TBM推进机构.docx

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TBM推进机构

西南交通大学

本科毕业设计（论文）

TBM推进机构及主梁设计

ThedesignofTBMadvancemechanism

andthemainbeam

年级：

2008级

学号：

20080854

姓名：

柯威

专业：

机械设计制造及其自动化

指导老师：

管会生

2012年6月

院系机械工程学院专业机械设计制造及其自动化

年级2008级姓名柯威

题目TBM推进机构及主梁设计

指导教师

评语

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任（签章）

年月日

毕业设计（论文）任务书

班级2008级机械二班学生姓名柯威学号20080854

发题日期：

2012年3月1日完成日期：

2012年6月26日

题目TBM推进机构及主梁设计

1、本论文的目的、意义通过本次毕业设计，使学生了解到设计的方法和设计的过程。

掌握设计中应注意的细节，学会运用大量的资料完善自己的设计。

盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具，随着国内地铁工程建设的发展，工程施工单位纷纷引进了许多国外先进的盾构设备，虽然引进国外先进技术使国内有机会接触、了解和研究国外盾构技术。

然而它价格很高，加大了工程的成本，因此急需开发和制造国产的盾构机。

由于盾构掘进机技术十分复杂，集机、电、液专业技术于一体，需要投入大量的研究工作，盾构机后配套选型及液压系统设计可以说是盾构设计的重要部分，也是盾构设计技术的关键，为此有必要开展本论题的研究。

2、学生应完成的任务

（1）概述TBM的基本组成，着重叙述推进机构和主梁结构；

（2）研究换步推进系统和连续推进系统，并对比优缺点；

（3）研究换步推进系统与围岩的相互作用，并计算推进参数；

（4）研究换步推进系统结构，并进行三维建模；

（5）主梁的结构设计，并进行三维设计；

（6）结论

（7）参考文献

（8）附件（实习报告，翻译）

（9）应交出之图纸及文件：

设计图纸，折合2张0号图纸（计算机绘图）

设计计算说明书15000字

3、论文各部分内容及时间分配：

（共16周）

第一部分查阅文献资料、阅读和理解资料，研究参考图中各部件的构成及原理（3周）

第二部分绘总体设计图及相关计算（4周）

第三部分绘部件设计图及计算（3周）

第四部分绘零件设计图（3周）

第五部分编写设计计算说明书（2周）

评阅及答辩论文图纸检查修改及答辩（1周）

备注

指导教师：

2012年3月1日

审批人：

2012年3月1日

摘要

TBM隧道掘进机是随着城市密集化、交通、上下水道、电气控制与通讯设施的发展而发展起来的先进隧道施工设备，是一种集机械、电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体的隧道工程专用的大型高科技综合施工设备。

在隧道及城市地下工程施工中，TBM施工以其安全、高效、经济、环保、能适应复杂地质条件而占据重要的地位。

随着城市建设的发展，该技术己成为国内外工程界的研究热点。

研究TBM隧道掘进机技术对推动我国装备制造水平，增强自主创新能力有重要意义。

本文以从德国WIRTH公司引进的用于秦岭隧道工程的TB880E全断面掘进机为例，对TB880E全断面掘进机的工作原理和总体结构进行了简单的概述和说明，重点对推进机构和主梁进行了研究和阐述.根据实际需要和相关技术资料的计算方法，研究换步推进系统与围岩的相互作用，并计算了推进参数；并且对以TB880E为原型的换步推进系统和连续推进系统做了全面的梳理，并对其各自的特点进行比较，分析两种推进系统的优缺点。

根据掘进机掘进推力的需求，对掘进机推进油缸和撑靴支撑油缸进行了全面的分析和验算，另根据设计零件图纸和考虑TBM实际需要，设计了TBM推进机构和主梁的结构以及三维模型。

本文的所有设计工作均切实执行了相关标准。

通过本文的计算、校核可以确保所设计的所有部件均符合要求，对于国内TBM推进机构和主梁的设计有一定的参考意义。

关键词：

全断面岩石掘进机推进机构主梁换步推进连续推进

Abstract

TBM（TunnelBoringMachine）isanadvancedconstructtechnologywiththedevelopmentofcitydensification,traffic,aqueduct,electriccontrolandcommunicationequipment,whichconcernsofmechanics，electricity,hydraulic,measuring,control,materialetc,isakindofengineeringmachineusedforundergroundexcavation.Theshieldconstruction,foritssafety,efficiency,economy,environmentalprotectionandwideapplicabilityoccupiesanimportantpositionintunnelsandurbanundergroundconstruction.StudyingTBMtechnologyhasfar-reachingmeaningtopromoteequipmentmanufacturinglevel,toenhanceourindependenceinnovationcapacity.

Inthispaper,asimplesummarizationanddescriptionwasgivenonTBM（TunnelBoringMachine）’soverallstructureandworkingprinciple,theTBMimportedfromGermancompanyWIRTHwasusedinQINLINGtunnelisusedasanexample.Thepropulsioninstitutionandthemainbeam,hasbeenstudiedandelaborated.Studyingtheinteractionbetweenthepropulsionsystemandsurroundingaccordingtoactualneedsandtechnicalmanualrelated.Atthesametime,thekeyparametersofthesystemwerecalculated.AndonthebasisofTB880E,thecomprehensiveanalysisofthechange-steppropulsionsystemandcontinuouspropulsionsystemisgiven,alsomakingacomparisonoftheirrespectivecharacteristicsandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofthetwopropulsionsystems.Accordingtheneedofthetunnelingthrust,thecomprehensiveanalysisandcheckingofthethrustcylinderandsupportingcylinderwereaccomplished.ConsideringthepracticalneedsofTBMandreferringtothedesigningpartdrawings,designedtheTBM’Sadvancemechanismandthemainbeamstructureandthree-dimensionalmodel.

Alldesignworkofthisarticlewasreferredtorelatednationalstandards.Inthisarticlethecalculation,verificationcanensurethatallcomponentsweredesignedtomeettherequirements.IthasreferencevalueforTBMback-upsystemandhydraulicsystemdesign.

Keywords:

TBMpromotingorganizationmainbeamchange-steppropulsioncontinuouspropulsion

目录

第1章绪论1

1.1选题的背景和意义1

1.2国内外的研究现状2

1.2.1国外岩石掘进机的发展2

1.2.2国内岩石掘进机的发展3

1.3论文研究的内容和工作4

第2章TBM全断面掘进机的组成机构5

2.1TBM的主机基本组成5

2.1.1刀盘6

2.1.2刀盘驱动6

2.1.3内凯机架6

2.1.4外凯机架与支撑靴7

2.1.5推进油缸8

2.2TBM的后配套基本组成8

2.2.1导向系统9

2.2.2锚杆支护系统9

2.2.3连接桥10

2.3本章小结10

第3章TBM的工作原理及推进系统11

3.1TBM工作原理及流程11

3.2TBM的推进系统12

3.2.1TBM换步推进系统12

3.2.2TBM连续推进系统15

3.2.3两种推进系统的优缺点16

3.3本章小结17

第4章换步推进系统与围岩相互作用的参数计算18

4.1掘进机掘进推力的计算19

4.1.1根据刀具载荷计算总推进力19

4.1.2根据经验算法计算刀盘总推进力20

4.2支撑靴与围岩的相互作用21

4.3液压缸的受力分析与参数计算24

4.3.1推进液压缸受力分析与参数计算24

4.3.2支撑液压缸受力分析与参数计算25

4.4本章小结26

第5章换步推进系统结构设计28

5.1内凯结构设计28

5.1.1内凯前段结构28

5.1.2内凯后段机构29

5.2前后外凯及其支撑结构30

5.2.1外凯凯架结构30

5.2.2支撑结构31

5.3推进液压油缸结构32

5.4本章小结33

结论34

致谢35

参考文献36

附录：

37

工程机械毕业实习报告37

第1章绪论

1.1选题的背景和意义

我国是一个地广物博的国家，山山水水到处可见；随着21世纪我国基础设施的大规模建设，西部大开发战略的实施，我国的公路、铁路、南水北调以及西气东输等工程的建设，为了能够使得这些公路、铁路以及车辆运行间距的缩短、减少在运输过程中因为各种绕行增加的运输成本，必然需要建设很多比较长的隧道；现代化城市建设中的地铁工程、越江隧道、市政工程（输水管、排污管等）也在不断增加，增建更多的隧道在我国已经成为一种必需完成的工程。

在我国隧道施工的历史上，多采用以人力为主的钻爆法进行开挖；20世纪80年代以来，曾采用无轨设备进行装碴、运输，这些施工方法已不能适应现代城市建设需要尤其是特长隧道的快速建成。

因此，岩石掘进机的开发应用就提到日程上来。

隧道施工有传统的常规钻爆法和现代的岩石掘进机施工法，但是对于这些长隧道来说，用常规的钻爆法进行隧道施工将需要相当长的工期，不利于现代社会效益的要求，而岩石掘进机施工法则适合长隧道施工的需要。

全断面岩石掘进机（FullFaceRockTunnelBoringMachine，简称TBM）是集机、电、液、光于一体的专门用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工装备。

它的发展至今已有40多年的发展历史。

全断面掘进机的最大特点是它的快速和高效，其掘进速度一般为常规钻爆法的3-10倍，最佳日进尺可达150m。

除速度快效率高的优点以外，还有安全、优质、经济、环保和节省劳动力等一系列的优点。

由于TBM提高了掘进效率，大大缩短了施工工期，因此其经济效率非常的明显。

当然TBM也有着自己的缺点，其缺点主要是对掘进是不灵活，对地质条件的适应性不如钻爆法好；而且其整体重量大；前期投入费用比较巨大；对操作人员管理水平和技术水平要求高；对于短隧道则不能发挥其优越性。

随着科学技术的不断迅猛发展，现在TBM的适应能力有了显著的提高，可以适应较为复杂的地质条件，从松散软土到极坚硬的岩石都可以应用，性能的提高使得掘进机的使用日益广泛。

掘进机的有很强的针对性，不同的地质条件需要不同的掘进机。

从类型上来看，全断面掘进机包括全断面岩石掘进机和盾构机（用于土质隧道暗挖施工）。

其中全断面岩石掘进机是目前使用最为广泛的掘进机。

全断面岩石掘进机可分为敞开式、护盾式（单护盾、双护盾、三护盾）、扩孔式、摇臂式等几种类型。

其中敞开式全断面岩石掘进机主要用于围岩状况相对较好的地质地层的隧道（洞）的全断面开挖，也是应用较普遍的机型。

如我们国家的秦岭隧道工程和辽宁大伙房引水隧洞工程等使用的就是敞开式全断面岩石掘进机。

目前，敞开式全断面岩石掘进机的推进系统主要有换步推进和连续推进两种方式，而换步推进方式因换步不连续，亦即其掘进一个行程，因要换步，便中断掘进作业，至换步完成后才能继续掘进，如此循环作业，这便是敞开式全断面岩石掘进机的工作原理。

一般情况下，敞开式全断面岩石掘进机的换步时间约为其工作时间的5%-15%而机器的利用率一般也只有20%一50%，因此，若把机器的换步时间转化为其掘进时间，将会有效提高机器的利用率，从而缩短工程工期，提高工程的经济效益和社会效益，这就要想办法运用第二种掘进方式，即连续推进原理掘进。

以前由于受控制技术等相关技术的制约，关于敞开式全断面岩石掘进机连续掘进技术现在只停留在研究阶段，并没有运用在实际工程上。

为了使我们能够更好地认识了解全断面掘进机的推进系统，我们以TB880E为典型，对该型号的两种掘进方式以及优缺点进行分析。

1.2国内外的研究现状

全断面岩石掘进机生产于20世纪中叶，由于其在岩质地层施工中表现出来的优越性能，在国外受到了从事这种地层施工工程承包商的重视，因此发展相对较快，并且基本成定型的系列化产品。

但全断面岩石掘进机的专业性很强，应用条件的限制较多，加上设备的设计制造周期较长，生产成本相对昂贵。

目前国内外掘进机的技术发展一直在围绕地层稳定和地面沉降控制、自动化掘进和提高掘进速度、衬砌和隧道质量三个要素进行改进和施工方法的革命。

从掘进机技术的本身来说，在过去30年里，面临着拓宽掘进机的应用范围和改善掘进机对各种地质条件的适应性的课题。

全断面掘进机在国外的应用已经非常的成熟，无论是在TBM领域还是在盾构领域，在技术领先的前提下，依然不断的改进TBM或者盾构对复杂地质条件的适应性。

我国的掘进机研究起步较晚，与国外的掘进机相比较，无论是在技术性能还是在可靠性、适应性等方面有着非常大的差距，为了缩短与国外先进水平的差距，我们国家需要加快掘进机的研究、设计和生产[1]。

1.2.1国外岩石掘进机的发展

TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。

1851年，美国人查理士·威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。

1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1的勘探导坑[2]。

随着美国罗宾斯（Robbins）公司在1952年开发制造出第一台软岩TBM和1956年又开发出中、硬岩TBM。

标志着TBM进入了高速发展期。

西方国家的TBM发展历史已经经历了几十年，他们在长期的理论和实践的探索中，逐渐的形成了非常成熟和完善的TBM理论研究设计、实验模拟、数据积累和结构安装、分析、调试体系。

已经非常成熟的TBM技术为他们的隧道工程建设提供了非常强大的技术保障，促进社会的发展。

目前，在全世界范围内的TBM制造商有很多，但极具代表性的是德国海瑞克公司、德国维尔特公司、美国罗宾斯公司及其加拿大的拉瓦特公司等。

1.海瑞克

德国海瑞克股份公司由马丁·海瑞克博士于1977年创建，现设总部于德国南部Schwanau。

公司拥有员工1700多名，在全球范围开发。

制造以及销售隧道机械设备，德国海瑞克公司是目前世界上最大的盾构机制造商，也是世界上唯一一家集技术开发、设计生产、销售和服务于一体的各种隧道机械化开挖设备专业公司，在全球隧道掘进机领域居领先水平。

海瑞克参与了众多著名的项目建设，如哥达隧道、汉堡易北河隧道工程。

上海长江隧道工程、南水北调穿黄工程等。

海瑞克生产的掘进机产品占中国市场的90%左右。

2.维尔特

德国维尔特公司成立于1895年，是当时富有革新思想的钻机工程师AntonRaky创办，从1965年起开始生产全断面TBM，1967年制造出第一台掘进机。

1994年中国的秦岭隧道就是采用维尔特公司生产的TB880E型全断面掘进机。

维尔特公司生产的盾构机适用于硬岩。

混合岩与软土层等各种地质条件，其优势在于硬岩TBM的生产。

3.罗宾斯

美国罗宾斯公司是一家拥有50多年历史的公司，主要从事地下挖掘设备的设计、制造、销售和租恁等业务以及生产各种挖掘材料，并提供与传统的“钻孔爆破”方法完全不同的在坚硬的岩层上进行机械作业的方法。

罗宾斯公司的TBM产品包括单护盾TBM、双护盾TBM、土压平衡式TBM。

主梁式掘进机以及小型掘进机。

罗宾斯公司可以生产隧道挖掘直径从1.6m到15m的全断面TBM。

1.2.2国内岩石掘进机的发展

中国全断面岩石掘进机研究开发工作是从1964年开始的。

当时是由上海勘测设计院机械设计室、北京水电学院机电系分别进行方案设计。

1965年，掘进机的研制项目被列入国家重点科研项目，当时的水电部抽调技术力量，以上海勘测设计院机械设计室为主，集中在上海水工机械厂进行现场设计，1966年中国第一台直径为3.5m的全断面岩石掘进机问世，并且在云南下关的洒洱河水电站引水隧道进行工业性试验。

进入70年代，国家科委组建专门的办公室，针对掘进机研制过程中遇到的一些问题，集中技术力量攻关解决，先后研制出SJ55，SJ58等型号的掘进机。

在80年代期间，在前面技术积累的基础上，又研制出了SJ58A、SJ58B、SJ40/45等型号的掘进机。

至此，中国的掘进机才进入实用性阶段。

到了90年代，国内才开始从国外引进先进的掘进机和相关的管理方法和技术，但是国内外关于这方面的技术已经有了很大程度上的差距，主要表现在TBM设计制造周期长，掘进速度慢，不能在规定的时间完成工程项目；使用寿命短，不适合长隧道施工；对复杂地层适用能力差；缺乏过硬的技术支持和管理方法。

目前，国内对掘进机的研究工作还是处于学习和引进国外先进技术的阶段，经过了多年的努力学习和吸收先进的技术经验，国内一些生产掘进机的企业已经基本具有可以独立设计、制造TBM的能力，主要有大连重型机械集团、沈阳重型机械集团、第二重型机械集团、中国铁建重工集团等企业。

虽然掘进机技术有了很大程度的提高，但是到目前为止，中国的大型掘进机仍然大部分来自进口，有些设备说是国内生产，其实都是与国外公司合作制造的。

我们只是做些外壳等粗加工工作，并不掌握核心技术。

从长远看，我们不可能一直依靠国外的设备和人才来开发地下空间，必须建立自己的掘进机工业体系，这样不但可以满足工程上的迫切需要，而且可以大量节约外汇，并带动其他行业的发展。

国内隧道施工专家认为，中国已成为世界上地铁施工领域中使用掘进机最多的国家之一。

目前大陆地区共有24个城市正在进行城市轨道交通前期规划、设计、筹备和建设等工作。

据中铁隧道公司的数据表明，“十一五”期间，全国至少要建设地铁900-1200公里，加上调水工程、越江公路、城市管道以及铁路工程等，各类掘进机需求超过500台。

面对庞大的市场需求，如果我们不加强在掘进机技术领域的研究、开发、生产和应用，随着我国加入WTO，市场准入的逐步放开，我们将失去更大的市场份额，错过掘进机早日实现产业化的时机[3]。

1.3论文研究的内容和工作

本论文是以维尔特公司为中国秦岭隧道提供的T880E为原型，针对TBM的推进机构和主梁进行一下研究工作：

（1）概述TBM的基本组成，着重叙述推进机构和主梁的结构；

（2）研究换步推进系统和连续推进系统，并对比优缺点；

（3）研究换步推进系统与围岩的相互作用，并计算推进参数

（4）研究换步推进系统结构，并进行三维建模；

（5）主梁的结构设计，并进行三维设计。

第2章TBM全断面掘进机的组成机构

以德国维尔特公司专为秦岭隧道生产的TB880E敞开式硬岩掘进机为例。

该型号掘进机由主机、辅助设备、后配套、后配套辅助设备四大部分组成。

2.1TBM的主机基本组成

主机的组成部件主要有刀盘、刀盘护盾、主轴承和刀盘驱动组件，辅助液压驱动，主驱动密封和润滑，内部凯架、外部凯架与撑靴，推进油缸，后支配，液压系统，电气系统，操作台，变压器，行走装置部分[4]。

见图2.1所示。

1.盘形滚刀2.刀盘3.刀盘护盾4.圈梁安装器5.锚杆钻机6.推进液压缸7.超前钻机8.刀盘回转机构9.后下支撑10.“X”后支撑11.“X”前支撑12.刀具吊机13.铲斗14.切刀

图2.1TBM主机机构图[5]

在图2.1中，刀盘是刀具安装和工作的平台，刀盘安装在轴承连接体上，连接体通过主轴承与齿轮连接，由齿轮为刀盘传递动力。

主轴承的作用是将刀盘的轴向和径向的荷载传递给主驱动系统的装置。

刀盘驱动系统安装于两个机架之间，驱动装置由8台双速变频电机和行星齿轮箱组成，变速箱连接于传动轴。

8台电机分别驱动各自小齿轮，小齿轮通过离合器内接与大齿圈，大齿圈带动主轴承。

机头架和主大梁是TBM的主要构件，其它部件都安装在它们之上，其作用是将来自支撑靴的作用反力传递至主轴承、刀盘、刀具上。

由于在施工过程中对机头架和主大梁的更换非常困难，加工这两种构件时都采用了优质高强的钢材，可保证满足洞室的开挖强度[2]。

下面我们将着重描述内凯（主梁）机架，外凯以及支撑靴机构，推进油缸这三个部分。

2.1.1刀盘

针对不同的施工地质情况，刀盘的结构设计就会有所不同，但是其总体结构为封闭面板式箱型的结构，采用背装式的方法将刀具安装在刀盘上，为了保证刀盘在掘进时的抗磨损，刀盘和滚刀都必须具有良好的耐磨性能。

刀盘上的刀具主要包括中心刀、超挖刀、正滚刀等各种不同类型和大小的刀具；刀具的选择主要是依照地质条件的优劣来决定的。

刀具的更换是在刀盘内完成的，为了及时准确的更换刀具，在刀盘上安装有液压式刀具磨损自动检测系统，用来检测刀具的磨损量，从而可以有效的保证刀具在磨损到一定程度时能够及时的得到更换。

如图2.2