CN107288643A - 一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式tbm支撑器 - Google Patents

Abstract

一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，包括中心支架（10）、上支撑腿（1L）、左下支撑腿（2L）和右下支撑腿（3L）。上支撑腿由中心支撑缸（1C）、两个侧向支撑缸（2C）并联后再串联撑靴（1G）构成，驱动上支撑腿，能带动撑靴沿径向伸缩运动；左下支撑腿和右下支撑腿与上支撑腿结构相同。本发明支撑器具有自调心能力，对支撑面的形位偏差可自适应，易于调节副支撑器的压力中心，使其受力更加合理；本发明调节中心支撑缸与侧向支撑缸支撑力的大小，可使撑靴与支撑面接触载荷的分布更加均匀。本发明在不需要大支撑力工况条件下，采用差动驱动方式，支撑器刚度小，在振动载荷作用下，撑靴在工作过程中不易松脱，降低了支撑故障风险。

Description

一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器

技术领域

本发明涉及一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，属掘进机械技术领域。

背景技术

公知的TBM(硬岩墜道掘进机)支撑器有的采用H型双支撑腿结构，其双支撑腿左右布局，垂直方向调心动作需要通过附加机构实现，其自重载荷垂直作用于液压缸移动方向上，形成横向弯曲力，造成液压缸拉伤等损害，影响支撑缸工作性能。其结构上每组布置一个或两个推进缸，可为两足或四足推进器提供支撑，不适为六足推进器提供支撑。

公知的TBM支撑器有的采用Δ型3支撑腿结构，其支撑缸工作压力作用方向与支撑面工作压力作用方向成60°交角，理论上有效力传递效率为50％，支撑力作用效果差。

公知的TBM支撑器有的采用十字型或者X型4支撑腿结构，其结构上每组布置一个推进缸，宜配合四足推进器提供支撑，不宜配合六足推进器提供支撑。

公知的TBM支撑器的每个支撑腿，采用刚性大的撑靴，容易造成撑靴与支撑面接触力分布不均匀，且每个支撑腿普遍采用单驱动方式，无法调整这种不均的接触力。在遇到支撑面较软或其表面有缺陷的情形，难于提供足够大的支撑力，以产生足够大的摩擦力来抗拒推进力与切削力矩，使得其不得不降推进力及切削力矩为代价，降低掘进机工作能力。

公知的TBM支撑器未能提供支撑腿重构功能，其支撑刚度不可改变，不能提高支撑面局部有缺陷的情形下的适应性。

综上所述，公知的TBM支撑装置存在以下问题：一是有的不适于六足推进器；二是有的支撑力作用效果差；三是有的不能完全自动调心；四是容易造成接触力不均，且无调节功能；五是未能提供支撑腿重构功能，对支撑面工况适应性差。公知的TBM支撑装置尚不存在能适用于六足并联式推进器且支撑力作用效果好的，可自调心和自重构以提高支撑面适应性的技术方案或适用装置。

发明内容

本发明的目的是，为了解决公知的TBM支撑装置存在的上述问题，本发明提出一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器。

实现本发明的技术方案如下，一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，包括中心支架、上支撑腿、左下支撑腿和右下支撑腿；所述中心支架是一个六边形的环形结构，上支撑腿、左下支撑腿和右下支撑腿分别垂直安装在六边形的环形结构相互成120°的环边上，与六边形的环形结构同处一个平面；所述的上支撑腿由中心支撑缸、两个侧向支撑缸并联后再串联上支撑靴构成，驱动所述上支撑腿，可带动上支撑靴沿径向伸缩运动；左下支撑腿和右下支撑腿与上支撑腿结构相同，但其沿各自径向伸缩运动的方向与上支撑腿在圆周上分别相隔120°。

所述支撑器可自适应隧道曲线及其支撑面的位置和姿态偏差；侧向支撑缸与中心支架采用回转关节连接，可适应绕掘进纵轴方向的滚转偏差；两个侧向支撑缸并联后，其运动可适应撑靴沿掘进断面径向的偏差；所述的侧向支撑缸上关节和中心支撑缸上关节可绕共同轴线即掘进水平轴转动，可适应隧道轴线的姿态偏差。

调节左下支撑腿和右下支撑腿的位置，即可调节支撑器中心支架的位置，改变支撑器压力中心位置，可适应隧道轮廓线变化及支撑面沿周向不同支撑工况条件。

所述支撑器设置了中心支撑缸驱动重构阀和侧向支撑缸驱动重构阀用于驱动支撑器作支撑作业，并改变其结构刚度；

所述支撑器的侧向支撑缸设侧向支撑缸进油口、侧向支撑缸回油口；中心支撑缸设有中心支撑缸进油口、中心支撑缸回油口；中心支撑缸由中心支撑缸驱动重构阀改变其驱动模式；如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁失电，则中心支撑缸进油口与中心支撑缸回油口断开，中心支撑缸工作于双向驱动模式；如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁得电，则中心支撑缸进油口与中心支撑缸回油口连通，中心支撑缸工作于差动驱动模式；侧向支撑缸可由侧向支撑缸驱动重构阀改变其驱动模式；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁失电，则侧向支撑缸进油口、侧向支撑缸回油口断开，侧向支撑缸处于双向驱动状态；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁得电，则侧向支撑缸进油口与侧向支撑缸回油口连通，侧向支撑缸处于差动驱动状态。

所述支撑器的上支撑腿、左下支撑腿、右下支撑腿的侧向支撑缸分别驱动；而上支撑腿、左下支撑腿、右下支撑腿的中心支撑缸可分别驱动，也可并联在一起驱动。

所述撑靴按位置分为上支撑靴、左下支撑靴和右下支撑靴，这些支撑靴的结构形状完全相同。所述撑靴是具有一定柔度的圆弧形结构，其外圆半径略大于支撑面内圆半径，两侧向支撑缸与中心支撑缸分两路驱动。由于中心支撑缸和两侧向支撑缸受力的不同，将对接触力分布产生不同的影响，改变两者受力大小，将改变接触力分布状态。其计算方法为：

第1步：根据撑靴几何形状参数，建立其初始间隙δ₀与接触位置θ之关系F_δ₀(θ)；

第2步：建立中心支撑缸的刚度模型：F_δ₁(θ)，预测其在支撑力F₁作用不同接触位置θ的接触变形量：δ₁＝F₁×F_δ₁(θ)；

第3步：建立两侧向支撑缸的刚度模型：F_δ₂(θ)，预测其在支撑力F₂作用下不同接触位置θ的接触变形量：δ₂＝F₂×F_δ₂(θ)；

第4步：根据极大极小原理求解最优匹配载荷：δ_max(θ)＝F₁×F_δ₁(θ)+F₂×F_δ₂(θ)-F_δ₀(θ)找出θ劣值，命：δ(F₁,F₂)＝δ_max(θ)，然后据δ_min(F₁,F₂)找出F₁与F₂的优值。

另外，重构支撑器驱动模式，可改变支撑器的结构刚度，以改善支撑器对动态支撑力响应特性。

本发明设计了可调心且对支撑面可自适应的双自由度三足并联式支撑腿结构；提出了所述支撑器驱动方法和实现撑靴与支撑面接触载荷均布的方法；提出了所述支撑器支撑缸自重构方法，重构支撑器驱动模式，改善支撑器对动态支撑力响应特性。

本发明的有益效果是，本发明的结构决定本发明支撑器具有自调心能力，对支撑面的形位偏差可自适应，易于调节支撑器的压力中心，使其受力更加合理；本发明调节中心支撑缸与侧向支撑缸支撑力的大小，可使撑靴与支撑面接触载荷的分布更加均匀。本发明在不需要大支撑力工况条件下，采用差动驱动方式，支撑器刚度小，在振动载荷作用下，撑靴在工作过程中不易松脱，降低了支撑故障风险。

附图说明

图1是一种带三足并联支撑腿可自重构的三足并联式TBM支撑器的三维立体示意图；

图2是一种带三足并联支撑腿可自重构的三足并联式TBM支撑器的平面投影示意图；

图3是一种带三足并联支撑腿可自重构的三足并联式TBM支撑器的平面投影示意图；

图4是图2所述支撑器在一种带六足并联推进器的掘进装置上的应用实例；

图5是图2和图3所述支撑器在一种双六足并联推进器串联的掘进装置上的应用实例；

图6是图1所述支撑器在一种两个12缸并联推进器串联的掘进装置上的应用实例；

图7是图1和图2所述支撑器在一种12缸并联推进器与六足并联推进器串联的掘进装置上的应用实例；

图8是图3所述支撑器支撑自适应位置和姿态偏差的示意图；

图9是如图1所述支撑器撑靴自适应运动及支撑缸液压驱动分组示意图；

图10是如图3或图8所述支撑器支撑缸液压驱动原理图；

图中，1是刀盘系统；2是支承环；3是推进器；4是支撑器；5是副推进器；6是副支撑器；7是支撑面；8是围岩；1B是支撑器后关节连接座；1E为弹性复位装置；1F是支撑器前关节连接座；3C是推进缸；3F是推进缸前关节；3B是推进缸后关节；4F是支撑器前关节连接座；4B是支撑器后关节连接座；5C是副推进缸；5F是副推进缸前关节；5B是副推进缸后关节；6F是副支撑器前关节连接座；10是中心支架；1L是上支撑腿；2L是左下支撑腿；3L是右下支撑腿；1G是上支撑靴；2G是左下支撑靴；3G是右下支撑靴；1C是中心支撑缸；1U是中心支撑缸上关节；1D是中心支撑缸下关节1E是弹性复位装置；2C是侧向支撑缸；2U是侧向支撑缸上关节；2D是侧向支撑缸下关节；1P是中心支撑缸进油口；1Q是中心支撑缸回油口；2P是侧向支撑缸进油口；2Q是侧向支撑缸回油口；1YF是中心支撑缸驱动重构阀；2YF是侧向支撑缸驱动重构阀；1DT是中心支撑缸驱动重构阀电磁铁；2DT是侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁；1X是掘进水平轴方向；1R是掘进断面径向；1Z是掘进纵轴方向。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1～图10所示。

实施例1

本实施例一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器如图1～图3所示。

本实施例支撑器包括中心支架10、上支撑腿1L、左下支撑腿2L和右下支撑腿3L。

本实施例中的中心支架10是一个六边形的环形结构，上支撑腿1L、左下支撑腿2L和右下支撑腿3L向外分别垂直安装在六边形的环形结构相互成120°的环边上，与六边形的环形结构同处一个平面；所述的上支撑腿1L由中心支撑缸1C、两个侧向支撑缸2C并联后再串联上支撑靴1G构成，驱动所述上支撑腿1L，可带动上支撑靴1G沿径向伸缩运动；左下支撑腿2L和右下支撑腿3L与上支撑腿1L结构相同，但它们沿各自径向伸缩运动的方向与上支撑腿1L分别相隔120°。

所述上支撑腿1L包括中心支撑缸1C、侧向支撑缸2C、中心支撑缸上关节1U、中心支撑缸下关节1D、侧向支撑缸上关节2U、侧向支撑缸下关节2D、上支撑靴1G、支撑器后关节连接座1B和支撑器前关节连接座1F。中心支撑缸1C通过中心支撑缸下关节1D安装在中心支架六边形的环形结构的一条环边的中心；两个侧向支撑缸2C分别通过侧向支撑缸下关节2D平行安装在环边上中心支撑缸1C等距离的两侧；中心支撑缸1C的另一端通过中心支撑缸上关节1U连接上支撑靴1G的内弧中部；两个侧向支撑缸2C分别通过侧向支撑缸上关节2U连接上支撑靴1G的内弧两侧；上支撑靴1G还设置了支撑器后关节连接座1B和支撑器前关节连接座1F。

本实施例如图1所示，在中心支撑缸1C与上支撑1G间装有弹性复位装置1E，用于限定上支撑靴1G未撑紧支撑面时，上支撑靴1G的位置；其上支撑靴1G前端预留有4个支撑器前关节连接座1F。

如图2所示，支撑器的上支撑靴1G前端预留有2个支撑器前关节连接座1F，后端未预留支撑器后关节连接座。

如图3所示，支撑器的上支撑靴1G前端预留有2个支撑器前关节连接座1F，后端预留有两个支撑器后关节连接座1B。

支撑器支撑自适应位置和姿态偏差分析，如图8和图9所示。其中图8支撑器结构如图3，图9支撑器结构如图1。

支撑器4可自适应位置和姿态偏差，侧向支撑缸2C与中心支架10采用回转关节连接，可适应绕掘进纵轴方向1Z的滚转偏差；两个侧向支撑缸2C并联后，其运动可适应撑靴沿掘进断面径向1R的偏差；所述的侧向支撑缸上关节2U、中心支撑缸上关节1U可绕共同轴线即掘进水平轴方向1X转动，可适应隧道轴线姿态偏差。

