小型救援盾構機的刀盤設計研究

葉君劍，傅蔡安

(江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122)

1 引言

自1825年英國人布魯諾爾第一次應用盾構法在泰晤士河下開挖隧道以來，學者們就開始對盾構法進行深入的研究。在近190年的歷史中，世界各國制造了數以千計的不同類型、不同直徑的盾構，盾構機及其施工技術也得到了不斷的發展和完善。直至今日，盾構已經發展成為能適應不同地層修建隧道的一種專用工程機械。

近年來，地震等災害頻頻發生，造成財產損失不計其數，更有成千上萬人在災害中被掩埋。受災后，被困人員的救援黃金時間是72h，但目前在這段黃金時間大都采用人工施救或是傳統機械挖掘等效率較低的方式，并且這些方式很有可能造成對被救人員的二次傷害和危害施救人員的安全。因此亟需一種高效救援設備以提高救人效率并保證施救人員的安全。聯想到盾構機具有內部開挖、挖開的隧道具有自穩性的優點，對盾構機進行機構的創新設計，使之能夠運用于地震災后的救援工作。

2 救援盾構機簡介

一般盾構機之所以不適用于災后的救援，主要原因是過于龐大，不夠靈活。災后救援要求救援設備具有效率高、安全、易運輸等特點。災后的現場條件十分復雜，除了一般盾構機工作時面對的沙石、泥土外，木材、混凝土甚至鋼筋都可能出現。因此，所設計的小型救援盾構機必須能夠克服這種復雜的地形，準確找到被困人員的位置并將其快速、安全的救出。設計的救援盾構機的簡圖見圖1。

圖1 救援盾構機的結構

工作原理為電動機11驅動雙向復合刀盤1、2旋轉，同時推桿12將刀盤向前推進。刀盤上設置有偏心機構，上面裝有切割器5和振搗器6，可對廢墟中的各種可能的材料進行切割和破碎，并將切下的混凝土、鋼筋和木材等碎塊排到刀盤后的空間內，刀盤后方有一機械手4，可將切下的碎料推出盾體填入下方的空隙之中，為盾構機的前進鋪路，也可將碎料推往皮帶輸送機3運出盾構機;盾構在推進過程中，利用推進機構15將環狀履帶式護管14向前推進，這些護管形成對剛挖掘出的通道的支護，確保安全通道不因外界壓力而坍塌。刀盤和護管之間設計有可以實現刀盤小角度調整的并聯機構。在盾構前端裝有雷達生命探測儀與紅外線攝像頭等傳感器，在暗室或能見度低的環境中，進行細致的搜索，一旦探測到機構前方有被救人員時，機構停止運動，并將刀盤從安全通道的內部進行拆除，此時施救人員進入護套進行人工施救。

3 刀盤的設計

刀盤設計的好壞關系到整個盾構機的成敗，而地震后的復雜環境也給救援盾構機的挖掘系統提出了特殊的要求。圖2、圖3是普通盾構機的兩種主流形式的刀盤。由于災后現場廢墟結構不穩定的特性，并且傳統的盾構機都是單向旋轉的，這樣就會傳遞給廢墟很大的扭矩和力從而可能造成廢墟結構的改變，造成二次坍塌，對受災人員和救災人員都會造成生命威脅。此外，傳統的盾構機只能有效的挖掘淤泥、粘土和一些巖石，對于混凝土和鋼筋卻沒有很好的解決方法，而地震災后現場倒塌的建筑物多為鋼筋混凝土結構，同時還混雜著木頭、玻璃等物品，所以普通盾構機的挖掘系統不能夠滿足的需求。為了達到救人的目的，該盾構機還應有容易拆卸的特點，因此在傳統的盾構機的基礎上根據災后的復雜環境和救災的目的，設計出了如圖4救災盾構機的刀盤結構。

圖2 面板式刀盤

圖3 輻條式刀盤

為了盡可能的減少這種由于盾構機的掘進對穩定性的破壞而造成的廢墟再次坍塌，采用兩個反向同時旋轉的刀盤結構，通過刀盤的雙向旋轉抵消一部分的切削力減少廢墟的受力從而減少對廢墟結構的破壞。刀盤上裝有CBN的刀齒，采用這樣的刀具主要考慮到切削混凝土和鋼筋需要強度和硬度很高，同時從經濟方面考慮，選擇了這種刀具，刀齒采用錯落排列，這樣在刀盤工作時，即使發生意外崩掉少量刀齒也不會影響到刀盤的正常工作。

圖4 刀盤結構

由于環形刀盤切割下來的是一個大的圓柱形的實體，不太容易被輸送出去，為此在刀盤中設置了一個偏心的振搗器，通過振搗器的作用將環形刀盤切割下來的廢料搗碎，方便廢料通過輸送帶運送出去。由于混凝土中可能會有鋼筋從而導致搗碎不徹底，因此安裝了兩個切割機，當遇到鋼筋時就啟動切割機將其切斷再進行搗碎。

為了使振搗器和切割機能夠到達刀盤內的大部分地方，將刀盤環切下來的廢料切削和搗碎達到要求的程度，將振搗器和切割機安裝在一個偏心旋轉的支架上。當振搗器和切割機無法到達要切割和搗碎的地方時，就啟動電動機旋轉支架將它們帶到合適的位置后，再進行切割和搗碎(圖5)。

圖5 偏心旋轉機構示意圖

即為A點的運動軌跡。

4 結語

通過對地震后廢墟的情況進行分析，結合傳統隧道挖掘盾構的特點，提出一種新型的小型救援盾構機，可以適應災后的復雜地形進行高效、快速、安全的救援。

根據傳統盾構的刀盤的特點，對其進行改進，提出了對廢墟穩定性影響較小的雙層反向切削刀盤。

建立偏心旋轉機構的幾何模型，對其進行運動位置分析，得出偏心距越大，安裝位置越靠近邊緣，振搗器和切割機所能到達的范圍就越大的結論。

Fong T W，Thorpe C，Baur C.Multi－ robot remote driving with collaborative control［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2003(7):1 ～ 7.

［2］李左芬.盾構施工法的發展歷程及展望［J］.市政工程國外動態，2000(1):23 ～24.

［3］張忠林，孟慶鑫，王 華.基于轉向機構的“穿地龍”機器人運動學研究［J］.機器人，2005，27(6):550～554.

［4］宋克志，王本福.常見盾構刀盤型式及選用［J］.筑路機械與施工機械化，2007，24(6):1～5.