摘要:高黎贡山隧道出口段采用2台敞开式TBM分别在主洞和平导洞施工,由于地质条件复杂,TBM经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况。为提高刀盘驱动系统脱困转矩,满足TBM在破碎围岩条件下掘进的需要,对彩云号TBM主驱动系统安装双速减速机的技术改造进行研究。双速减速机安装在TBM主电机和减速机之间,高、低速模式下减速比分别为.00和.47,可通过手柄直接进行模式切换,具有切换方便的特点;在低速模式下,可将设备脱困转矩由kN·m提升至kN·m。经现场验证:在TBM脱困使用低速挡掘进时,设备可在kN·m转矩下持续掘进,说明在TBM上安装双速减速机可大大提高敞开式TBM在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。
关键词:高黎贡山隧道;TBM脱困;双速减速机;高低速模式;刀盘转矩;刀盘转速
0引言
TBM是一种超大型电液一体化机械,专用于硬岩隧道开挖,其包括刀盘系统、推进系统和皮带出渣系统等,开挖隧道具有快速、安全、高效等特点,要优于钻爆法开挖[-4]。但由于围岩环境复杂,TBM在硬岩掘进过程中经常发生刀盘卡死被困事故,给施工生产安全和施工效益带来了不利影响[5-8]。
对于TBM脱困技术,其中一种是人工脱困技术,目前已有不少研究,例如:赵毅[9]提出了TBM超前化学灌浆脱困技术,通过在刀盘内超前钻孔、在孔口混合和高压力灌浆实施双组分化学浆液,快速加固坍塌体、软弱破碎层并有效脱困;刘建平等[0]提出了针对高黎贡山隧道TBM小导洞的脱困技术,通过在护盾顶部人工开挖小导洞,对刀盘上方、护盾顶部的积渣进行清理,以减小刀盘转动阻力至转矩恢复正常;张兵等[]提出了高黎贡山隧道破碎地层TBM施工技术及应对方法,包括化学灌浆、小导洞开挖及支护、超前管棚等综合应对方法。另一种是提高TBM的刀盘转矩技术,例如:侯昆洲[2]提出了TBM刀盘电动-液压同步驱动系统,采用混合驱动提高TBM脱困转矩;谢海波等[3]提出了液体黏性离合器新型TBM刀盘驱动方案;刘统等[4]提出了基于液压变压器的TBM刀盘混合驱动技术。
双速减速机作为提升主驱动转矩的专用零部件,曾在印度孟买地铁UCG-0、墨西哥TEPⅡ排水隧洞等项目中使用。其中,孟买地铁UCG-0项目的地质条件为玄武岩、凝灰岩、风化角砾岩,采用的设备为硬岩-土压跨模式掘进机;墨西哥排水隧洞项目地质条件主要为安山岩、软土、复合复杂地层,采用的设备类型为硬岩-土压跨模式掘进机。以上设备在遭遇特殊地质的情况下,通过高低转速、大小转矩的切换,使掘进月进尺由平均多m提升到m。在国外隧道行业,双速减速机已逐渐成为隧道掘进机的标配,但在国内TBM施工上鲜有使用案例。本文针对TBM在高黎贡山隧道破碎围岩遭遇的刀盘转矩不足导致设备卡机的问题,提出了在TBM主驱动系统安装双速减速机的改造方案,并在现场进行了安装应用。
工程背景
大瑞铁路是我国第条穿越横断山脉、地形地质条件极为复杂的国家Ⅰ级干线铁路。高黎贡山隧道作为其控制性工程,地质环境具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程)的特征,其中,平导TBM施工段采用一台开挖直径为6.39m的敞开式硬岩掘进机施工。自TBM掘进以来,节理密集破碎带、断层破碎带、全风化花岗岩遇水流沙地层、涌水、蚀变透镜体等不良地质频繁出现。不良地质突发性强、持续段落长、占比高,TBM频繁遭遇卡机,掘进缓慢,TBM自身优越性未得到充分发挥。从年月25日始发掘进至年6月25日,平导TBM累计掘进.86m,期间共发生次卡机,其中8次卡机为围岩破碎导致。分析原因主要为原装TBM刀盘转矩不足,刀盘自我保护跳停,导致设备停机无法推进,造成停机时间达到了总施工天数的48%。
2原TBM主驱动系统工作原理
原TBM主驱动系统结构如图所示。主驱动包括主轴承、驱动箱、大齿圈、主轴承密封、小齿轮、行星减速机和TBM主电机等。主轴承外圈通过螺栓与驱动箱连接,内圈通过螺栓连接刀盘转接环和刀盘。刀盘转接环通过螺栓与大齿圈连接。电机传递出的转矩通过行星减速机减速增距传递到小齿轮上,小齿轮驱动大齿圈转动。
图原TBM主驱动系统结构图
3双速减速机应用原理与性能分析
3.双速减速机原理
双速减速机有高速和低速2种模式。双速减速机外部结构如图2所示。双速减速机在低速模式下的内部结构如图3所示。在高速模式下,挡位转换系统连接输入轴和输出轴,输出轴和行星齿轮脱离,转速直接由输入轴传递至输出轴,此时减速比为.00;在低速模式下,挡位转换系统连接输出轴和行星齿轮,输入轴和输出轴脱离,转速由输入轴传递至行星齿轮,再传递至输出轴,减速比为.47。通过手柄可直接控制切换高、低速模式。
双速减速机安装在TBM主电机与原减速机之间(如图4所示)。安装后,主驱动传动途径为:主电机—转矩限制器—传动花键轴—双速减速机—主减速机—小齿轮—大齿圈—转接环—主轴承内圈—刀盘。
④—前端面;⑤—后端面;?—观察洞盖板;?—注油点
图2双速减速机外部结构
①—把轴系统;②—同步输出轴系统;③—同步输入轴系统;④—输出轴安装板;⑤—输入轴安装板;⑥—输出轴密封;⑦—输入轴密封;⑧—输出端密封垫片;⑨—输入端密封垫片;⑩—换热器冷却水输入;?—换热器冷却水输出;?—挡位转换系统;?—螺旋座圈;?—防护盖板;??—堵头;?—剪切销;?—排气孔;??—空心塞子;?—输出端隔环;?—输入端隔环;??—O型密封;???—内六角螺栓。
图3双速减速机在低速模式下的内部结构(单位:mm)
图4双速减速机安装位置
3.2双速减速机高、低速模式下刀盘额定转速、转矩对比
)刀盘额定转速
式中:n0为电机额定转速,取r/min;i为行星减速机减速比,取29.34;i2为双速减速机减速比,高速模式下取.00,低速模式下取.47;i3为小齿轮/大齿圈减速比,取6.26。
2)刀盘额定转矩
Mi=M0·i·i2·i3·i。(2)
式中:M0为电机额定输出转矩,取3.9kN·m;i为电机数量,取7。
通过计算可得:)高速模式下,ni=5.38r/min,
Mi=40.32kN·m;2)低速模式下,ni=3.66r/min,
Mi=.93kN·m。
从以上分析可以看出,低速模式下双速减速机的原理是在不改变TBM主电机能力的前提下,通过提高减速比,以短时间突破传动链设计能力为代价,来获得更高的脱困转矩。
3.3双速减速机高、低速模式下设备性能特点
双速减速机高、低速模式下设备性能对比见表。安装双速减速机前后TBM转矩对比见图5。在低速模式下双速减速机使得敞开式硬岩掘进机的刀盘脱困转矩得到显著提高,在刀盘转速低于4r/min时,脱困转矩可达到kN·m,为原设备脱困转矩(kN·m)的.47倍。在破碎围岩情况下,要求保持TBM刀盘转速在3r/min以下,以减少对围岩的扰动和超量出渣,避免皮带机卡死,该情况下双速减速机性能可以得到更好的发挥。
表双速减速机高、低速模式下设备性能对比
低速模式下,刀盘最高转速由.97r/min降低至8.4r/min,刀盘转速和刀盘出渣能力受到限制,特别是在面对硬岩时,需要高刀盘转速以提高破岩效率。因此,在正常围岩下建议使用高速模式,这样也方便对低速模式使用时长进行统计。
4主驱动系统双速减速机接口匹配设计研究
4.机械安装接口匹配
TBM主大梁区域结构如图6所示。双速减速机安装后,主电机尾部将相对原位置后移40cm,对设备结构将产生下列影响:
)安装双速减速机前拱架安装器拼装机构与主电机尾端距离cm,因此,拼装机构需向后移动30cm以上。
2)主电机端盖超出顶护盾保护范围。
3)原主电机传动轴不匹配,需进行改造。
4)整个主梁空间将更加拥挤。
改造后的TBM主梁结构如图7所示。高黎贡山平导TBM是经过再制造后在项目中投入使用的,在再制造时提前考虑了双速减速机对结构的影响,将TBM主梁全长由3.m延伸至4.m,给支护设备留出空间,并将顶护盾向后延长m,避免了双速减速机安装后对支护设备的影响。
图5安装双速减速机前后TBM转矩对比
图6TBM主大梁区域结构图
①—主梁3;②—延长后主梁2
图7改造后的TBM主梁结构图(单位:mm)
原电机传动轴需进行改造,将A处轴端削除7mm。主电机传动轴改造图如图8所示。
图8主电机传动轴改造图(单位:mm)
4.2刀盘控制程序升级
4.2.刀盘控制程序升级分析
相同刀盘转矩情况下,低速模式TBM主电机转矩为高速模式的/.47,因此,不需要对变频器里的最大转矩设定值进行修改。双速减速机在高低速模式下有不同的减速比,要求所有双速减速机必须在同一个挡位下工作,否则,将会影响主驱动安全。因此,在双速减速机机械限位的同时,需要在PLC程序内增加互锁保护,同时在操作屏幕上显示所有双速减速机挡位状态指示和刀盘互锁指示。
4.2.2PLC程序互锁修改
在每个双速减速机手柄处安装2个位置传感器,判定高速挡和低速挡状态下手柄的位置,并将2个传感器信号在PLC程序上实现连锁。
手柄状态PLC连锁如图9所示。由图可知,只有当所有高速挡触点处于高电位且所有低速挡触点处于低电位信号时,高速挡状态判定线圈GB_STATE_HIGH_OK通电。挡位PLC连锁如图0所示。图0中,高速挡状态判定触点GB_STATE_HIGH_OK处于高电位,低速挡连锁原理与其类似。图0中,将低速挡、高速挡判定触点进行并联,当有一个触点条件满足时,即可满足双速减速机连锁条件。
4.2.3转速及转矩显示修改
转速显示修改如图所示。临时变量Temp_Reg_是刀盘7个电机的平均转速,通过DIV除法运算指令,除以指定转速比可得到刀盘转速。根据双速减速机状态,将TBM转速分为2种情况:高速模式时GB_STATE_HIGH_OK触点处于高电位,采用原减速比83.76;低速模式时GB_STATE_LOW_OK触点处于高电位,减速比为.3。转矩显示也需做类似修改。
图9手柄状态PLC连锁
图0挡位PLC连锁
图转速显示修改
4.2.4刀盘参数界面修改
刀盘参数界面如图2所示。在显示屏刀盘参数界面,添加双速减速机挡位指示灯,以显示所有双速减速机状态。
图2刀盘参数界面
5主驱动传动链强度校核
5.双速减速机对主轴承寿命的影响分析
