3.3　全断面岩石掘进机

3.3.1　ϕ5.8m全断面岩石掘进机简介

目前地下隧洞施工主要分为人工钻爆（简称DBM）和全断面掘进机（简称TBM）施工两种方式。TBM施工具有自动化程度高、掘进速度快、劳动环境好、无超挖、对围岩扰动小等特点，是先进的大型地下工程施工成套技术装备，受到世界各主要工业国家的高度重视。

我国自1985年以来，先后研制了19台全断面岩石掘进机，直径从ϕ2.5～ϕ6.8m，取得一定业绩，但远不能满足经济快速发展的需求，有待于进一步研制与开发。现以我国自行研制的ϕ5.8m全断面岩石掘进机为例，介绍其主要技术参数及主要部件的结构性能。

3.3.1.1　主要技术参数

ϕ5.8m全断面岩石掘进机主要技术参数见表3-3。

3.3.1.2　主要部件的结构与特点

（1）刀盘　刀盘包括刀盘内圈、铲斗、大轴承、刀具等部分（见图3-22）。

①刀具　为了提高刀具的承载能力和耐磨性，采用大刀圈、优质材料及合理的结构，增强刀座强度。此外，正刀和中心刀刀座采用埋入式保护，工作面形状为平面圆弧过渡，刀具布置为双螺旋线对称型，因而刀盘受力平衡。

a.正滚刀　结构为定轴单刃盘形滚刀，刀圈直径ϕ400mm，材料用基体钢或耐磨合金钢，轴承型号7620，金属浮动密封。

b.中心刀　结构为定轴双刃盘形滚刀，刀圈直径ϕ310mm，轴承型号7616，其余类似正滚刀。

c.边滚刀　采用不对称轴承结构的定轴单刃盘形滚刀，其余类似于正滚刀。

②大轴承和大密封

a.大轴承　为了提高轴承的承载能力，由轴承厂专门研制了378/1600型大锥角双排圆锥滚子轴承，额定寿命为5000h。

b.大密封　为防止泥浆进入大齿圈和大轴承，采用多道密封；并设计了充气密封，以提高密封效果，防止油液外泄，减少橡胶密封的磨损。其中橡胶密封专门研制。

（2）刀盘支承装置（图3-23）　刀盘支承装置由支承壳体、前支承、侧支承、护盾及挡尘板等组成。

①采用大包角的护盾和侧支承，加上前支承，这就在横断面上将整个隧洞的85%以上都支护起来，从而大大提高了机器的安全性和稳定性。

②各种支承面积大，易于通过破碎和松软地带，洞壁有窟窿和台阶时，也不会嵌入和拉坏，且挡碴性能好，可大大减少工作区域的漏碴。

③挡尘板外缘的车胎式橡胶密封，同护盾和侧支承的内壁接触，无相对摩擦，提高了寿命。我们在两个工地施工过程中均未更换过。

（3）传动系统　传动系统由4台150kW电动机通过联轴器、两级行星齿轮减速器和末级齿轮驱动大齿圈，带动刀盘回转。此外，机器上还装有一套刀盘液压启动装置。

①两级行星齿轮减速器　2K-H（NGW）型，采用中心轮浮动实现均载，传动比i=28.6，输出轴转速为51.6r/min。

②刀盘液压启动装置　采用油马达、超越离合器带动刀盘慢速转动，然后启动刀盘电机，从而缩短了启动的持续时间。当刀盘需要准确定位时，无需开动电机，只要点动油马达便可。该装置可以减少对电机、电器和传动系统的启动冲击，提高了元件的使用寿命。

（4）机架和机尾　支承水平框架的机架由上下大梁和前后立柱组成空间框架，经与上海交通大学协作，运用有限元法通过电子计算机分析计算，具有足够的强度和刚性，机尾与机架采用精配螺柱联接，以安置机房。

（5）除尘系统　设置旋风水膜除尘器和轴流通风机，将经过粉尘离析的空气送出洞外；同时，另有一路进风管路，将新鲜空气送到机器旁边，保证操作人员的环境卫生。

（6）液压系统（见图3-24）

①供油　由63CY14-1B型轴向柱塞变量泵，供掘进机各工作装置正常操作所需的压力油，另一只轴向柱塞变量泵供油缸快速移动和刀盘启动用的压力油，齿轮泵供给轴向柱塞泵和电液换向阀控制用压力油。

②操作系统　由电液换向阀控制各路油液动作，并对水平支撑缸、推进缸及后支承和刀盘之间实行电气联锁，避免因误操作带来机器事故。

（7）润滑系统　机器的润滑包括稀油和干油润滑两部分，大轴承和齿轮箱采用稀油润滑，大轴承还采用气动密封，由低压的油雾气充入橡胶密封唇口处，增加密封效果。大轴承润滑还有供油指示，润滑油失压，指示灯亮。支承壳体密封、大齿圈密封和导轨滑动面等由多点干油泵供应干油润滑。

