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1、川滤公司掘进机项目：4.8m掘进机主机部分设计说明书四川理工学院 机械工程学院数字化设计与先进制造研究室课题组目 录第1章 掘进主机总体设计要求与技术参数11.1 总体设计要求11.2 主要技术参数11.2.1 TBM机主参数设计计算11.2.2 开敞式TBM及其配套系统规格尺寸参数51.3 TBM主要部件及后配套系统总体设计要求7第2章 全断面岩石掘进机的主要部件9第3章 刀盘部件设计103.1刀盘具有的主要特点103.2 盘形滚刀在刀盘上的布置分析103.3 刀盘结构12第4章 机头架部件设计154.1 机头架的传动及结构方案154.2 机头架结构设计164.3 主要零件的设计计算174.
2、3.1 高速齿轮的设计计算174.3.2 低速齿轮设计204.3.3 渐开线花键的设计计算214.4 外购件的选型及主要参数254.5 刀盘护盾设计264.5.1 底护盾结构设计274.5.2 顶护盾和侧护盾设计284.5.3 机头架壳体设计314.5.4 护盾整体结构31第5章 掘进机主梁及支撑系统设计335.1 掘进机主梁设计335.1.1 前、后主梁宽度、高度设计尺寸335.1.2 导轨设计计算355.1.3 前段主梁长度计算375.1.4 后段主梁长度计算385.2 掘进机支撑靴系统385.2.1 支撑靴方案设计395.2.2 支撑液压缸的选型415.2.3 支撑系统结构415.2.4
3、 主梁及支撑系统结构总图42第6章 推进、支撑液压系统设计446.1 TBM各液压系统单元的基本动作要求446.2 TBM主机的工作顺序456.3 液压系统原理设计466.4 液压元件的选择52第7章 主机皮带输送机627.1 输送机的选择与计算627.2 滚筒的选择667.3 其它主要部件设计6714.8m开敞式掘进机TBM主机设计说明书第1章 掘进主机总体设计要求与技术参数1.1 总体设计要求全断面岩石掘进机(Full Face Rock Tunneling Boring Machine，TBM)选型：针对有色金属矿（铜、锌、铝矿）花岗岩岩石结构及工矿情况，并结合实际挖掘岩土情况，围岩条件
4、，适用于开挖有色金属矿（铜、锌、锡、钴等）矿洞，矿岩石属中等偏硬岩石，含石灰岩、大理岩和花岗岩等，岩石抗压强度范围：100MP-200MP之间，选用：开敞式TBM。主驱动采用变频电机驱动方式，具有较高的转速范围和脱困扭矩，可增强其对不同围岩的适应性。TBM可进行随机锚杆、喷射混凝土及局部加钢筋网等柔性支护处理，从而满足洞室稳定的要求。对于洞室穿过的少量断层带、岩石溶蚀带、岩爆、大规模的涌水、膨胀岩等不良地质地段，通过附带的辅助钻孔灌浆设备，采取超前处理措施，预先固结周边一圈岩石，然后再开挖，并采取及时跟进的喷锚支护或钢支撑支护，可使TBM顺利通过不良地质体地段。后配套系统中的液压控制部分安装在
5、一节台车上采用随主机同步跟进的方法，电控部分安装在第二节台车上单独驱动跟进。除渣系统主机部分采用皮带运输，其余部分采用轨道矿车或小车运送到洞外。1.2 主要技术参数1.2.1 TBM机主参数设计计算一、扭矩及传动系统参数刀盘驱动装置：变频器/电动机/齿轮减速器+限扭器刀盘驱动功率：960kW变频电机：160kW,1500r/min 6台变频电机额定输出到刀盘的扭矩：T=2.444103kNm（理论值）刀盘扭矩实际工况：额定值：1.45103kNm，最大值：2200103kNm刀盘转速：09r/min (恒扭矩3.75r/min恒功率)滚刀数：34把17”(432mm) 单刀最大承载能力：250
