方孔加工原理在矩形頂管中的應用研究

劉衛校+++王琴

摘 要：盾構與頂管機施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構和頂管機的研究與應用對于工程施工有著重要的意義。文章針對與切削截面形狀起決定作用的刀盤切削形式為切入點，在介紹現有盾構和頂管機切削形式的基礎上，通過研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應用，進行了該原理在矩形盾構與頂管機上的應用與研究。

關鍵詞：盾構與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網工程中，盾構機和頂管機已得到了廣泛的應用。隧道斷面由盾構機與頂管機自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應用最為經濟。因此，矩形盾構機和頂管機的研究與應用有著重要的實際意義[1]。

1 矩形盾構與頂管機常用切削形式[1]

刀盤切削形式的設計是矩形盾構與頂管機設計的主要難點。圓形斷面的盾構與頂管機，刀盤的切屑形式基本上是一中心旋轉大刀盤。相比來說，矩形斷面的切削則遠遠復雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤式：切削面積大概可達到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無法滿足使用要求。

（2）組合刀盤式：傳動系統比較復雜，長距離掘進時惡劣的工作環境將對其可靠性產生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結構簡單，傳動可靠，可實現對任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優勢明顯，為優選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構與頂管機的應用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內齒圈1轉動，二者中心距記為？著0。點A為行星齒輪2上一任意點，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內齒圈1圓心o做公轉運動的同時，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉運動。若行星輪2以一定的轉速v公繞圓心o公轉，同時以1/3倍于公轉速度的轉速 v自繞圓心o'做反方向自轉（即：v自=-1/3v公），則點A的運動軌跡為以圓心o為中心，邊長為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構與頂管機的應用研究

2.2.1 在切削機構設計中的應用

設計刀盤切削機構如圖2所示。切削機構分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設計為3根輻條的中心回轉支承形式（回轉中心 ），每根輻條長度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構和頂管機主體中心點o有一偏心量ε的位置。盾構和頂管機主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨立的驅動裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉方向相反的方向旋轉，且速度為切削器旋轉速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長為L的正方形，并與頂管機端面輪廓（邊長為L的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長L滿足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長L一定時，通過改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應變化，進而得到任意的形狀，甚至當ε=0時，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅動方式設計

按照盧勞三角形原理設計的刀盤切削機構可以實現正方形斷面的掘進。為了滿足切削機構中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉方向與偏心裝置轉向相反，轉速是偏心裝置轉速的1/3倍，可將切削機構驅動方式設計為復合輪系傳動或偏心曲軸行星齒輪傳動兩種形式。

（1）復合輪系傳動

圖3 復合輪系傳動

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數比相等，行星齒輪z7自轉轉速是z3、z4轉速的1/3倍，兩者轉速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤軸穿過兩圓孔，并可相互自由轉動，刀盤軸固定在z7中心。該傳動方式結構簡單可靠，切削機構可承受較大偏心矩，可勝任地質條件相對較為惡劣的掘進工況。上世紀80年代日本開發的矩形隧道掘進機有很多采用了該傳動形式，并在實際施工中得到了應用，取得了不錯的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動

如圖4所示，偏心軸輸入端與內齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤由三根長度為L/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤自轉轉速為其繞內齒圈軸線公轉速度的1/3倍，且兩者轉向相反，L與ε滿足盧勞三角形原理，切削機構的切削斷面為正方形。動力通過偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤，完成斷面掘進工作。結構簡單，工作可靠，在地質條件較好的底層中可以得到很好的應用。近幾年來，我國矩形頂管機得到了較大的發展，國內一些公司已開始采用該傳動形式進行矩形頂管機的設計研發，并已有相應產品完成了加工制造[3]。

3 結束語

盾構與頂管機設計中，相比采用小刀盤式、組合刀盤式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復合輪系傳動，切削與傳動機構承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標準的正方形，與要掘進斷面大小重合，整機掘進能力較強；采用偏心曲軸行星齒輪傳動設計的頂管機，切削及傳動機構結構簡單，傳動可靠，切削斷面與要掘進斷面大小重合，同等地質條件下掘進能力較強。

參考文獻

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機的研究和設計[J].市政技術，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構掘進機技術（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠.大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾構與頂管機施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構和頂管機的研究與應用對于工程施工有著重要的意義。文章針對與切削截面形狀起決定作用的刀盤切削形式為切入點，在介紹現有盾構和頂管機切削形式的基礎上，通過研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應用，進行了該原理在矩形盾構與頂管機上的應用與研究。

關鍵詞：盾構與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網工程中，盾構機和頂管機已得到了廣泛的應用。隧道斷面由盾構機與頂管機自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應用最為經濟。因此，矩形盾構機和頂管機的研究與應用有著重要的實際意義[1]。

1 矩形盾構與頂管機常用切削形式[1]

刀盤切削形式的設計是矩形盾構與頂管機設計的主要難點。圓形斷面的盾構與頂管機，刀盤的切屑形式基本上是一中心旋轉大刀盤。相比來說，矩形斷面的切削則遠遠復雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤式：切削面積大概可達到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無法滿足使用要求。

