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些公司已開(kāi)始采用該傳動(dòng)形式進(jìn)行矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)，并已有相應(yīng)產(chǎn)品完成了加工制造[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)中，相比采用小刀盤(pán)式、組合刀盤(pán)式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復(fù)合輪系傳動(dòng)，切削與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標(biāo)準(zhǔn)的正方形，與要掘進(jìn)斷面大小重合，整機(jī)掘進(jìn)能力較強(qiáng)；采用偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的頂管機(jī)，切削及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，切削斷面與要掘進(jìn)斷面大小重合，同等地質(zhì)條件下掘進(jìn)能力較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機(jī)的研究和設(shè)計(jì)[J].市政技術(shù)，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠(chéng).大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應(yīng)用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾構(gòu)與頂管機(jī)施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構(gòu)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用對(duì)于工程施工有著重要的意義。文章針對(duì)與切削截面形狀起決定作用的刀盤(pán)切削形式為切入點(diǎn)，在介紹現(xiàn)有盾構(gòu)和頂管機(jī)切削形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應(yīng)用，進(jìn)行了該原理在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)上的應(yīng)用與研究。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網(wǎng)工程中，盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用。隧道斷面由盾構(gòu)機(jī)與頂管機(jī)自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應(yīng)用最為經(jīng)濟(jì)。因此，矩形盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義[1]。

1 矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)常用切削形式[1]

刀盤(pán)切削形式的設(shè)計(jì)是矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。圓形斷面的盾構(gòu)與頂管機(jī)，刀盤(pán)的切屑形式基本上是一中心旋轉(zhuǎn)大刀盤(pán)。相比來(lái)說(shuō)，矩形斷面的切削則遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤(pán)式：切削面積大概可達(dá)到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

（2）組合刀盤(pán)式：傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)惡劣的工作環(huán)境將對(duì)其可靠性產(chǎn)生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優(yōu)勢(shì)明顯，為優(yōu)選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內(nèi)齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內(nèi)齒圈1轉(zhuǎn)動(dòng)，二者中心距記為？著0。點(diǎn)A為行星齒輪2上一任意點(diǎn)，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內(nèi)齒圈1圓心o做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若行星輪2以一定的轉(zhuǎn)速v公繞圓心o公轉(zhuǎn)，同時(shí)以1/3倍于公轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)速 v自繞圓心o'做反方向自轉(zhuǎn)（即：v自=-1/3v公），則點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為以圓心o為中心，邊長(zhǎng)為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用研究

2.2.1 在切削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)如圖2所示。切削機(jī)構(gòu)分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設(shè)計(jì)為3根輻條的中心回轉(zhuǎn)支承形式（回轉(zhuǎn)中心 ），每根輻條長(zhǎng)度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構(gòu)和頂管機(jī)主體中心點(diǎn)o有一偏心量ε的位置。盾構(gòu)和頂管機(jī)主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，且速度為切削器旋轉(zhuǎn)速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形，并與頂管機(jī)端面輪廓（邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長(zhǎng)L滿(mǎn)足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長(zhǎng)，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長(zhǎng)L一定時(shí)，通過(guò)改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應(yīng)變化，進(jìn)而得到任意的形狀，甚至當(dāng)ε=0時(shí)，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

按照盧勞三角形原理設(shè)計(jì)的刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正方形斷面的掘進(jìn)。為了滿(mǎn)足切削機(jī)構(gòu)中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向與偏心裝置轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速是偏心裝置轉(zhuǎn)速的1/3倍，可將切削機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)為復(fù)合輪系傳動(dòng)或偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)兩種形式。

（1）復(fù)合輪系傳動(dòng)

圖3 復(fù)合輪系傳動(dòng)

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數(shù)比相等，行星齒輪z7自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是z3、z4轉(zhuǎn)速的1/3倍，兩者轉(zhuǎn)速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤(pán)軸穿過(guò)兩圓孔，并可相互自由轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤(pán)軸固定在z7中心。該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，切削機(jī)構(gòu)可承受較大偏心矩，可勝任地質(zhì)條件相對(duì)較為惡劣的掘進(jìn)工況。上世紀(jì)80年代日本開(kāi)發(fā)的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)有很多采用了該傳動(dòng)形式，并在實(shí)際施工中得到了應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

如圖4所示，偏心軸輸入端與內(nèi)齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤(pán)由三根長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤(pán)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其繞內(nèi)齒圈軸線公轉(zhuǎn)速度的1/3倍，且兩者轉(zhuǎn)向相反，L與ε滿(mǎn)足盧勞三角形原理，切削機(jī)構(gòu)的切削斷面為正方形。動(dòng)力通過(guò)偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤(pán)，完成斷面掘進(jìn)工作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在地質(zhì)條件較好的底層中可以得到很好的應(yīng)用。近幾年來(lái)，我國(guó)矩形頂管機(jī)得到了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些公司已開(kāi)始采用該傳動(dòng)形式進(jìn)行矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)，并已有相應(yīng)產(chǎn)品完成了加工制造[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)中，相比采用小刀盤(pán)式、組合刀盤(pán)式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復(fù)合輪系傳動(dòng)，切削與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標(biāo)準(zhǔn)的正方形，與要掘進(jìn)斷面大小重合，整機(jī)掘進(jìn)能力較強(qiáng)；采用偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的頂管機(jī)，切削及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，切削斷面與要掘進(jìn)斷面大小重合，同等地質(zhì)條件下掘進(jìn)能力較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機(jī)的研究和設(shè)計(jì)[J].市政技術(shù)，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠(chéng).大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應(yīng)用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾構(gòu)與頂管機(jī)施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構(gòu)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用對(duì)于工程施工有著重要的意義。文章針對(duì)與切削截面形狀起決定作用的刀盤(pán)切削形式為切入點(diǎn)，在介紹現(xiàn)有盾構(gòu)和頂管機(jī)切削形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應(yīng)用，進(jìn)行了該原理在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)上的應(yīng)用與研究。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網(wǎng)工程中，盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用。隧道斷面由盾構(gòu)機(jī)與頂管機(jī)自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應(yīng)用最為經(jīng)濟(jì)。因此，矩形盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)的研究與應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義[1]。

