摘 要：TBM施工是我國(guó)現(xiàn)階段特長(zhǎng)隧洞施工的主要技術(shù)，施工中一般采用連續(xù)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)將渣土運(yùn)出隧道。如何快速方便地卷收皮帶，是TBM施工實(shí)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(biāo)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(duì)工程實(shí)際施工中遇到的問題進(jìn)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(yùn)輸帶;電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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(jìn)機(jī)（TBM）施工，TBM的掘進(jìn)方向?yàn)橹本€（無拐點(diǎn)），平坡掘進(jìn)，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(shí)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(dòng)齒輪泵馬達(dá)動(dòng)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(jìn)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(shí)際使用情況，剖析問題的實(shí)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(jì)提供有益的參考。

2 TBM皮帶回收裝置技術(shù)要點(diǎn)

2.1? ? 驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)連接傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)皮帶滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，通過運(yùn)輸帶與滾筒的耐磨層產(chǎn)生摩擦力從而帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。TBM完成掘進(jìn)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(hào)不相同的托輥支撐，當(dāng)皮帶通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，皮帶運(yùn)動(dòng)受力由靜止摩擦力變成滾動(dòng)摩擦力，大大減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)卷收皮帶卷松弛的情況，可通過調(diào)整主驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速控制頻率，限制其最高轉(zhuǎn)速，使主驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)因?yàn)槎喾N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(dāng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同皮帶的寬度需求。

皮帶回收裝置運(yùn)作主要有7個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)→啟動(dòng)回轉(zhuǎn)回收液壓馬達(dá)→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(yùn)→更換齒輪傳動(dòng)軸，往復(fù)循壞，從而實(shí)現(xiàn)皮帶回收。

2.3? ? TBM皮帶回收裝置機(jī)電、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TBM皮帶回收裝置的電氣液壓控制系統(tǒng)主要由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、控制部分、執(zhí)行部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、液壓部分等組成。在具體操作過程中，由動(dòng)力部分提供動(dòng)力，由各電氣元件對(duì)各電氣液壓控制部分提供工作信號(hào)，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(dòng)作。

2.3.1? ? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

在皮帶回收過程中，電機(jī)與傳動(dòng)軸連接傳動(dòng)，在傳動(dòng)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(dòng)的摩擦力，從而提供張緊力達(dá)到回收的效果，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況下，一直處于一種較緩勻速狀態(tài)且傳動(dòng)單一、性能穩(wěn)定。電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括電機(jī)輸出功率、輸入功率、軸頭電功率、軸頭機(jī)械功率及運(yùn)行力矩等部分。

電機(jī)的輸出功率計(jì)算：

Pout=T×ω

ω=（2π/60）×n

根據(jù)電動(dòng)勢(shì)能學(xué)，將上述兩式代入下式中計(jì)算，可得出電機(jī)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(jì)算電機(jī)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(dòng)能變量。

由計(jì)算可知，電機(jī)的效率為輸出功率與輸入功率比值：

η=Pout/Pin

電機(jī)額定點(diǎn)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(jī)械功率。軸頭電功率的計(jì)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(jī)械功率的計(jì)算公式：

Pout=（Tn×nn）/9 550

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

電機(jī)力矩包含動(dòng)態(tài)力矩分量和負(fù)載力矩分量：

T=Tdyn+Tload

式中：T為電機(jī)力矩;Tdyn為電機(jī)動(dòng)態(tài)力矩分量;Tload為電機(jī)負(fù)載力矩分量。

動(dòng)態(tài)力矩分量的設(shè)計(jì)計(jì)算公式：

Tdyn=J×（dω/dt）

根據(jù)電動(dòng)勢(shì)能守恒定律，由下式可計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行過程中總的力矩：

根據(jù)皮帶回收的電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、力矩的計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回收皮帶時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際張緊力及克服皮帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下由靜止摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的阻力。

2.3.2? ? 卷帶驅(qū)動(dòng)齒輪泵設(shè)計(jì)計(jì)算

TBM皮帶回收裝置在液壓齒輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，需要對(duì)齒輪泵各種變量進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)齒輪泵相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)大于實(shí)際需要參數(shù)時(shí)，即可滿足回轉(zhuǎn)回收齒輪油泵參數(shù)的設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

齒輪泵流量計(jì)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(shí)際流量（L/min）。

齒輪泵輸入功率（kW）計(jì)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(jì)算公式：

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

齒輪泵容積效率（%）計(jì)算公式：

式中：q為實(shí)際流量（L/min）;qo為理論流量（L/min）。

齒輪泵機(jī)械效率（%）計(jì)算公式：

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

齒輪泵總效率（%）計(jì)算公式：

η=ηV×ηm

式中：ηV為齒輪泵容積效率（%）;ηm為齒輪泵機(jī)械效率（%）。

齒輪馬達(dá)扭矩（Nm）計(jì)算公式：

T=Tt×ηm

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

馬達(dá)的轉(zhuǎn)速（r/min）計(jì)算公式：

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

齒輪馬達(dá)的輸出功率（kW）計(jì)算公式：

式中：n為馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速（r/min）;T為馬達(dá)的實(shí)際輸出扭矩（Nm）。

液壓缸面積（cm2）、液壓缸伸縮速度（m/min）計(jì)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(jì)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(shí)間（min）。

液壓缸的流速（m/s）計(jì)算公式：

液壓缸的推力（N）計(jì)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(jìn)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(jī)械效率（%）。

油管管徑（mm）計(jì)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(jì)算公式：

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

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

2.5～14 MPa時(shí)，取v=3～4 m/s;當(dāng)P>14 MPa時(shí)，取v≤5 m/s。對(duì)于移動(dòng)部件，當(dāng)P>21 MPa時(shí)，取v≤5～6 m/s。

通過對(duì)齒輪泵的設(shè)計(jì)計(jì)算可知齒輪泵各參數(shù)實(shí)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(hào)尺寸來判斷回轉(zhuǎn)回收皮帶實(shí)際需要的功率大小。

3 TBM回收裝置回收時(shí)的故障處理

TBM皮帶回收裝置正常運(yùn)行一段時(shí)間后，各種部位的部件都會(huì)不定時(shí)出現(xiàn)機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)失效

當(dāng)皮帶回收裝置啟動(dòng)時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)或齒輪馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩達(dá)到極限，齒輪馬達(dá)承載負(fù)荷已經(jīng)超過油泵本身提供的動(dòng)力，這時(shí)必須停掉驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪油泵，沿皮帶回程路線查找原因，看皮帶是否在運(yùn)轉(zhuǎn)途中被卡或者存在其他原因?qū)е码姍C(jī)及油泵負(fù)載過大。

3.2? ? 齒輪油泵外嚙合齒失效

當(dāng)回收裝置運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，齒輪油泵與齒輪軸嚙合齒由于齒輪嚙合處機(jī)械性運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪磨損過大而產(chǎn)生間隙，在油泵啟動(dòng)時(shí)兩傳動(dòng)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(jìn)行更換。

3.3? ? 主驅(qū)動(dòng)皮帶傳動(dòng)滾筒輪防滑層失效

主驅(qū)動(dòng)滾筒工作表面附有防滑層，在皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)回收時(shí)，主驅(qū)動(dòng)滾筒在皮帶的張力作用下，防滑層會(huì)與皮帶緊密接觸，產(chǎn)生足以驅(qū)動(dòng)皮帶的摩擦力。由于回收速度一直是勻速狀態(tài)，在長(zhǎng)時(shí)間電機(jī)連續(xù)啟動(dòng)狀態(tài)下，滾筒表面防滑層及防滑瓷片會(huì)相繼脫落，使得啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(shí)，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(biāo)段的隧道距離較長(zhǎng)，對(duì)于11.8 km的皮帶回收是整個(gè)隧洞施工項(xiàng)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(duì)TBM皮帶回收裝置的結(jié)構(gòu)以及在皮帶回收的實(shí)際過程中所遇到的問題進(jìn)行了分析，并提出一些建議，希望可以為今后TBM長(zhǎng)距離皮帶回收的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 閆曉燕.變頻電機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技博覽，2013（34）：356.

[2] 孫啟峰，王華星.液壓注油泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].小氮肥，2001（3）：22-23.

[3] 美國(guó)羅賓斯公司.Operation munual[Z].

收稿日期：2021-01-25

作者簡(jiǎn)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(dòng)化。