XTR6/260隧道掘進機穩定性設計計算*

張 楠

(徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

根據目前國內山體隧道市場的需求，徐州徐工基礎工程機械有限公司自主開發了XTR6/260懸臂式隧道掘進機來滿足市場需求，XTR6/260懸臂式隧道掘進機可廣泛用于地鐵、礦山、水利等中等斷面隧道工程，主要針對較堅硬巖施工。為確保該機工作具有較高的穩定性，筆者根據力學理論進行了穩定性設計計算，得出最小穩定系數值，結果表明該懸臂式隧道掘進機工作具有較高的穩定性。

1 設計計算相關參數

(1) 整機質量 XTR6/260懸臂式隧道掘進機整機重90 t。

(2) 質心的確定 為便于分析計算，設定直角坐標系如下：設掘進機的回轉中心線與地面的交點為原點，掘進機的縱向對稱中心線為X軸，正方向指向正前方，回轉中心線為Y軸，正方向向上，左右方向為Z軸，機身右側為正方向。如圖1所示。

圖1 質心位置圖

通過計算，得出不同狀態下的整機質心如表1所列。

表1 XTR6/260掘進機各狀態質心位置 /mm

2 不同工況下穩定性的計算

本文主要計算XTR6/260隧道掘進機在行走爬坡和截割工況下載荷固定時的穩定性。

2.1 行走爬坡工況時的穩定性設計計算

(1) 極限傾翻角[1]

XTR6/260掘進機在上坡、下坡、橫向傾斜停留及行走時(如圖2～4所示)的極限傾翻角由下式確定：

α1=arctg (a/h)

(1)

α2=arctg (b/h)

(2)

α3=arctg (e/h)

(3)

式中：α1為上山極限傾翻角；α2為下山極限傾翻角；α3為橫向極限傾翻角；a為質心到履帶后輪中心線距離；b為質心到履帶前輪中心線距離；e為質心到履帶最邊緣距離；h為質心到地面的高度。

XTR6/260掘進機各參數值分別代入式(1)～(3)得：

α1=61°，α2=51.18°，α3=44°

圖2 上坡時的極限傾翻角

圖3 下坡時的極限傾翻角

圖4 橫向傾斜停留及行走時的極限傾翻角

(2) 下坡打滑時臨界坡度角

XTR6/260掘進機下坡發生傾翻之前，如果履帶與隧道底板附著力不足，則可能導致機器下滑或側滑。履帶板與隧道底板附著力為[2]：

F1=uGcosα

(4)

式中：F1為履帶與隧道底板附著力 kN；G為掘進機重力 kN；α為隧道坡度角。

使機器產生下滑力F2是與底板平行的重力分量[2]：

F2=Gsinα

(5)

式中：u為履帶板與隧道底板附著系數。

若F1=F2，則可求得下滑臨界坡角，即uGcosα=Gsinα，即α=arctgu。

如果取u=0.4[4]，則得α=21.8°

即當α≤21.8°時機器不致傾翻，為穩定狀態。

XTR6/260懸臂式隧道掘進機設計時適用隧道坡度定為±18°，從以上分析可以得出，該機在該范圍內工作時，不會發生傾翻和下滑，具有較高的穩定性。

2.2 截割工況的穩定性設計計算

截割時按回轉臂和履帶推進機構在截割頭上產生的力分析XTR6/260掘進機的穩定性。

2.2.1 縱向截割(上下截割)穩定性

當截割頭縱向截割(上下截割)時，受力如圖5所示。

圖5 縱向截割受力圖

截割頭向上截割時的極限傾翻力矩：

MF1=Ra2·d

(6)

XTR6/260掘進機自重產生的穩定力矩：

M1=G(b+c)

(7)

穩定系數[1]：

(8)

截割頭向下截割時的極限傾翻力矩：

MF2=Ra1(a+b+c+d)

(9)

XTR6/260掘進機自重產生的穩定力矩：

M2=G·a

(10)

穩定系數[1]：

(11)

式中：Ra1、Ra2為巖土對截割頭反作用力；G為整機重力；a為整機質心到履帶驅動輪中心距離；b為整機質心至履帶導向輪中心距離；c為履帶前軸中心線到推板前緣的距離；d為推板前緣至截割頭載荷中心的水平距離。