1 矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)常用切削形式[1]

刀盤(pán)切削形式的設(shè)計(jì)是矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。圓形斷面的盾構(gòu)與頂管機(jī)，刀盤(pán)的切屑形式基本上是一中心旋轉(zhuǎn)大刀盤(pán)。相比來(lái)說(shuō)，矩形斷面的切削則遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤(pán)式：切削面積大概可達(dá)到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

（2）組合刀盤(pán)式：傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)惡劣的工作環(huán)境將對(duì)其可靠性產(chǎn)生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優(yōu)勢(shì)明顯，為優(yōu)選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內(nèi)齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內(nèi)齒圈1轉(zhuǎn)動(dòng)，二者中心距記為？著0。點(diǎn)A為行星齒輪2上一任意點(diǎn)，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內(nèi)齒圈1圓心o做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若行星輪2以一定的轉(zhuǎn)速v公繞圓心o公轉(zhuǎn)，同時(shí)以1/3倍于公轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)速 v自繞圓心o'做反方向自轉(zhuǎn)（即：v自=-1/3v公），則點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為以圓心o為中心，邊長(zhǎng)為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構(gòu)與頂管機(jī)的應(yīng)用研究

2.2.1 在切削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)如圖2所示。切削機(jī)構(gòu)分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設(shè)計(jì)為3根輻條的中心回轉(zhuǎn)支承形式（回轉(zhuǎn)中心 ），每根輻條長(zhǎng)度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構(gòu)和頂管機(jī)主體中心點(diǎn)o有一偏心量ε的位置。盾構(gòu)和頂管機(jī)主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，且速度為切削器旋轉(zhuǎn)速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形，并與頂管機(jī)端面輪廓（邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長(zhǎng)L滿(mǎn)足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長(zhǎng)，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長(zhǎng)L一定時(shí)，通過(guò)改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應(yīng)變化，進(jìn)而得到任意的形狀，甚至當(dāng)ε=0時(shí)，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

按照盧勞三角形原理設(shè)計(jì)的刀盤(pán)切削機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正方形斷面的掘進(jìn)。為了滿(mǎn)足切削機(jī)構(gòu)中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉(zhuǎn)方向與偏心裝置轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速是偏心裝置轉(zhuǎn)速的1/3倍，可將切削機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)為復(fù)合輪系傳動(dòng)或偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)兩種形式。

（1）復(fù)合輪系傳動(dòng)

圖3 復(fù)合輪系傳動(dòng)

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數(shù)比相等，行星齒輪z7自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是z3、z4轉(zhuǎn)速的1/3倍，兩者轉(zhuǎn)速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤(pán)軸穿過(guò)兩圓孔，并可相互自由轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤(pán)軸固定在z7中心。該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，切削機(jī)構(gòu)可承受較大偏心矩，可勝任地質(zhì)條件相對(duì)較為惡劣的掘進(jìn)工況。上世紀(jì)80年代日本開(kāi)發(fā)的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)有很多采用了該傳動(dòng)形式，并在實(shí)際施工中得到了應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)

如圖4所示，偏心軸輸入端與內(nèi)齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤(pán)由三根長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤(pán)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其繞內(nèi)齒圈軸線公轉(zhuǎn)速度的1/3倍，且兩者轉(zhuǎn)向相反，L與ε滿(mǎn)足盧勞三角形原理，切削機(jī)構(gòu)的切削斷面為正方形。動(dòng)力通過(guò)偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤(pán)，完成斷面掘進(jìn)工作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在地質(zhì)條件較好的底層中可以得到很好的應(yīng)用。近幾年來(lái)，我國(guó)矩形頂管機(jī)得到了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些公司已開(kāi)始采用該傳動(dòng)形式進(jìn)行矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)，并已有相應(yīng)產(chǎn)品完成了加工制造[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)與頂管機(jī)設(shè)計(jì)中，相比采用小刀盤(pán)式、組合刀盤(pán)式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復(fù)合輪系傳動(dòng)，切削與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標(biāo)準(zhǔn)的正方形，與要掘進(jìn)斷面大小重合，整機(jī)掘進(jìn)能力較強(qiáng)；采用偏心曲軸行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的頂管機(jī)，切削及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，切削斷面與要掘進(jìn)斷面大小重合，同等地質(zhì)條件下掘進(jìn)能力較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機(jī)的研究和設(shè)計(jì)[J].市政技術(shù)，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠(chéng).大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應(yīng)用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint