異型斷面掘進(jìn)機(jī)球型鉸接結(jié)構(gòu)試驗裝置研究

袁瑋皓（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

目前，異型斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在城市的施工過程中會受到已有建筑物、管線以及設(shè)計規(guī)劃的制約，需要進(jìn)行較小轉(zhuǎn)彎半徑的掘進(jìn)施工。另外，相對于圓形常規(guī)掘進(jìn)設(shè)備，異形斷面掘進(jìn)機(jī)由于被切削的土層土質(zhì)條件比較復(fù)雜，殼體各個部分受到的土壓力不一致，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)的實際掘機(jī)方向會與原設(shè)計的中心線有偏差。為了減小偏差，提高工程質(zhì)量，異形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)就更需要鉸接裝置進(jìn)行糾偏轉(zhuǎn)向。

1 現(xiàn)有技術(shù)調(diào)查研究

搜索論文及專利，調(diào)研現(xiàn)有的鉸接裝置，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)圓形盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置普遍采用 2 種方法，即被動鉸接和主動鉸接。被動鉸接是依靠外力使鉸接油缸伸縮，從而使盾構(gòu)前體和盾構(gòu)后體形成夾角，推進(jìn)油缸用一組擺動軸承固定在盾構(gòu)前體，另一端頂在管壁上，推進(jìn)油缸作用在盾構(gòu)前體。主動鉸接是直接使用鉸接油缸的主動伸縮使盾構(gòu)前體和盾構(gòu)后體形成夾角，盾構(gòu)的推進(jìn)油缸固定在盾構(gòu)后體。見圖 1、圖 2。

圖1 被動鉸接結(jié)構(gòu)

圖2 主動鉸接結(jié)構(gòu)

主動鉸接和被動鉸接兩種鉸接方式中的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)見圖 3，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，主動鉸接和被動鉸接的結(jié)構(gòu)密封方式基本相同。在鉸接密封結(jié)構(gòu)中，盾構(gòu)前體殼體直徑略大于盾構(gòu)后體殼體直徑，盾構(gòu)前體殼體套在后體殼體外，依靠密封圈、緊急充氣密封圈以及注入油脂來進(jìn)行殼體間的密封。這樣的密封方式，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏或轉(zhuǎn)向使用鉸接裝置時，其整個密封圈的壓密量不是恒定的，固然需要緊急充氣密封圈和油脂來加強(qiáng)密封能力[1-2]。

圖3 主動鉸接與被動鉸接密封結(jié)構(gòu)

對國內(nèi)現(xiàn)有的類矩形盾構(gòu)中鉸接裝置進(jìn)行了研究，其主要鉸接形式、鉸接密封形式和圓形盾構(gòu)機(jī)的基本相同。圓形盾構(gòu)機(jī)前體和后體發(fā)生鉸接轉(zhuǎn)動時，殼體間密封圈的壓密量雖然不恒定，但由于圓形殼體曲率相同，其擠壓變形的趨勢是可以預(yù)測的。而類矩形盾構(gòu)殼體是不同曲率的，所以殼體之間密封圈的壓密量以及擠壓變形的趨勢是很難預(yù)測的，因而其鉸接轉(zhuǎn)動角度不宜太大；另外還增加了可調(diào)式鉸接密封裝置，進(jìn)一步加強(qiáng)了其鉸接轉(zhuǎn)動過程中的密封性能[3]。

2 研究設(shè)計方向

根據(jù)上述調(diào)查研究，傳統(tǒng)的鉸接結(jié)構(gòu)形式用于異型斷面掘進(jìn)機(jī)上，不具有通用性、大角度轉(zhuǎn)動以及密封安全等性能。而異形斷面掘進(jìn)機(jī)鉸接裝置需要具備這 3 方面的性能，具體如下所示。

(1) 通用性，適用于不同異型斷面的鉸接要求。

(2) 大角度的鉸接轉(zhuǎn)動。

(3) 可靠的密封安全性能。

根據(jù)上述的要求，研究設(shè)計了球型鉸接結(jié)構(gòu)，見圖 4。鉸接油缸分別連接前殼體和后殼體，而通過前球面殼體和后球面殼體球面接觸進(jìn)行定位配合，前球面殼體和后球面殼體之間安裝有密封圈。

圖4 球型鉸接結(jié)構(gòu)

球型鉸接結(jié)構(gòu)相對原有主動鉸接與被動鉸接結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。

(1) 結(jié)構(gòu)簡單，通過球面接觸進(jìn)行定位配合，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的異形斷面掘進(jìn)機(jī)。

(2) 鉸接能力較強(qiáng)，通過球面接觸，其接觸面積較大，并不會發(fā)生殼體之間擠壓的情況，能進(jìn)行大角度的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動中方向易于控制。

(3) 其結(jié)構(gòu)通過球面接觸，鉸接密封圈的壓縮量是恒定的。密封效果穩(wěn)定，具有可靠的安全性能。

球型鉸接這種結(jié)構(gòu)形式的鉸接裝置在國內(nèi)還未被應(yīng)用過，為了檢驗其各項性能，固然有必要設(shè)計一套試驗裝置。

3 試驗裝置的設(shè)計

通過對球型鉸接結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計了 1.0 m×1.3 m 的異形斷面球型鉸接試驗裝置，具體見圖 5，用以驗證球型鉸接結(jié)構(gòu)的性能。其性能參數(shù)如下所示。

(1) 鉸接轉(zhuǎn)動能力：各方向 0～5°。

(2) 前后殼體回轉(zhuǎn)能力（包括止轉(zhuǎn)）：0～2°。

(3) 密封能力：0～1.2 MPa。

(4) 模擬掘進(jìn)機(jī)推力：0～100 t。

圖5 球型鉸接試驗裝置三維效果圖

試驗裝置由前殼體和后殼體通過前球面殼體和后球面殼體球面接觸進(jìn)行定位配合，具體見圖 6。4 組鉸接油缸的兩端分別連接前殼體和后殼體提供鉸接轉(zhuǎn)動的動力。在前殼體和后殼體中間增加了一組夾緊裝置。其貫穿了整個試驗裝置，用以模擬掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力作用在鉸接裝置的夾緊力。

圖6 球型鉸接試驗裝置剖面圖

在前球面殼體上設(shè)置了 2 組密封圈安裝槽，用于安裝、測試不同形式的密封圈。2 組密封圈安裝槽的形式不同，外圈密封圈安裝槽根據(jù)異型斷面在球面上的投影加工而成，其槽體的中心線是 1 條三維曲線。外圈密封圈安裝槽是圓形的。在 2 組密封圈之間、前殼體腔內(nèi)的后球殼體面形成 1 個密閉的可加壓水腔。加壓水腔可以模擬掘進(jìn)機(jī)在一定地下水壓力下，測量鉸接轉(zhuǎn)動過程中的密封安全性能。見圖 7、圖 8。

圖7 前球面殼體

圖8 地下水壓模擬試驗涉及的裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

對異型斷面球型鉸接試驗裝置進(jìn)行了試驗測試，其鉸接轉(zhuǎn)動性能以及密封安全性能均能夠達(dá)到設(shè)計預(yù)期。由于其球面接觸配合的結(jié)構(gòu)特點，其鉸接轉(zhuǎn)動性能以及密封安全性能相對現(xiàn)有的鉸接裝置具有一定的優(yōu)勢。但加工整個試驗裝置，尤其是加工異型斷面的球面殼體，有一定的技術(shù)難度，且加工成本略高。在后面的研究中，會對異型斷面球型鉸接裝置的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。尤其是會注重大尺寸異型斷面掘進(jìn)機(jī)鉸接裝置的生產(chǎn)，那將使得球型鉸接的殼體加工更具有可操作性，其安裝方式更加簡易便捷，提高球型鉸接裝置在大尺寸異型斷面掘進(jìn)機(jī)中的利用率。