（2）組合刀盤式：傳動系統比較復雜，長距離掘進時惡劣的工作環境將對其可靠性產生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結構簡單，傳動可靠，可實現對任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優勢明顯，為優選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構與頂管機的應用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內齒圈1轉動，二者中心距記為？著0。點A為行星齒輪2上一任意點，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內齒圈1圓心o做公轉運動的同時，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉運動。若行星輪2以一定的轉速v公繞圓心o公轉，同時以1/3倍于公轉速度的轉速 v自繞圓心o'做反方向自轉（即：v自=-1/3v公），則點A的運動軌跡為以圓心o為中心，邊長為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構與頂管機的應用研究

2.2.1 在切削機構設計中的應用

設計刀盤切削機構如圖2所示。切削機構分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設計為3根輻條的中心回轉支承形式（回轉中心 ），每根輻條長度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構和頂管機主體中心點o有一偏心量ε的位置。盾構和頂管機主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨立的驅動裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉方向相反的方向旋轉，且速度為切削器旋轉速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長為L的正方形，并與頂管機端面輪廓（邊長為L的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長L滿足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長L一定時，通過改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應變化，進而得到任意的形狀，甚至當ε=0時，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅動方式設計

按照盧勞三角形原理設計的刀盤切削機構可以實現正方形斷面的掘進。為了滿足切削機構中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉方向與偏心裝置轉向相反，轉速是偏心裝置轉速的1/3倍，可將切削機構驅動方式設計為復合輪系傳動或偏心曲軸行星齒輪傳動兩種形式。

（1）復合輪系傳動

圖3 復合輪系傳動

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數比相等，行星齒輪z7自轉轉速是z3、z4轉速的1/3倍，兩者轉速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤軸穿過兩圓孔，并可相互自由轉動，刀盤軸固定在z7中心。該傳動方式結構簡單可靠，切削機構可承受較大偏心矩，可勝任地質條件相對較為惡劣的掘進工況。上世紀80年代日本開發的矩形隧道掘進機有很多采用了該傳動形式，并在實際施工中得到了應用，取得了不錯的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動

如圖4所示，偏心軸輸入端與內齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤由三根長度為L/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤自轉轉速為其繞內齒圈軸線公轉速度的1/3倍，且兩者轉向相反，L與ε滿足盧勞三角形原理，切削機構的切削斷面為正方形。動力通過偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤，完成斷面掘進工作。結構簡單，工作可靠，在地質條件較好的底層中可以得到很好的應用。近幾年來，我國矩形頂管機得到了較大的發展，國內一些公司已開始采用該傳動形式進行矩形頂管機的設計研發，并已有相應產品完成了加工制造[3]。

3 結束語

盾構與頂管機設計中，相比采用小刀盤式、組合刀盤式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復合輪系傳動，切削與傳動機構承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標準的正方形，與要掘進斷面大小重合，整機掘進能力較強；采用偏心曲軸行星齒輪傳動設計的頂管機，切削及傳動機構結構簡單，傳動可靠，切削斷面與要掘進斷面大小重合，同等地質條件下掘進能力較強。

參考文獻

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機的研究和設計[J].市政技術，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構掘進機技術（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠.大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾構與頂管機施工中，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上。因此，矩形盾構和頂管機的研究與應用對于工程施工有著重要的意義。文章針對與切削截面形狀起決定作用的刀盤切削形式為切入點，在介紹現有盾構和頂管機切削形式的基礎上，通過研究盧勞三角形原理在切削方孔中的應用，進行了該原理在矩形盾構與頂管機上的應用與研究。

關鍵詞：盾構與頂管；矩形斷面；盧勞三角形；切削形式

目前，公路、地鐵、熱力、電力及排水等城市隧道管網工程中，盾構機和頂管機已得到了廣泛的應用。隧道斷面由盾構機與頂管機自身截面形狀決定，一般可分為圓形斷面和矩形斷面。通常情況下，矩形斷面有效使用面積比圓形斷面大20%以上，在諸如綜合管廊、電纜溝和人行通道等城市市政隧道工程中的應用最為經濟。因此，矩形盾構機和頂管機的研究與應用有著重要的實際意義[1]。

1 矩形盾構與頂管機常用切削形式[1]

刀盤切削形式的設計是矩形盾構與頂管機設計的主要難點。圓形斷面的盾構與頂管機，刀盤的切屑形式基本上是一中心旋轉大刀盤。相比來說，矩形斷面的切削則遠遠復雜的多。目前，常用矩形斷面切削主要有如下幾種形式：

（1）小刀盤式：切削面積大概可達到矩形斷面面積總體的60%～70%，僅能用于一般土層條件，較惡劣地層條件下無法滿足使用要求。

（2）組合刀盤式：傳動系統比較復雜，長距離掘進時惡劣的工作環境將對其可靠性產生制約，且僅能用于正方形斷面。

（3）多偏心軸式：結構簡單，傳動可靠，可實現對任意形狀斷面的切削。相比其他方式，其優勢明顯，為優選方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾構與頂管機的應用

