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掘进机稳定性的有效机械参数设计
- Ergin和O. Acaroglu
伊斯坦布尔技术大学采矿工程系，34469 Maslak
摘要
“掘进机”挖掘装备在隧道挖掘中有一套特殊的性能参数，掘进机稳定性状态的确定对于掘进机的高效、持续运行十分重要。对于相同功率的掘进机，稳定性越高对应承载能力越大。我们开发了一个新的计算机程序，用来分析掘进机的稳定性。这个程序可以从纵向和横向两方面来分析掘进机的挖掘刀头性能，所以无论是分析开挖面的某个点，还是分析整个工作面都可以用此方法。通过这个程序我们可以得到掘进机的四种稳定性状态参数，既：沿垂直轴旋转方向、沿旋转侧面、沿反向状态和滑动方向的状态。在本文中我们将该方法应用于一台掘进机的稳定性分析，并研究了机械参数的设计对掘进机稳定性的影响。要研究的机械设计参数有：机器的重量、机器的臂长、机器的宽度、机器的轨迹宽度、机器后腿与其重心之间的距离、起始点到重心之间的距离、机器吊臂的水平点与垂直旋转点之间的距离和机器与地面平行时臂轴与地面之间的距离。并详细地阐述了机械参数的设计对其稳定性的影响。
关键词：掘进机；挖掘；机械参数设计；稳定性分析；计算机程序。
1、介绍
在当今世界，为了采矿和建筑工程，我们正在挖掘数百公里长的隧道。一方面，城市化迅速发展的同时，在运输和基础设施方面对隧道的需求也随之增加。另一方面，由于环境的限制和近地表面可开采资源的减少，现在出现了开采地表以下资源的发展趋势。从经济角度看，地下采矿作业越早开始实施越好。所以，机械化挖掘系统在此类采矿工程中已经比传统方法更好。
掘进机在其他机械挖掘机之中占有一个特殊的地位。除了挖掘隧道之外，它们还广泛应用于开采煤矿、蒸发岩、工业用矿和金属矿物（1998年，Breitrick）。人们已经研究了许多不同类型掘进机的性能（如1996年，Bilgin等人；1998年，Eskikaya等人；1992年，Breeds和Convay等人）。他们研究的机器初始投资成本都低于全断面型挖掘机。并且也属于柔性装备，可以挖掘出各种形状的轮廓。不过，这些机器不适合挖掘高硬度岩石，它们更适合挖掘低硬度到中等硬度的稳定岩石（1999年，Matti；1998年，Schneider；1987年 Aisawa等人；1992年， Nelson等人）。
掘进机按重量来分，通常分为轻型、中型、重型和超重型。随着掘进机重量级别的提升，可以在更高强度的岩石上使用它们，因为它的重量和挖掘刀头的强度以及力臂大小成正比。机器重量的增加会加大反应反作用力，从而得到强度更高的机器。不然，重量的增加会对机器的稳定性产生负面影响，甚至发生失稳现象。（1994年，Frenyo和Lange；1989年，Kleinert；1982年，Kogelman；1988年，McDermott；1981年，Menzel和Frenyo）。从另一个角度来说，掘进机重量级别的上升也会导致机器初始成本的增加，同时也会引起机器在潮湿地面下陷入地面的问题。为了保证机器的稳定性，通常会在使用机器时在其侧面和后面加上稳定器活塞。如果隧道轮廓太宽，那么侧面的稳定性活塞就没法使用了。（1982年，Kogelman；1985年，Gibson等人；1985年，Deliac）。
掘进机的稳定性在工作过程中对其高效持续运行至关重要。一些研究人员探讨了稳定性的重要性，并对纵向刀头掘进机和横向刀头掘进机进行了比较试验。（1982年，Kogelman;1988年，McDermott;1981年，Menzel和Frenyo）.在横向刀头掘进机中，机器产生的切削力主要垂直作用于其头部。因此，横向刀头掘进机对垂直方向的稳定性更加敏感。与之相反的是，纵向刀头掘进机对水平方向的稳定性比横向刀头掘进机更加敏感。（1989年，Gehring；1982年，Kleinert；1981年，Menzel和Frenyo）。有的研究人员指出，纵向刀头掘进机不能充分利用机器的自重，他们发现一般纵向刀头掘进机比横向刀头掘进机要重20%到25%。也有报道指出，在相同切割功率作用下，从稳定性角度来看，横向刀头掘进机相比纵向刀头掘进机可以挖掘强度更高的岩石。（1989年，Gehring；1982年，Kleinert；1982年，Kogelman；1981年，Menzel和Frenyo）。不过，在比较掘进机的稳定性时也应该考虑垂直方向稳定性，因为纵向刀头掘进机也可以进行垂直方向的挖掘（1994年，Frenyo和Lange；1988年，McDermott）。以上研究都是基于对掘进机稳定性的实际观察或定性研究。挖掘刀头的形状因素对机器稳定性的影响是最近由Acaroglu和Ergin进行研究和报告的（2005年）。在他们的研究报告中提出了一种可以定量分析掘进机稳定性的新方法。并在此方法之上开发了一个计算机程序（2004年，Acaroglu；2006年，Acaroglu和Ergin）。他们在评估机械参数的设计对掘进机稳定性的影响中应用了此方法。要研究的机械设计参数有：机器的重量、机器的臂长、机器的宽度、机器的轨迹宽度、机器后腿与其重心之间的距离、起始点到重心之间的距离、机器吊臂的水平点与垂直旋转点之间的距离和机器与地面平行时臂轴与地面之间的距离。