本实施例支撑器撑靴自适应运动及支撑缸液压驱动如图9和图10所示。图9支撑器结构如图1所示，图10支撑器结构如图3所示。

本实施例带有中心支撑缸驱动重构阀1YF和侧向支撑缸驱动重构阀2YF，用于驱动支撑器作支撑作业，并改变其结构刚度。

如图10所述的支撑器，其侧向支撑缸2C设有侧向支撑缸进油口2P、侧向支撑缸回油口2Q，中心支撑缸1C设有中心支撑缸进油口1P、中心支撑缸回油口1Q。中心支撑缸1C可由中心支撑缸驱动重构阀1YF改变其驱动模式，如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁1DT失电，则中心支撑缸进油口1P与中心支撑缸回油口1Q断开，中心支撑缸1C工作于双向驱动模式；如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁1DT得电，则中心支撑缸进油口1P与中心支撑缸回油口1Q连通，中心支撑缸1C工作于差动驱动模式。侧向支撑缸2C可由侧向支撑缸驱动重构阀2YF改变其驱动模式；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁2DT失电，则侧向支撑缸进油口2P、侧向支撑缸回油口2Q断开，侧向支撑缸2C处于双向驱动状态；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁2DT得电，则侧向支撑缸进油口2P与侧向支撑缸回油口2Q连通，侧向支撑缸2C处于差动驱动状态。

本实施例的支撑器，上支撑腿1L、左下支撑腿2L、右下支撑腿3L的侧向支撑缸将分别驱动；而上支撑腿1L、左下支撑腿2L、右下支撑腿3L的中心支撑缸可分别驱动，也可并联在一起驱动。

实施例2

本实施例为一种带六足并联推进器的掘进装置，所述装置采用了图2所示的支撑器结构。

本实施例一种带六足并联推进器的掘进装置由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4串联所构成的混联式掘进装置；支撑器4为如图2所述的支撑器结构。推进缸3C与支承环2由推进器前关节3F连接，推进缸3C与支撑器4由推进缸后关节3B连接，其位置位于支撑器4的支撑器前关节连接座4F处。

实施例3

本实施例为一种双六足并联推进器串联的掘进装置，如图5所示。

本实施例一种双六足并联推进器串联的掘进装置，由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5、副支撑器6串联，所构成的混联式掘进装置。

本实施例装置的推进缸3C与支撑器4由推进缸后关节3B连接，其位置位于支撑器4的支撑前关节连接座4F处；副推进缸5C与支撑器4由副推进缸前关节5F连接，其位置位于支撑器4的支撑器后关节连接座4B处；副推进缸5C与副支撑器6由副推进缸后关节5B连接，其位置位于副支撑器6的支撑前关节连接座6F处。

本实施例装置支撑器4采用如图3所示的支撑器；副支撑器6采用如图2所示的支撑器。

实施例4

本实施例为一种双12缸并联推进器串联的掘进装置，如图6所示。

本实施例一种双12缸并联推进器串联的掘进装置由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5、副支撑器6串联，所构成的混联式掘进装置。

本实施例的推进缸3C与支撑器4由推进缸后关节3B连接，其位置位于支撑器4的支撑前关节连接座4F处；副推进缸5C与支撑器4由副推进缸前关节5F连接，其位置位于支撑器4的支撑器后关节连接座4B处；副推进缸5C与副支撑器6由副推进缸后关节5B连接，其位置位于副支撑器6的支撑前关节连接座6F处。

本实施例支撑器4和副支撑器6均采用图1所示的支撑器结构。

实施例5

本实施例为一种12缸并联推进器与六足并联推进器串联的掘进装置，如图7所示。

本实施例一种12缸并联推进器与六足并联推进器串联的掘进装置由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5、副支撑器6串联所构成的混联式掘进装置。

本实施例的推进缸3C与支撑器4由推进缸后关节3B连接，其位置位于支撑器4的支撑前关节连接座4F处；副推进缸5C与支撑器4由副推进缸前关节5F连接，其位置位于支撑器4的支撑器后关节连接座4B处；副推进缸5C与副支撑器6由副推进缸后关节5B连接，其位置位于副支撑器6的副支撑前关节连接座6F处。

本实施例的支撑器4采用图1所示的支撑器结构，副支撑器6采用图2所示的支撑器结构。

Claims (6)

1.一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述支撑器包括中心支架、上支撑腿、左下支撑腿和右下支撑腿；所述中心支架是一个六边形的环形结构，上支撑腿、左下支撑腿和右下支撑腿分别垂直安装在六边形的环形结构相互成120°的环边上，与六边形的环形结构同处一个平面；所述的上支撑腿由中心支撑缸、两个侧向支撑缸并联后再串联撑靴构成，驱动所述上支撑腿，能带动撑靴沿径向伸缩运动；左下支撑腿和右下支撑腿与上支撑腿结构相同，但其沿各自径向伸缩运动的方向与上支撑腿在圆周上分别相隔120°；

所述上支撑腿包括中心支撑缸、侧向支撑缸、中心支撑缸上关节、中心支撑缸下关节、侧向支撑缸上关节、侧向支撑缸下关节、上支撑靴、支撑器后关节连接座和支撑器前关节连接座；中心支撑缸通过中心支撑缸下关节安装在中心支架六边形的环形结构的一条环边的中心；两个侧向支撑缸分别通过侧向支撑缸下关节平行安装在环边上中心支撑缸等距离的两侧；中心支撑缸的另一端通过中心支撑缸上关节连接上支撑靴的内弧中部；两个侧向支撑缸分别通过侧向支撑缸上关节连接上支撑靴的内弧两侧；上支撑靴还设置了支撑器后关节连接座和支撑器前关节连接座。

2.根据权利要求1所述的一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述支撑器可自适应隧道曲线及其支撑面的位置和姿态偏差；侧向支撑缸与中心支架采用回转关节连接，适应绕掘进纵轴方向的滚转偏差；两个侧向支撑缸并联后，其运动适应撑靴沿掘进断面径向的偏差；所述的侧向支撑缸上关节和中心支撑缸上关节绕共同轴线即掘进水平轴转动，适应隧道轴线的姿态偏差；调节左下支撑腿和右下支撑腿的位置，即调节支撑器中心支架的位置，改变支撑器压力中心，能适应隧道轮廓线变化及支撑面沿周向不同支撑工况条件。

3.根据权利要求1所述的一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述支撑器设置了中心支撑缸驱动重构阀和侧向支撑缸驱动重构阀用于驱动支撑器作支撑作业，并改变其结构刚度；

所述支撑器的侧向支撑缸设侧向支撑缸进油口、侧向支撑缸回油口；中心支撑缸设有中心支撑缸进油口、中心支撑缸回油口；中心支撑缸由中心支撑缸驱动重构阀改变其驱动模式；如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁失电，则中心支撑缸进油口与中心支撑缸回油口断开，中心支撑缸工作于双向驱动模式；如若中心支撑缸驱动重构阀电磁铁得电，则中心支撑缸进油口与中心支撑缸回油口连通，中心支撑缸工作于差动驱动模式；侧向支撑缸可由侧向支撑缸驱动重构阀改变其驱动模式；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁失电，则侧向支撑缸进油口、侧向支撑缸回油口断开，侧向支撑缸处于双向驱动状态；如若侧向支撑缸驱动重构阀电磁铁得电，则侧向支撑缸进油口与侧向支撑缸回油口连通，侧向支撑缸处于差动驱动状态。

4.根据权利要求1所述的一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述支撑器的上支撑腿、左下支撑腿、右下支撑腿的侧向支撑缸分别驱动；而上支撑腿、左下支撑腿、右下支撑腿的中心支撑缸可分别驱动，也可并联在一起驱动。

5.根据权利要求1所述的一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述撑靴是具有一定柔度的圆弧形结构，其外圆半径略大于支撑面内圆半径，两侧向支撑缸与中心支撑缸分两路驱动；由于中心支撑缸和两侧向支撑缸所受支撑力的不同，将对接触力分布产生不同的影响，改变两者受力大小，将改变接触力分布状态。

6.根据权利要求5所述的一种带三足并联支撑腿可自适应的三足并联式TBM支撑器，其特征在于，所述支撑力的计算方法如下：

(1)根据撑靴几何形状参数，建立其初始间隙δ₀与接触位置θ之关系F_δ₀(θ)；

(2)建立中心支撑缸的刚度模型：F_δ₁(θ)，预测其在支撑力F₁作用不同接触位置θ的接触变形量：δ₁＝F₁×F_δ₁(θ)；

(3)建立两侧向支撑缸的刚度模型：F_δ₂(θ)，预测其在支撑力F₂作用下不同接触位置θ的接触变形量：δ₂＝F₂×F_δ₂(θ)；

(4)根据极大极小原理求解最优匹配载荷：δ_max(θ)＝F₁×F_δ₁(θ)+F₂×F_δ₂(θ)-F_δ₀(θ)找出θ劣值，命：δ(F₁,F₂)＝δ_max(θ)，然后据δ_min(F₁,F₂)找出F₁与F₂的优值；

其中，F₁为中心支撑缸支撑力；F₂为侧向支撑缸支撑力。