CC BY
23
12. Device for increasing the coupling coefficient of the driving wheel of the locomotive with the rail: Pat. 2022847 of the Russian Federation; publ.15.11.1994
13. Frolov K. V. Theory of mechanisms and machines. Moscow: Higher school, 1987. 496 PP.
14. Kuznetsov E. V. Experience of operation of the suspended monorail in the conditions of the mine of JSC "sibirginsky Section" // Bulletin of the Kuzbass state technical University, 2005. P. 24-26
15. Rack-and-pinion driven mill roll for periodic rolling of tubes: Pat. 2482933 S2 RF; publ. 27.05.2013. Bull. No. 15.
16. Kondrakhin V. P., Kosarev V. V., Stadnik N. I. Electric mechanisms of movement of cleaning combines. Donetsk: Technopark DonNTU UNITECH, 2010. 257 PP.
17. Gorbatov P. A. Mining machines for underground coal mining. Donetsk: Nord Computer, 2006. 669 PP.
18. Mining surface road with gear-drive: Pat. 2323842 of the Russian Federation. [Electronic resource.] URL: http://www.findpatent.ru/patent/ 232/2323842.html (accessed 06.06.2019).
19. Kokovtsov K. K. Mountain Railways of Switzerland special systems // Jagged roads. St. Petersburg, 1909. 269 PP.
УДК 622.285.4:624.191.6
ВЫБОР И РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ОРГАНА ТОННЕЛЬНОЙ ЩИТОВОЙ МАШИНЫ С АКТИВНЫМ ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ
А.В. Поляков, А.Б. Жабин, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян
Рассмотрен вопрос выбора и расчета рабочего органа тоннельной щитовой машины с активным пригрузом забоя. Определены условия выбора рабочего органа. Описаны возможные типы режущих головок и особенности выбора типа их опор и приводных механизмов. Дана зависимость для расчета крутящего момента на рабочем органе. Приведены рекомендации по выбору степени открытости режущей головки, типа разрушающего инструмента, расширительных устройств и уплотнений подшипниковых узлов привода рабочего органа в зависимости от грунтовых условий проходки.
Ключевые слова: рабочий орган, формы режущие головки и типы их опор, рекомендации по проектированию рабочего органа, степень открытости режущей головки, породоразрушающий инструмент, уплотнения подшипниковых узлов.
Рабочий (исполнительный) орган герметической щитовой машины выбирается в соответствии с грунтовыми условиями, расстоянием проходки, профилем тоннеля и условиями строительства. При выборе рабочего органа во внимание должны приниматься:
- тип щитовой машины;
- тип режущей головки (рабочего органа);
- тип опоры режущей головки;
- производительность резания;
- форма, размеры и степень открытости режущей головки;
- тип резцов;
- сила давления щитовой машины на забой.
Выбор типа режущей головки для герметических щитовых машин принципиально не отличается от машин, работающих без активного приг-руза забоя. Здесь мы не будем подробно останавливаться на этом вопросе. Отметим лишь некоторые особенности такого выбора для герметических машин. Информацию по выбору режущей головки машин без пригруза можно получить в работах [1-3] и др.
Широкое распространение в машинах с активным пригрузом забоя получили роторные органы [4, 5]. Однако применяются рабочие органы некрутлого сечения, такие как качающиеся и эксцентриковые многоосные. Конструктивно роторные режущие головки бывают лучевого (спицевидно-го), плоского и рамного типов, выбираемые в зависимости от условий строительства и грунтовых условий, а также метода разработки.
Режущие головки делятся по форме на три основных типа: плоский, полукуполъный и купольный (рис. 1).
Тип опоры для режущей головки выбирается так, чтобы она была совместима с диаметром щитовой машины и грунтовыми условиями, обеспечивая совместное функционирование с системой выдачи разработанного грунта.
а
б
в
Рис. 1. Типы форм режущих головок: а - плоская; б - полукупольная;
в - купольная
Типы опор режущей головки показаны на рис. 2. Рассмотрим особенности каждого типа опор режущей головки.
Тип опоры «с центральным валом» является простым и широко используемым для щитовых машин малого и среднего диаметра. Он эффективно предохраняет от адгезии глинистых грунтов части щитовой машины ввиду конструктивной простоты. Однако валуны и камни могут создавать
трудности в обращении с ними из-за ограниченности места внутри машины.
а
б
в
Рис. 2. Типы опор режущей головки: а - опора с центральным валом; б - промежуточный тип; в - периметровый тип; г - центральный тип
г
Промежуточный тип опоры оказывается конструктивно предпочтительным и широко используется в щитовых машинах большого диаметра. Однако он требует принятия специальных мер против налипания связных грунтов в центральной зоне машины.
Периметровый (внешний) тип опоры обеспечивает свободное пространство внутри щитовой машины, что позволяет в машинах малого диаметра производить удаление валунов и камней. Этот тип имеет два исполнения, а именно в виде кольца и в виде квадратных колонн (балок). При таком типе опоры необходимо ее дополнительно оснащать механизмом для предотвращения налипания связных грунтов на периферийную часть режущей головки.
Центральный тип опоры с опиранием в центре конуса, главным образом, используется в щитовых машинах малого и среднего диаметра. Так как центральная зона освобождена от элементов конструкции опоры, то значительно облегчаются выполнение технического обслуживания и замена резцов, также как и производство работ по укреплению грунта.
Основными параметрами рабочего органа являются вращающий (крутящий) момент и частота вращения.
Требуемый крутящий момент равен сумме всех моментов, возникающих от сил сопротивления во время вращения рабочего органа, и рассчитывается по формуле [1, 2]
МN = М1 + М2 + М3 + М4 + М5 + М6, (1)
где MN - требуемый крутящий момент; М^ - момент, необходимый для преодоления сопротивления грунта резанию; - момент для преодоления сопротивления грунта трению; М3 - момент для преодоления сопротивления грунта смешиванию и перемешиванию; М4 - момент для преодоления сопротивления главного подшипника; М5 - момент для преодоления сил трения уплотнений подшипников; М6 - момент для преодоления механических потерь в редукционных передачах.
Действительный крутящий момент должен иметь запас по отношению к требуемому моменту, который предварительно можно определить по зависимости [2]
Т = а- В3, (2)
где Т - действительный крутящий момент, кН; В - наружный диаметр щитовой машины, м; а - моментный фактор.
Моментный фактор обычно находится в следующих пределах, хотя в действительности он зависит от диаметра щитовой машины и грунтовых условий: а = 10 - 25 для щитовых машин с грунтопригрузом и а = 8 - 20 для щитовых машин с суспензионным пригрузом. При наличии в грунте валунов величина моментного фактора может превысить указанные пределы.
Частота вращения режущей головки подсчитывается исходя из наивысшей периферийной скорости режущей головки по формуле [2, 6]
V
N = ' (3) п- Вс
где N - скорость вращения режущей головки, об/мин; V - периферийная скорость резания, м/мин; Вс - наружный диаметр режущей головки, м.
Периферийная скорость резания варьирует в зависимости от плановой скорости проходки (продвижения) и особенностей грунта. Обычно скорость резания составляет 15...25 м/мин, но при скоростной проходке она увеличивается с учетом глубины резания.
При этом в конструкциях герметических щитовых машин широкое применение находят следующие виды приводных механизмов режущей головки [4, 5]:
- гидромоторный привод, позволяющий легко контролировать и изменять частоту вращения для изменения вращающего момента и выполнять небольшие регулировочные работы;
- электромоторный приводной механизм высокоэффективен и дает возможность упрощенной передачи энергии при продвижении, обеспечивая лучшую обстановку в тоннеле для рабочего персонала (низкий шум, снижение риска повышения температуры и т. д.). Также путем использования инверторов возможно контролировать скорость вращения, хотя иногда необходимо иметь дело с гармонизацией мощности;
- гидродомкратный приводной механизм прост и компактен по конструкции (структуре) и используется для качающихся и эксцентриковых многоосных типов рабочих органов (режущих головок).
Величина (размер) индивидуальных отверстий в режущих головках с плоской планшайбой определятся с учетом удержания грунта режущей головкой и наибольших размеров гравия. Отверстия, называемые прорезями, обычно имеют форму прямых щелей вдоль луча, но могут иметь различное сечение (форму) для пропуска потенциально большего гравия [7]. В случае проходки в гравелистых слоях размеры (ширина) прорези обычно определяются наибольшими размерами гравия, но если имеется вероятность появления гравия с размерами, большими ширины прорези, то режущая головка еще в проекте должна быть оборудована такими устройствами, как роликовые резцы для разрушения большого по размерам гравия.
Для плотных глинистых слоев размеры, положение и сечение отверстий в режущей головке определяются с учетом налипания грунта у щелей вблизи центра. Режущая головка лучевого и рамного типа с большой открытостью применяется обычно в щитовых машинах с грунтовым пригрузом.
Степень открытости режущей головки определяется по формуле [2]
р
/с = , (4)
р м
где /с - степень открытости режущей головки; р - полная площадь отверстий в режущей головке, исключая площади креплений резцов; Рм -площадь поперечного сечения щитовой машины, приблизительно равная площади режущей головки.
Величина степени открытости обычно находится в пределах 10...30 % в случае щитовых машин с суспензионным пригрузом. Для щитовых машин с грунтопригрузом эта величина составляет 30...40 % для плоского типа режущей головки, 60...80 % для лучевого типа и 50...60 % -для рамного типа.
Нежелательно увеличивать степень открытости при проходке в высоко связных грунтах, таких как плотные глины. Тщательная оптимизация величины степени открытости особо необходима там, где имеется высокий риск обрушения грунта, так как здесь имеется возможность перебора грунта. При необходимости должны устанавливаться устройства для откры-
тия/закрытия щелей для предотвращения прохода через щели излишнего объема грунта во время длительных остановок щитовой машины.
В настоящее время широкое применение в щитовых машинах с активным пригрузом забоя находят четыре типа резцов: зубьевидные, дисковые, подрезные и гильзовые (рис. 3) [8].
Рис. 3. Типы резцов щитовых машин с активным пригрузом забоя: а - зубьевидные; б - дисковые; в - подрезные; г - гильзовые; д - пример установки зубьевидных и дисковых резцов на режущей головке
Зубьевидные резцы применяются для резания и погрузки грунта, дисковые резцы для разрушения валунов и камней, подрезные резцы для ведения резки при начале и завершении проходки или когда необходимо резать твердый грунт, гильзовые резцы - для подрезки гравелистых грунтов. Отметим, что дисковые, подрезные и гильзовые резцы используются также и для защиты от поломки и повышенного износа зубьевидных резцов.
Передний и задний углы резцов должны выбираться в соответствии с грунтовыми условиями. Для уплотненных глин обычно назначаются большие углы резания, а для гравелистых слоев - малые.
Что касается крепления твердосплавного элемента на головке (наконечнике) резца, то оно осуществляется путем укладки с последующей наплавкой пластины твердого сплава на плоской передней грани резца или путем впрессовывания (вдавливания) цилиндрического стержня из твердого сплава в канавку, предварительно сделанную под определенным углом в головке резца.
Для проходки в гравелистых грунтах, для того, чтобы снизить поломки или потери твердосплавных элементов, применяют либо более толстые пластины этого сплава, либо твердосплавные впрессовываемые стержни. В некоторых случаях могут быть установлены на режущей головке дисковые или гильзовые резцы.
Конструктивный вылет резца рассчитывается с учетом ожидаемого износа в данных грунтовых условиях, длины, проходимой резцом, скорости продвижения щитовой машины, скорости вращения режущей головки и глубины резания.
Во многих случаях величина износа резцов 5 может быть определена по формуле [2, 6]
_ К-ж-Б ■ N ■ Ь
5=-, (5)
V
где К - фактор (скорость) износа, мм/км; Б - наружный диаметр щитовой машины, м; N - скорость вращения резца, об/мин; Ь - длина проходимого тоннеля, км; V - скорость продвижения, м/мин.
Величина К изменяется в зависимости от типа грунта, типа щитовой машины, материала и размещения резцов и т. д. и определяться экспериментальным путем или анализом и обработкой статистических данных.