- 掘进机稳定性分析的改进方法。
2.1、稳定性分析方法
新改进的方法是基于x轴，y轴，z轴的三个方向值的计算和掘进机相对滑动值的计算。该方法涉及到以下计算内容：
①估算在重心平面处所取y轴上的C点力矩值，如图一所示。本步计算确定了关于掘进机在垂直于轴旋转方向的弯矩值。
②估算掘进机与地面接触处，在z轴上取得的B点力矩值，如图一所示。本步计算确定了掘进机两侧面的相关弯矩值。
③估算掘进机与地面接触处，在x轴上取得的A点力矩值，如图一所示。本步计算确定了掘进机背面的相关弯矩值。
④估算掘进机与地面接触处，在z轴上的相对滑动值，如图一所示。本部计算确定了掘进机相对滑动的数值。
所有使用的影响机器稳定性的参数都如图一所示。
图中
- 机器的重量；e，机器的宽度；p，每个轨道的宽度；u，吊臂的长度；m，吊臂起始点到重心的距离；a，机器后退到重心的距离；f，当机器与地面平行时，吊臂到地面的距离；s，吊臂水平旋转点与垂直旋转点之间的距离；alpha;1，吊臂的最大水平位置角；alpha;2，吊臂的向上最大垂直位置角；alpha;3，吊臂的向下最大垂直位置角；l,机器轨道与地面之间的摩擦系数；b，隧道的倾斜度。
AR cos( VR cos(
AR cos( sin()
VR
( ) y
W
u
SR
f
h
( ) z
A
SR cos(alpha;
AR cos() sin(
( ) y
B （ ）x
W
e
( )x
p
( ) z
C
VR sin(
s
m
AR cos(
SR
a
图一、机械参数设计和力臂反作用力在机器稳定性分析中的应用。
在掘进机稳定性分析中，研究了挖掘过程中产生的作用力。其中一个力是由于机器自身重量产生的（图一）。其他的力是吊臂的反作用力，其作用于切割刀头的合力是由三个部分组成的，如图一所示。这些力是通过在正交轴上的截齿力投影得到的，当刀头转动时，该轴保持不动。我们把这些力叫做轴向作用力（AR）、回转作用力（SR）、和垂直作用力（VR）。AR与吊臂轴平行，SR沿刀刃方向垂直于AR。VR和SR在同一个平面上且与SR垂直。这些力都受切削刀头形状因素的影响。
通过这些机械参数的设计和上述我们定义的那些力，我们就可以为所有切割模式建立横向刀头和纵向刀头掘进机的三弯矩方程和滑动状态方程。改变切削模式会影响吊臂的受力方向，从而影响掘进机的稳定性。
下降 根切 过切 上升
图二、纵向刀头掘进机的切割方式。
在纵向刀头掘进机的挖掘过程中，机器首先进入隧道面，然后进行水平方向和垂直方向的挖掘。在均匀质地平面下，吊臂与隧道的轴线平行放置，然后与隧道端面轮廓相对应放置。如果挖掘刀头为逆时针方向旋转，那么吊臂向右侧挖掘（称过切模式），因为挖掘要在挖掘面上完成。如果刀头在端面以下挖掘，这种方式成为根切模式。如果挖掘方向是向下的，就称为下降模式，如果挖掘方向是向上的，就称为上升模式。这四种切割模式如图二所示。
对于横向刀头掘进机，挖掘刀头在进入隧道工作面之后，通过水平或垂直移动来挖掘工作面。因此，掘进机的挖掘模式可以分为弧形挖掘，下降挖掘和上升挖掘三种类型。例如，在方程式（1）—（4）中给出了纵向刀头掘进机在根切模式下的稳定状态（A、B、C、D）的计算公式，在方程式（5）—（8）中给出了横向刀头掘进机在弧形挖掘模式下的计算公式；其他挖掘模式的方程式写在了其他地方（2004年，Acaroglu）
这些方程反映了掘进机能承受的最大承载力矩或力和掘进机瞬时工作力矩或力之间数据差异。如果方程的结果小于零，说明机器已经失稳。如果方程的结果大于零，说明机器处于稳定状态。
2.1.1、纵向刀头掘进机在根切模式下的稳定性方程
（1）机器沿垂直轴方向旋转时的方程式
- （1）
- 机器沿侧向旋转时的方程式
（2）
- 机器反向旋转时的方程式
（3）
- 机器的滑动状态方程式
（4）
2.1.2、横向刀头掘进机在弧形模式下的稳定性方程
（1）机器沿垂直轴方向旋转时的方程式
- （5）
- 机器沿侧向旋转时的方程式
（6）
- 机器沿反向旋转时的方程式
（7）
- 机器的滑动状态方程式
（8）
程序停止
开始
是
更换切削刀头型号
否
1
切削刀头型号?
- 纵向刀头
- 横向刀头
2
停止运行
输入切割模式:
- 进刀模式
- 过切模式
- 上升模式
- 跟切模式
- 下降模式
输入切割模式:
- 进刀模式
- 弧形模式
- 下降模式
- 上升模式
输入水平方向，轴向和垂直方向吊杆力的大小
1
分析刀头类型?
- 整个隧道工作面
- 工作面的特殊点
2
输入吊杆最大位置角:
输入吊杆一般位置角:
否
是
机器和隧道工作参数是否变化?
输入机器和隧道工作参数:
将值录入输出文件.
继续运行吗?
是
否
Stop
估算滑动稳定状态下的力大小
估算反向稳定状态下力矩大小
估算侧向稳定状态下力矩大小
估算垂直于轴时稳定状态下力矩大小
图三、程序稳定性分析计算的流程图
2.2、改进后的计算机
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