（8）电气系统

①采用6kV高压电源，用UG-kV（3×25+1×16）橡套移动软电缆联接。

②洞口变电所用GG-1A高压开关柜和高压量电柜控制。机器上高压开关用ZN-6/600A真空接触器控制。

③机器主变压器JS-800kV·A，6/0.4～0.23kV；0.4kV低压总开关用DW10-1500/3自动空气开关；控制电源为交流220V。

④刀盘先由液压马达启动到刀盘规定转速1r/min时，再启动刀盘电机。

⑤机器装有电气测量及联锁、保护等装置。

（9）激光导向　激光发射装置采用J2-JD激光经纬仪，安装在机后洞壁上。该仪器分度盘精度高，移动位置后找正方便。机器上装有固定的前靶和后靶，根据激光束在两靶上位置的差别，判断机器方位的偏差。为防止仪器位置变动，引起方位指示差，在仪器与机器之间的洞壁上装有校正靶。

（10）机器方位调整

①掘进坡度调整　用前支承油缸伸缩调节，或在调换行程时利用后支承调节。

②水平方位调整　可利用推进缸节流，或水平缸浮动微调，也可利用左右侧支承的伸缩调整。

3.3.1.3　常用的传动装置（见图3-25～图3-27）

3.3.2　隧洞掘进机用行星齿轮减速器

国内外隧道开挖，石方开挖中用全断面硬岩掘进机，土方开挖中用顶管或盾构掘进机。其中主传动所用的传动型式大多为渐开线行星齿轮传动。由于行星齿轮传动采用功率分流，由数个行星轮承担载荷，采用合理的内啮合传动。与定轴传动相比，具有体积小、质量轻、承载能力大和效率高之优点。但在井下施工中，目前用的通用行星齿轮减速器仍感到体积和质量较大，不便于现场安装与维护，于是便设计出一种新型结构的行星齿轮减速器，即悬浮均载行星齿轮减速器。图3-28为2K-H型双级行星减速器。高速级采用行星架浮动，低速级采用太阳轮和杠杆联动机构浮动，该减速器用于梭式矿车。

3.3.2.1　传动原理与组成

悬浮均载行星齿轮减速器见图3-29。

①传动原理　采用2K-H（NGW）型负号机构的行星齿轮传动，当高速轴由电动机驱动时，便带动太阳轮回转，于是带动行星轮转动，由于内齿圈固定不动，便驱动行星架作输出运动，行星轮在行星架上既作自转又作公转的行星传动，就以此同样的结构组成两级、三级或多级的串联行星齿轮传动。

②组成　由太阳轮Za、行星轮Zg、内齿圈Zb和行星架H所组成。以啮合方式命名为NGW型（其中N—内啮合、G—公用齿轮、W—外啮合）。以基本构件命名，即为2K—H型行星齿轮传动。所谓基本构件，在行星齿轮传动的各构件中，凡是轴线与定轴线重合，且承受外力矩的构件称为基本构件。因此传动是由两个中心轮2K和行星架H等三个基本构件组成，因而称为2K-H型行星齿轮传动。

3.3.2.2　主要特点

主要技术参数见表3-4，外形及安装尺寸见表3-5。

①将前一级的行星架与后一级的太阳轮联成一体，无径向支承，呈悬浮状态，减少支承、简化结构、减少连接环节，并以行星架和太阳轮联合浮动，均载效果好，载荷不均衡系数K_p≤1.15。

②采用组合式焊接行星架，连接板、连接柱采用Q235A，而带太阳轮部分，则采用低合金钢，用无氧化渗碳淬火。简化结构、简化工艺、减轻质量。

③为了进一步简化结构，同时为满足等直径、等强度之要求，将末级内齿圈与前一级内齿圈做成一体，采用同一模数，简化工艺与加工要求，减少连接环节与零件。并以采用不同的行星轮个数n_p（n_p=3、4、5等）和不同的齿宽b，以实现等强度之要求。

④单位质量的承载能力为60～80kN·m/t，个别可达100kN·m/t，而国内以往设计的行星齿轮传动仅为20～30kN·m/t。

⑤传动平稳、可靠、噪声低和效率高，单级传动效率η=0.98，两级为η=0.96，三级为η=0.94。

⑥太阳轮、行星轮采用优质低合金钢，经无氧化渗碳淬火，齿面硬度为55～58HRC，采用精湛的工艺手段，使齿轮达到较高的精度。内齿圈用42CrMo。经调质处理，均能达到较高的精度。

3.3.2.3　减速器的润滑

油浴润滑的油量加至油标所示的位置，对于平行轴传动的减速器油量按中间级大齿轮浸油2～3个全齿高计算。

循环润滑的油量一般不少于0.5L/kW，或按热平衡、胶合强度计算。

润滑油的牌号（黏度）按高速级齿轮的圆周速度V或润滑方式选择。

当V＜2.5m/s、或当环境温度在35°～50°之间时，选用中极压齿轮油L-CKC320（或VG320、Mobil632）。

当V＞2.5m/s或采用循环润滑时，选用中极压齿轮油L-CKC220（或VG220、Mobil 630）。