(1) 切割頭向下切割幾種工況下的穩定性計算結果如下：

① 中間水平，向下切割

K2=1.2

此種工況使用后支腿輔助支承

K2=2.02

② 左(右)側水平，向下切割

K2=1.26

此種工況使用后支腿輔助支承

K2=2.02

③ 左(右)側最上位置，向下切割

K2=2.39

④ 中間最上位置，向下切割

K2=2.24

⑤ 中間最下位置時，向下切割(向下切割到最下臨界位置)

K2=1.64

⑥ 左(右)側最下位置時，向下切割(向下切割到最下臨界位置)

K2=1.73

各種工況下最小穩定系數為：K1=1.2<1.25(掘進機CE標準要求最小穩定系數)。

所以向下切割情況下需要后支腿輔助支承，能保證機器穩定。

(2) 切割頭向上切割幾種工況下的穩定性計算結果如下：

① 中間水平，向上切割

K1=17.87

② 左(右)側水平，向上切割

K1=31.6

③ 中間最下位置時，向上切割

K1=35.11

④ 左(右)側最下位置時，向上切割

K1=75.1

⑤ 中間最上位置時，向上切割(向上切割到最上臨界位置)

K1=206.3

⑥ 左(右)側最上位置時，向上切割(向上切割到最上臨界位置)

K1=106

各種工況下最小穩定系數為:K1=17.87?1，所以向上切割情況下機器穩定。

2.2.2 橫向穩定性計算(切割頭在左、右側上下切割時)

傾翻力矩：Mp=Rb·f

(13)

穩定力矩：M3=G·e

(14)

穩定系數：K3=M3/Mp

(15)

式中：Rb為切割頭切割時所受的最大阻力；G為整機重力；e為整機質心到履帶支重輪外邊緣距離；f為切割頭最外緣到履帶支重輪外邊緣距離。

各狀態計算結果如下：

(1) 左(右)側水平位置，向下切割受力如圖6所示，K3=1.43。

圖6 橫向水平截割受力圖

(2) 左(右)側最上位置，向下切割受力如圖7所示，K3=2.74。

圖7 橫向側向下截割受力圖

左、右側向下切割工況最小穩定系數：K3=1.43>1.25，所以左、右側向下切割情況下機器橫向穩定。

(3) 左(右)側水平位置，向上切割受力如圖8所示，K3=2.47。

圖8 橫向側向上截割受力圖

(4) 左(右)側向上切割到最上極限位置受力如圖9所示，K3=4.72。

左、右側向上切割工況最小穩定系數為：K3=2.47>1.25，所以左、右側向上切割情況下機器橫向穩定。

圖9 橫向側最上截割受力圖

2.2.3 軸向鉆進

軸向鉆進受力圖如圖10所示。

圖10 軸向鉆進受力圖

極限力矩為：Mf3=Rc·h

穩定力矩為：M4=G×a

式中:h為切割頭中心至履帶板底平面的距離；Rc為阻力，等于G×u；u為履帶與地面的附著系數，取u=0.5；a為整機質心到履帶驅動輪中心距離。

穩定系數為:K=M4/Mf3=1.75>1

當K>1時，機器穩定；當K<1時，掘進機傾翻；當K=1時，掘進機處于將要傾翻而又未傾翻的臨界狀態[3]。令K=1.75>1，因此軸向鉆進時機器穩定。

通過以上計算可知，XTR6/260隧道掘進機在隧道施工時施工坡度不可大于21.8°；在切割頭向下切割時，若不采用后支腿輔助支承，機身有翻轉的危險，因此在產品操作說明書及技術文件中，明確指出：XTR6/260隧道掘進機施工坡度為±18°，掘進截割時必須將后支腿落下穩定機身。

3 結 語

通過以上計算，XTR6/260懸臂式隧道掘進機整機具有較高的穩定性，將鏟板與后支撐著地，還可進一步增加整機工作的穩定性。通過在重慶唐家沱地鐵隧道90 MPa砂巖地層的使用，有效檢驗了整機工作時的穩定性。