TBM申请书20121031v-6

题目: TBM支撑-推进-换步机构设计理论与方法

摘要：

支撑-推进-换步机构是TBM实现连续高效作业的关键组成部分，针对硬岩掘进工况中存在的强冲击载荷、大功率驱动等原因对支撑-推进-换步机构提出的高刚度需求，研究面向复杂地质条件的新型支撑-推进-换步机构的动力学设计方法，结合虚拟样机技术研制TBM推进系统的缩比模型样机，最终形成整个系统的数字化设计流程，为真实推进系统的详细设计提供理论依据，同时为我国TBM的自主创新提供重要的理论和技术基础。

（一）立项依据与研究内容 1.项目的立项依据 1.1研究意义

全断面岩石掘进机（Tunnel Boring Machine for short TBM）是专用于隧道工程施工的技术密集型工程装备。进入21世纪，我国加大了基础设施的建设规模，包括铁路、公路、水利电力、城市交通等工程都需要建设大量的长大隧道。由于TBM在岩石隧道工程施工中较传统方法具有快速、优质、安全和经济等优越性能，使其在国民经济建设中扮演着关键的作用[1]。

TBM推进系统主要由鞍架、推进液压缸、撑靴液压缸、扭矩液压缸和撑靴组成，如图1所示，其功能一是推进液压缸给刀盘提供掘进时所需的推力，二是由撑靴液压缸将撑靴撑紧在岩壁上承受掘进时的反力和反力矩[1,2]。因此，TBM推进系统是实现连续高效作业的重要组成部分，设计高能量利用率和高工作效率的推进系统及其参数优化，是提高TBM掘进速度、降低能耗的关键。由于TBM在掘进中存在强冲击载荷、大功率驱动等原因，现有支撑机构存在侧滚现象，振动问题十分突出，铰链、导轨滑动副等连接构件经常损坏，严重影响了TBM的正常工作。TBM推进系统的机械传动部分（支撑-推进-换步机构）实质上是一类空间并联机构，研究机构的刚度特性以及机构刚度的变化对机构性能的影响，对空间并联机构的结构设计、参数选择和刚度控制，以及机构的评价都有重要意义。

因此掌握TBM支撑-推进-换步机构这类空间并联机构的设计理论与方法，对提高我国TBM产品的设计水平及自主创新能力具有重要的理论意义与工程应用

价值。

（a）推进系统俯视图 （b）推进系统侧视图

图1 TBM推进系统结构

1.2国内外研究现状及发展动态分析

TBM掘进装备在发达国家已有100余年的发展历史。最早在1818年由英国布鲁诺（Brunel）受蛀虫钻孔启示，提出盾构雏形与施工方法[3,4]。1952年，美国罗宾斯（Robbins）公司成功研制出第一台具有实用性的软岩TBM，1956年又成功研制出中硬岩TBM[5]。到了70、80年代，国外掘进机已基本成熟并部分实现了系列化。

随着交通设施的发展，对TBM提出更高的要求，因而近20年来各国分别针对不同工况场合，研制出适用不同地质条件下的TBM装备，根据构造特征以原生产公司命名的典型机型有罗宾斯(Robbins)、佳伐(Jarva)、德马克(Demag)和维尔特(Wirth)等四种机型,其它公司的产品都可归属于以上四种机型之内[6]。

罗宾斯机型结构比其它机型简单、灵活，对岩石抗压强度<100MPa的匀质中、软岩可实现快速掘进。罗宾斯机型采用单对水平支撑，其优点是：结构简单，操作方便，掘进速度快，转向灵活性好，并可在掘进中调向；缺点是：定向性和稳定性差，支撑力不足，抗扭矩小，易侧滚。

佳伐机型针对罗宾斯机型存在的问题作了改进,采用了双对X形支撑，这种支撑增强了整机定向性和稳定性,避免了侧滑现象；刀盘回转机构后置,留出了机头后的空间,使前X形支撑靠近刀头,整机重心位于前后X形支撑之间,避免了机头下沉。其缺点是：结构复杂，遇故障维护较困难，换步行程时间略长，转弯半径较大，欠灵活，掘进中不能调向，只能换步时调向。佳伐机型适用于掘进硬岩。

德马克机型采用前、后水平支撑,使整机重心居两支撑之间,结构比佳伐机型的X形支撑简单。其后支撑类似罗宾斯机型的浮动装置,前支撑是铰接式,转向时以此为支点使机身旋转,结构比罗宾斯机型可靠。其缺点是：传动机构布置困难，整机长度较罗宾斯机型有所增加。

维尔特机型的整体结构基本上与佳伐机型相似,刀盘回转机构中置方案与德马克机型相似。维尔特公司的刀盘采用液压马达驱动,掘进时减少冲击载荷,工作平稳,能适应因岩石强度不同而可改变刀盘转速,调整扭矩,使掘进机顺利通过复杂地层，但存在全液压传动效率低、洞内发热量大和维护技术要求较高等问题

[7-10]

。

我国上世纪60年代初开始TBM研发工作，经历了封闭式研制、消化吸收、

引进合资等方式。目前关于整机核心关键技术及关键部件可靠性设计等方面仍与发达国家产品存在较大差距。至目前为止，国内使用的隧道掘进机，特别是大中型隧道建设所使用的隧道掘进机，主要还是依赖进口。引进国外成品代价高，而且维修极不方便。随着我国现代化进程的加快，可以预见，在未来百年内，隧道掘进机在我国的需求将保持良好的态势。所以着手研究属于我们自主知识产权的隧道掘进机有重大意义 [11]。

TBM的掘进作业，是掘进行程和换步行程交替进行的循环作业过程。具体掘进过程如图2所示：水平支撑油缸伸出，支撑靴撑紧洞壁；后支撑收起；推进液压缸伸出，推动主梁、刀盘、后支撑直线向前前进一个行程；伸出后支撑，撑紧地面；收缩水平支撑油缸，支撑靴收回离开洞壁；收缩推进液压缸，将支撑靴向前移动一个行程，复位。此时，TBM准备进行下一次掘进行程。

图 2 TBM工作原理示意图 (e) (d) (a) (b) (c)

TBM推进-支撑-换步机构是一类空间并联机构。并联机构是由动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构最早的文献出现在 19 世纪末，当时 Cauchy 提出了一种关节连接的八面体机构[12]。从 20 世纪 70 年代到 80 年代中期，是并联机构的深入研究时期。进入 20 世纪 80 年代后，为克服串联机器人刚度差、承载能力低的缺点，并联机构逐渐引起关注[13,14]。

与传统的串联机构进行对比，并联机构并不算灵活。但是，研究发现很多串联机构的不足之处恰恰成为并联机构的优势所在[15,16]：第一，刚度较大，结构稳定；第二，并联机构较串联机构在相同的自重或体积下有更高的承载能力；第三，并联机构不会出现串联机构支链累积误差，具有较小的末端误差；第四，并联机构的运动性能较好，有较大的运动速度和加速度。

纵观并联机构的发展，随着制造及装配工艺的提高，高精度传感器、铰链的出现，并联机构的特点将会体现的越来越明显，并联机构将会在高精度、高速以及重载方面有广阔的应用前景。

并联机构：

构型、尺度综合、动力学 2-3页 参考文献20篇

参考文献

[1] 张照煌, 全断面岩石掘进机及其刀具破岩理论, 北京: 中国铁道出版社, 2003 [2] 张照煌, 李福田著, 全断面隧道掘进机施工技术, 北京: 中国水利水电出版社, 2006 [3] 郑久强, 盾构刀盘液压驱动系统研究, 浙江大学，2006

[4] 孙继亮, 盾构液压推进系统的控制仿真研究, 安徽理工大学，2006

[5] 水利部科技推广中心变编著, 全断面岩石掘进机, 北京: 石油工业出版社, 2005 [6] 茅承觉, 叶定海, 支撑式全断面岩石掘进机—全断面岩石掘进机讲座之三, 1998 [7] 张铸, TBM工作原理及设备选型, 科技情报开发与经济, 2007 [8] 杨扬, 模拟盾构推进系统的设计和研究, 浙江大学, 2006 [9] 周赛群, 全断面硬岩掘进机驱动系统的研究, 浙江大学, 2008

[10] BREAKTHROUGH Project &Product News from Atlas Copco Robbins 1994-1997

[11] Yoshihito Minami, Kyoichi Morioka.DeveloPment of Tunnel Boring Machine for High

–Speed Excavation.Komat’su Technical Report, 2000

[12] 段广洪, 李铁民, 并联机器的起源和发展, 并联机器的世界制造技术与装备市场, 2006 [13] 小林, “六条腿”机床技术在英国机床公司的新进展, 世界制造技术与装备市场, 1997,

(2):69-70.

[14] Michael Stock, Karol Miller, Optimal Kinematic Design of Spatial Parallel

Manipulators: Application to Linear Delta Robot, Transactions of the ASME, 2003, 125: 292-300.

[15] 汪劲松, 黄田, 并联机床—机床行业面临的机遇与挑战, 中国机械工程, 1999,

10(10):1103 – 1107

[16] 张曙, U.Hersel, 并联运动机床, 机械工业出版社, 2003

2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题 2.1研究内容

(1)支撑-推进-换步系统运动学分析

研究支撑-推进-换步系统的拓扑结构与优化，提出基于构件受力特性的构型优选准则，建立空间多自由度支撑-推进-换步机构的运动学模型，揭示尺度参数对机构的力与运动传递特性的影响规律。

(2)支撑-推进-换步系统静力学分析

分析掘进工况下基于负载特性的掘进主机静力平衡条件，建立支撑-推进-换步机构的静力学模型，研究推进系统静刚度及推进系统承载特性，建立机构静力学评价指标，撑靴支撑力与推进力的匹配规律。

(3)支撑-推进-换步系统动力学行分析

建立考虑复杂地质条件的推进系统动力学模型，对其进行动刚度分析与设计，研究机构铰链碰撞动力学及可靠性设计和冗余驱动均载及减振方法。

(4) 支撑-推进-换步系统数字化设计

研究支撑-推进-换步系统的参数化建模与数字化设计，进行机电液多场藕合动态特性仿真。

2.2研究目标

建立TBM推进机构构型优选准则、性能评价指标，研究XXXXX设计方法，形成整个机构的数字化设计流程，并用于指导其样机开发，为真实推进机构的详细设计提供理论和技术依据。

2.3拟解决的关键科学问题

(1)在机构创新方面，基于构件受力特性提出TBM支撑-推进-换步机构构型优选准则，重点突破拓扑结构、静刚度以及承载特性评价指标的构造方法，揭示它们在数学层面上的区别与联系。

(2)在支撑-推进-换步机构动力学方面，研究推进系统动力学模型建模理论，实现推进系统的高刚度设计，解决现有推进系统振动现象突出的问题。

(3)在支撑-推进-换步机构数字化设计与流程方面，重点突破面向

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