影响主轴承寿命的因素主要包括反推力以及TBM掘进过程中纠偏角度所产生的倾覆力矩,刀盘转矩对其影响较小[5]。主轴承的理论总转数为5.95×06r,有90%的可能性达到或超过理论寿命。在刀盘转速为8.96r/min的情况下,主轴承寿命可以达到h;在刀盘转速为3.6r/min的情况下,主轴承可运行h。双速减速机安装前彩云号TBM累计开挖m,刀盘运行时间为h,平均掘进速度为2.50m/h。平导TBM剩余掘进洞段长度为m,根据前期数据推算,剩余工程刀盘运转时间约为0h,主轴承寿命可满足现场使用。
5.2双速减速机对齿轮系寿命的影响分析
刀盘转矩由负载决定,当掌子面围岩破碎、刀盘长时间在大转矩下运转时,会造成主驱动传动系统寿命严重减少,使用过程中原装减速机、小齿轮及大齿圈等传动系统出现故障及损坏的风险也较高。齿轮系寿命计算工况设置如表2所示,即在减速机连续运转、60%工况转矩为kN·m、40%工况转矩为kN·m的情况下,进行减速机、大齿轮和减速机寿命的计算。
表2齿轮系寿命计算工况设置
根据厂家提供的计算结果,大齿圈、小齿轮寿命为h。原装减速机相应故障发生的时间如下:PittingLife(齿面点蚀)为h,BendingLife(弯曲疲劳)为h,BearingLife(轴承寿命)为h。
原装减速机齿面点蚀发生的时间为h,TBM剩余掘进约需0h。在一般围岩条件下,TBM转矩为~0kN·m,仅在极端地质条件下,刀盘转矩才会超出kN·m,理论上齿轮系寿命可满足现场使用。
6双速减速机洞内安装
双速减速机是彩云号TBM在隧道内掘进4km后安装的,安装前需断开主驱动电机的电源,拆除所有传动轴,确保按照所有必要的安全措施进行操作。从机头架中2个相邻的主驱动位置上拆除主电机和单速减速机总成。如果减速机没有立即安装在打开的主驱动位置,则需要临时封闭开口,防止异物进入驱动箱。双速减速机的洞内安装工艺主要包括以下2个方面:
)双速减速机安装工艺
首先,清理和检查双速减速机与机头架之间的安装接口和密封,确保没有损坏;然后,根据图4,将2个减速机中的一个安装到机头架中,并在相邻的打开的主驱动位置上进行齿间隙试验。重复以上步骤,直至所有主驱动位置测试完成,然后安装位置传感器,用于判定手柄位置,并将数据连接至PLC,确保所有双速减速机挡位相同。
2)主电机安装工艺
7处主驱动位置的双速减速机安装完成且齿间隙和接口都检查完成后,从单级减速机上拆除主电机并将其安装到双速减速机上。将电源线重新连接到主驱动电机上,并在刀盘旋转之前核实所有系统是否正常工作。
7双速减速机使用管理制度
TBM转矩传递涉及系统较多,使用双速减速机时间过长,将对转矩传动链上相关部件的寿命产生影响,甚至可能导致主机部位的结构件扭曲变形。因此,双速减速机的操作要点如下:
)当刀盘转矩长期超过kN·m或刀盘卡机后启用双速减速机;当刀盘转矩长期低于0kN·m时不启用双速减速机。
2)使用双速减速机前,对设备进行必要的检修。例如:液压系统关键线路是否有泄露;关键阀件的压力校订是否符合图纸要求;鞍架滑轨间隙是否在图纸要求范围内。
3)刀盘推进过程中,在没有改变流量的情况下如果推进压力下降,说明前方岩石较软,应在下一掘进行程中适当调低撑靴压力;如果推进压力增加,说明前方岩石变硬,下一掘进行程中可维持或调高撑靴压力。
4)侧支撑应对称贴紧洞壁,顶部支撑减压阀的压力应根据岩石条件适当调高或调低,原则上遇到软岩时顶支撑应贴紧洞壁,并适当嵌入洞壁5~0mm。
5)密切
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