2.1 新型方孔加工原理

如圖1所示，齒輪1為內齒圈，齒輪2為行星齒輪，行星齒輪2繞定軸內齒圈1轉動，二者中心距記為？著0。點A為行星齒輪2上一任意點，距圓心o'的距離記為ra，隨行星齒輪2繞內齒圈1圓心o做公轉運動的同時，自身亦繞行星齒輪2圓心O'做自轉運動。若行星輪2以一定的轉速v公繞圓心o公轉，同時以1/3倍于公轉速度的轉速 v自繞圓心o'做反方向自轉（即：v自=-1/3v公），則點A的運動軌跡為以圓心o為中心，邊長為2（ra-？著0）的正方形。

2.2 在矩形盾構與頂管機的應用研究

2.2.1 在切削機構設計中的應用

設計刀盤切削機構如圖2所示。切削機構分為切削器裝置和偏心裝置兩部分。切削器裝置設計為3根輻條的中心回轉支承形式（回轉中心 ），每根輻條長度為r，切削器裝置整體安裝在與盾構和頂管機主體中心點o有一偏心量ε的位置。盾構和頂管機主體與切削器裝置整體共同組成偏心裝置。切削器裝置和偏心裝置各自具有獨立的驅動裝置，其中，偏心裝置按照切削器裝置旋轉方向相反的方向旋轉，且速度為切削器旋轉速度的3倍。則，切削器裝置的切削斷面是一邊長為L的正方形，并與頂管機端面輪廓（邊長為L的正方形）重合。偏心距ε與正方形邊長L滿足盧勞三角形理論公式[2]：

其中，L記為盧勞三角形一邊邊長，？著0記為盧勞三角形偏心量。

若正方形邊長L一定時，通過改變偏心量ε的大小，切削器切削斷面將按照海星形作相應變化，進而得到任意的形狀，甚至當ε=0時，切削斷面形狀為圓形。

2.2.2 驅動方式設計

按照盧勞三角形原理設計的刀盤切削機構可以實現正方形斷面的掘進。為了滿足切削機構中，偏心裝置偏心量為ε，切削器裝置旋轉方向與偏心裝置轉向相反，轉速是偏心裝置轉速的1/3倍，可將切削機構驅動方式設計為復合輪系傳動或偏心曲軸行星齒輪傳動兩種形式。

（1）復合輪系傳動

圖3 復合輪系傳動

如圖3所示，齒輪z1、z2、z3、z4、z5、z6為定軸齒輪，z1與z3、z2與z4的齒數比相等，行星齒輪z7自轉轉速是z3、z4轉速的1/3倍，兩者轉速相反，z3、z4上各有一偏心距為ε的圓孔，刀盤軸穿過兩圓孔，并可相互自由轉動，刀盤軸固定在z7中心。該傳動方式結構簡單可靠，切削機構可承受較大偏心矩，可勝任地質條件相對較為惡劣的掘進工況。上世紀80年代日本開發的矩形隧道掘進機有很多采用了該傳動形式，并在實際施工中得到了應用，取得了不錯的效果[3]。

（2）偏心曲軸行星齒輪傳動

圖4 偏心曲軸行星齒輪傳動

如圖4所示，偏心軸輸入端與內齒圈同心，行星齒輪與輸出端相連，輸入端與輸出端軸線距離記為偏心量ε，刀盤由三根長度為L/2+ε的均布輻條組成，切削刀盤自轉轉速為其繞內齒圈軸線公轉速度的1/3倍，且兩者轉向相反，L與ε滿足盧勞三角形原理，切削機構的切削斷面為正方形。動力通過偏心曲軸輸出端傳遞到切削刀盤，完成斷面掘進工作。結構簡單，工作可靠，在地質條件較好的底層中可以得到很好的應用。近幾年來，我國矩形頂管機得到了較大的發展，國內一些公司已開始采用該傳動形式進行矩形頂管機的設計研發，并已有相應產品完成了加工制造[3]。

3 結束語

盾構與頂管機設計中，相比采用小刀盤式、組合刀盤式、多偏心軸式三種矩形斷面切削方式的，按照盧勞三角形原理，采用復合輪系傳動，切削與傳動機構承載能力較高，切削斷面除了四角處有小段圓弧外，整體上為接近標準的正方形，與要掘進斷面大小重合，整機掘進能力較強；采用偏心曲軸行星齒輪傳動設計的頂管機，切削及傳動機構結構簡單，傳動可靠，切削斷面與要掘進斷面大小重合，同等地質條件下掘進能力較強。

參考文獻

[1]劉平，戴燕超，等.矩形頂管機的研究和設計[J].市政技術，2005，23（2）：92-95.

[2]多樣化盾構掘進機技術（連載講座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊誠.大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint