[發明專利]一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置

有效

• 申請號: 201710575287.4
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107448206B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 徐尤南;劉辛軍;徐濟宇
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: E21D9/06
• 分類號: E21D9/06
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所 36122
• 代理人: 姚伯川

1.一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置，其特征在于，所述裝置包括主支撐器、副支撐器和負載均衡器；所述主支撐器、負載均衡器與副支撐器依次串聯而成混聯式裝置，其拓撲構型隨主支撐器與副支撐器的加載或卸載動作而改變；

所述主支撐器為三足并聯裝置，以主支撐器中心支架為固定平臺，其3個主支撐腿可帶動主撐靴作伸縮運動，并留有與推進器相連接的推進器關節支座；所述副支撐器為三足并聯裝置，以副支撐器中心支架為固定平臺，其3個副支撐腿可帶動副撐靴作伸縮運動；所述負載均衡器為六足并聯裝置，由6組液壓缸組成，每組液壓缸又由一至三個負載均衡缸組成，每個負載均衡缸可伸縮運動，其左側與主支撐器用負載均衡缸左關節連接，其右側與副支撐器用負載均衡缸右關節連接；所述的負載均衡缸左關節和負載均衡缸右關節為球形鉸鏈或萬向鉸鏈連接；所述的推進器關節支座為球形鉸或萬向鉸支座。

2.根據權利要求1所述的一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置，其特征在于，所述主支撐器包括主支撐器中心支架、主支撐腿和推進器關節支座；所述的主支撐腿包括主支撐缸和主撐靴；所述副支撐器包括副支撐器中心支架、副支撐腿；所述的副支撐腿包括副支撐缸和副撐靴；所述主支撐器中心支架為六邊形結構，角度相距120°的支架邊上分別安裝3個主支撐腿；外部推進缸與主支撐器將通過主撐靴上圓弧內側的推進器關節支座相連接；所述副支撐器中心支架也為六邊形結構，角度相距120°的支架邊上分別安裝3個副支撐腿；所述負載均衡器包括負載均衡缸總成、驅動模式重構閥和電磁鐵；負載均衡缸總成包括負載均衡缸、負載均衡缸左關節、負載均衡缸右關節、負載均衡缸進油口和負載均衡缸回油口。

3.根據權利要求1所述的一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置，其特征在于，所述裝置對缺陷支撐面的避讓方法為：

先給定主支撐器的軸向位置，將其切換至支撐狀態，將副支撐器切換至非支撐狀態，并以主支撐器為固定平臺，以副支撐器為活動平臺，以負載均衡缸作為驅動件，構成六足并聯裝置，負載均衡缸伸出或縮回，可調節副支撐器的軸向位置，便可在一個行程范圍內避開有缺陷的支撐面。

4.根據權利要求1所述的一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置，其特征在于，所述裝置的負載均衡方法如下：

先給定主支撐器及副支撐器的軸向位置，將兩者切換至并行支撐狀態，主支撐器及副支撐器均固定不動，此時負載均衡缸不作宏觀運動，但可加載或卸載，負載均衡缸推力大小即為副支撐器所分擔的推進力大小，調節負載均衡缸推力大小，即可調節主支撐器與副支撐器各自分擔的推進力大小；

每個負載均衡缸設置1個驅動模式重構閥，所述驅動模式重構閥由電磁鐵驅動工作，驅動模式重構閥為兩位三通電磁閥，其進口端第一個接口連接負載均衡缸進油口和總進油口，其進口端第二個接口連接總回油口，其出口端連接負載均衡缸回油口；如若電磁鐵得電，負載均衡缸回油口與負載均衡缸進油口連通，負載均衡缸將工作于差動驅動方式，其結構剛度將降低，將減小大突變載荷對副支撐器的不利影響；如若電磁鐵失電，負載均衡缸回油口與負載均衡缸進油口斷開，負載均衡缸將工作于雙向驅動方式，其結構剛度將提高，將減小負載均衡缸變形帶來的不利影響。

5.根據權利要求4所述的一種帶雙三足支撐器和負載均衡器的混聯式TBM支撐裝置，其特征在于，所述裝置的負載均衡計算方法如下：

來自刀盤系統的掘進阻力，通過推進器傳遞至主支撐器，一部分被主支撐器的摩擦力平衡，另一部分經負載均衡器傳遞至副支撐器，并被副支撐器的摩擦力所平衡；主支撐器和副支撐器的摩擦阻力各自平衡了部分掘進阻力，故而能起到均載作用；負載均衡缸的推力直接決定了副支撐器的負載大小，通過調節負載均衡缸的推力可直接精確調控副支撐器的負載，間接調節了主支撐器的負載；反之，負載均衡缸的推力間接決定了主支撐器的負載大小，通過調節負載均衡缸的推力也可以直接精確調控主支撐器的負載，從而間接地調節了副支撐器的負載；所述負載均衡計算方法步驟為：

(1)設定計算載荷，假定推進器所需總推力為F_z，負載均衡器所需推力為F_p，此處應考慮外載荷的扭矩的作用及安全工作要求將其值適當放大，對于TBM支撐裝置其放大系數為105％至110％，安全工作要求的安全系數按工程要求設定；

(2)決定支撐器極限工作能力，根據支撐面狀況，決定主支撐器安全工作的最大支撐力Z_1max與副支撐器安全工作的最大支撐力Z_2max；以及主支撐器與支撐面的摩擦系數為f₁，副支撐器與支撐面的摩擦系數為f₂，主支撐器與副支撐器安全工作系數A；

(3)根據安全支撐的要求，給定掘進載荷的約束條件；主支撐器的支撐力Z₁及其最大支撐力Z_1max應滿足：Z₁≤Z_1max；副支撐器的支撐力Z₂及其最大支撐力Z_2max應滿足：Z₂≤Z_2max；主支撐器的有效負載P₁，應滿足的最大靜摩擦力條件：A×P₁≤f₁×Z₁；副支撐器的有效負載P₂，應滿足的最大靜摩擦力條件：A×P₂≤f₂×Z₂，而總的推力F₁應滿足的平衡條件：F₁＝P₁+P₂；

(4)根據負載均衡要求，導出的最佳工作條件；定義負載比：λ₁＝P₁:(P₁+P₂)，λ₂＝P₂:(P₁+P₂)，則λ₁+λ₂＝1；考慮主支撐器、副支撐器的安全工作裕量，支撐力Z₂與Z₁的比值應為：Z₂:Z₁＝Z_2max:Z_1max；由此可得：最佳負載比：及最佳負載比：以及推力F₂與F₁的分配最佳比值為：

(5)給定所需推力F_z，計算所需的最小支撐力，計算方法為：

負載均衡器的推力：主支撐器負載P₁：P₁＝F_z-F_p，最小支撐力：Z_1min＝A×P₁/f₁；副支撐器負載：P₂＝F_p，最小支撐力：Z_2min＝A×P₂/f₂；在理想狀態下，支撐面在兩接觸點處的摩擦系數相同，可取：f＝f₁＝f₂，且支撐面在兩處許用的最大支撐力相同，可取：Z_max＝Z_1max＝Z_2max，得：F₂＝0.5F₁且Z_1min＝Z_2min＝0.5A×F_z/f，即：經負載均衡后，可使主支撐器與副支撐器均載，且所需的支撐力最小，負載均衡狀態下負載均衡器推力F_p為總推力F_z的一半；

(6)給定最大支撐力Z_1max與Z_2max，計算許用的最大推力，計算方法為：推進器最大推力：F_zmax＝(f₁×Z_1max+f₂×Z_1max)/A；決定推進器的總推力：F_z≤F_zmax之后；負載均衡器的推力為：理想狀態下，支撐面在兩接觸點處的摩擦系數相同，可取：f＝f₁＝f₂，且其支撐面在兩處許用的最大支撐力相同，可取：Z_max＝Z_1max＝Z_2max，得：F_1max＝2f×Z_max/A，且F_p＝0.5F_z，即：經負載均衡后可使主支撐器與副支撐器均工作于極限載荷狀態，且許用的推力F₁最大，負載均衡狀態下負載均衡器的推力F_p為所需推力F_z的一半。