В некоторых случаях щитовые машины оснащаются детекторами износа резцов, которые могут быть гидравлического, электрического, ультразвукового или электромагнитного типов.
Замена резцов в герметических машинах, как и для щитов без активного пригруза забоя, при выполнении замены изнутри щитовой машины может выполняться двумя методами, первый из которых заключается в ручной замене после стабилизации (укрепления) грунтов в забое, а второй - в механической замене без выполнения дополнительных процедур.
Привод рабочего органа включает подшипники, приводной двигатель, приводные шестеренные передачи и уплотнения подшипников, которые находятся среди наиболее важных компонентов рабочего органа.
Подшипники воспринимают нагрузки, создаваемые режущей головкой, и одновременно поддерживают ее. Они выбираются по долговечности в соответствии с грунтовыми условиями и протяженностью проходки.
Приводные шестерни передают вращающий момент от двигателя к режущей головке. Поэтому они должны обладать достаточной долговечностью. Обычно эти шестерни находятся внутри специального герметического корпуса для того, чтобы предотвратить попадание на них грунта, воды и пыли (рис. 4) [9].
Подшипниковые уплотнения предохраняют подшипники от проникновения грунта, грунтовых вод и различных добавок. Они должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять давлению грунта в при-забойной камере, давлению грунтовой воды, давлению бентонитовой суспензии, давлению нагнетания добавок и пневматическому давлению. В сечении они бывают одноребордчатыми и многоребордчатыми.
[ [ 2 /
1 г 1 Л. -^-Ц-Ц- Г—о-А -ПГ
1 щ
N ] ч 3 гЧ
Рис. 4. Привод рабочего органа: 1 - приводной двигатель; 2 - приводные шестерни; 3 - подшипник; 4 - уплотнения подшипника
Одиночные уплотнения могут устанавливаться в несколько рядов (рис. 5). Уплотнения смазываются, чтобы предотвращать износ кромок их реборд и проникновение грунта. Мониторинг уплотнений включает управление давлением и количеством инъектируемой смазки, дренирование образцов и контроль температуры с помощью температурных датчиков.
Рабочий орган щитовой машины оснащается расширительным устройством для внешней подрезки при проходке на крутых кривых и ис-
пользуется для улучшения управления движением машины. В герметических щитовых машинах применяются в качестве расширительных устройств копир-резцы и расширители.
а б в
Рис. 5. Сечения уплотнений подшипников рабочего органа: а - многоребордчатое уплотнение; б - одноребордчатые плоские
уплотнения; в - одноребордчатые и-образные уплотнения
Ножи (лезвия) копир-резца на режущей головке делаются выступающими за пределы сечения щитовой машины по мере вращения этой головки, что дает им возможность произвести расширительную подрезку грунта по желаемому серповидному профилю. Степень и зона подрезки определяются и регулируются оператором. Прочность копир-резца определяется с учетом факта существенного увеличения силы сопротивления резанию при увеличении выдвижения резца (лезвия).
Расширение вокруг всего тоннеля выполняется путем установки расширителя. Его ножи (лезвия) выступают снаружи режущей головки. Выход ножей может регулироваться с помощью специальных гидроцилиндров или они могут быть жестко зафиксированными на ободе режущей головки [10].
Подводя итог сказанному выше можно отметить следующее. Условия работы щитовых машин с активным пригрузом забоя накладывают ряд ограничений и условий на выбор и расчет исполнительного органа, которые необходимо учитывать на стадии проектирования машины. Изложенные рекомендации могут быть использованы для решения практических задач, связанных с проектированием и оценкой различных вариантов режущих головок, а это, в свою очередь, позволит повысить качество проектных решений и рекомендовать для изготовления наиболее эффективную режущую головку.
Список литературы
1. Щитовые проходческие комплексы / А.В. Поляков [и др.]. М.: Изд-во «Горная книга», 2009. 447 с.
2. Меркин В.Е., Самойлов В.П. Руководство по проектированию и строительству тоннелей щитовым методом. пер. с англ. М.: Метро и тоннели, 2009. 448 с.
3. Самойлов В.П. Экспериментальные исследования - важный этап создания щитовых тоннелепроходческих машин. М.: ОАО ЦНИИС, 2007. С.154.
4. Валиев А.Г., Власов С.Н., Самойлов В.П. Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях. М.: ТА Инжиниринг, 2003. 71 с.
5. Макаревич Г.В. Щиты с грунто- и гидропригрузом. Преимущества и недостатки работы на ТПМК с различными пригрузами забоя // Метро и тоннели. 2004. №1. С. 22-25.
6. Maidl, B., Schmid, L., Ritz, W., Herrenknecht, M. Hardrock Tunnel Boring Machines. Ernst and Son. 2008. 343 с.
7. EFNARC. Specification and guidelines for the use of specialist products for mechanized tunnelling (TBM) in soft ground and hard rock. European Federation Dedicated to Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems. 2005. 45 с.
8. Тоннелепроходческие резцы [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http://www.techgong.com/products.
9. Самойлов В.П., Малицкий В.С. Новейшая японская техника щитовой проходки тоннелей. М.: Империум Пресс, 2004. 232 с.
10. Koyama Y. Present status and technology of shield tunneling method in Japan //Tunnelling and Underground Space Technology. 2013. Т. 18. №. 2. Р.145-159.
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, проф., polyakoff-an@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin. tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, доц., cheb-84@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хачатурян Вильям Генрихович, канд. техн. наук, доц., wil71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
SELECTION AND CALCULATION OF CUTTING HEAD FOR EARTH PRESSURE BALANCE TUNNEL BORING MACHINES
A. V. Polyakov, A.B. Zhabin, P.N. Chebotarev, W.H. Khachaturian
Considered selection and calculation of cutting head for earth pressure balance tunnel boring machines. The conditions of choice of the working body are defined. The possible types of cutting heads and the features of choosing the type of their supports and drive mechanisms are described. The dependence for the calculation of the torque on the working body is given. The recommendations on the choice of the degree of openness of the cutting head,
the type of destructive tool, expansion devices and seals of the bearing units of the drive of the working body depending on the ground conditions of penetration.
Key words: cutting head, forms of cutting heads and types of their supports, recommendations for the design of the cutting heads, the degree of openness of the cutting state, rock-cutting tool, seals bearing assemblies
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, polyakoff-anamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin. tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chebotarev Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, cheb84@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khachaturian William Henrihovich, candidate of technical sciences, docent, cheb84@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Shield tunneling complexes / A.V. Polyakov [et al.]. Moscow: publishing house "Mountain book", 2009. 447 PP.
2. Merkin V. E., Samoilov V. P. Guidelines for the design and construction of tunnels shield method. Per. from English. Moscow: Metro and ton-Neli, 2009. 448 PP.
3. Samoilov V. p. Experimental research - an important stage in the creation of shield tunneling machines. Moscow: JSC TsNIIS, 2007. Pp. 154.
4. Valiev, A. G., Vlasov S. N., Samoilov, V. P., Modern shield machines with earth pressure balance machines active slaughter for tunnel construction in difficult engineering-geological conditions. Moscow: TA Engineering, 2003. 71 PP.
5. Makarevich G. V. Shields with soil and hydraulic cargo. Advantages and disadvantages of working at tpmk with different face loads / / Metro and tunnels. 2004. No. 1. Pp. 22-25.
6. Maidl, B., Schmid, L., Ritz W., Herrenknecht M. Hardrock Tunnel Boring Machines. Ernst and Son. 2008. 343 PP.
7. EFNARC. Specification and guidelines for the use of specialist products for mechanized tunnelling (TBM) in soft ground and hard rock. European Federation Dedicated to Specialist Construction Chemicals and Concrete Sys-tems. 2005. 45 PP.
8. A tunnel boring machine cutters / [Electronic resource]. - Electron. dan. - Mode of access: http://www.techgong.com/products.
9. Samoilov V. P., Malitsky V. S. the Latest Japanese technique of shield tunneling. Moscow: Imperium Press, 2004. 232 PP.
10. Koyama Y. Present status and technology of shield tunneling method in Japan//Tunnelling and Underground Space Technology. 2013. T. 18. no. 2. P. 145-159.