6、（267）kN刀间距：70mm。以上参数的校核计算结果见表1-1。表1-1 回转力矩及转速计算960KWii=n1/n3=1500/3.75=400=646.25i1i1=64i26.25n2n2=1500/64=23.44rpmT1T1=1209.55/23.44=48.9kNm减速器选择选用PWZD610，i=64，许用扭矩60.126kNmZ120Z2125i2修6.25齿轮模数m20b1312H696.88中心距a1050mmn33.75rpm刀盘T实2444 kNm刀盘T最大（1.5）3666 kNm结论：实际所需最大扭矩：2200kN.m10921kN（满足要求）3）单个液压缸的推
7、力为：12560/4=3140kN 4）推进缸最佳（正常）工作压力计算：F=4(400/2)210-6Pa106=9323kN推进液压缸最佳（正常）工作压力约：Pa=19 MPa5）推进液压缸型号：C25WEK400/280-1500MI三、支撑系统及其支撑力1、支撑力选取支撑力为推进力的2.6倍Fg=2.6F=2.69078=23598kN（所需最大支撑力：Fgmax=2.6FL=2.610921=28395kN）2、支撑靴液压缸选型1）按四个侧面及前后共设计38=24个支撑液压缸，额定液压力25MPa，液压缸活塞直径为250mm2）额定支撑力为：Fz=24(250/2)210-625106
8、=29452kN 3）支撑靴液压缸型号：HGS.F-250/180.E-4201-200结论：实际所需支撑力：23598kN 29452kN（液压缸提供的推力） （满足要求）四、掘进速度计算分析1、平均掘进速度开挖直径为4.8m的掘进机一个掘进行程L=1.5m平均掘进速度取：v=1.5m/h(v=25mm/min)；若刀盘平均转速为4r/min，则刀盘每转进给量：6.25mm/r。一个掘进行程掘进时间：t=L/v=1500/(1500/60)=1500/25=60min换步复位时间：10min一个掘进循环行程时间：70min每天工作10个小时，每天掘进量可达10m。2、最高掘进速度最高掘进速度
9、：3m/h，即50mm/min一个掘进行程掘进时间：t=L/v=1500/(3000/60)=1500/50=30min换步复位时间：10min一个掘进循环行程时间：40min每天掘进量可达20m。五、支护能力计算包括混泥土喷射系统、锚杆安装速度和拱架安装速度等。1、混泥土喷射能力计算：1）混泥土喷射系统主要由混泥土输送泵和混泥土喷射机械手构成，对于开挖直径为4.8m，混泥土喷射厚度为10cm的隧道。则每米掘进需要喷射混泥土1.54m3；2）按最大掘进速度3m/h计算，则每米掘进需要喷射混泥土4.65m3/h，考虑20%的回弹量，则需要设计选用喷射能力在6.375 m3/h以上的混泥土喷射系统
10、。3）一个行程1.5m，需要喷射量约3m3；4）若两个行程需要运进一个混泥土罐车，则需要容量为6m3的罐车。六、出渣能力计算分析主机皮带机、后配套系统皮带机、运渣机的运渣能力均与TBM的掘进速度相匹配。1）开挖面积：A=d2/4=4.82/4=18.1(m2)2）一个掘进行程开挖石渣量（实方）：V=AL=18.11.5=27.2m3；3）每个行程运渣量（虚方）：取松散系数=1.67，则运渣量V=V=1.6727.2=46 m3；两个掘进行程需要运渣92 m3，若采用每节10 m3的矿渣车，则一列需要910节。4）取岩石密度为2.7t/m3,则每个掘进循环需要输送石渣约74t，两个循环约150t
11、；5）若瞬间掘进速度最大为4m/h，则需要皮带机最大输送能力为150t/h以上。1.2.2 开敞式TBM及其配套系统规格尺寸参数开敞式TBM及其配套系统规格尺寸参数，见表1-2所示。表1-2 TBM设备主要部件规格尺寸参数主要设备系统或部件规格尺寸参数主机主机长15m主机质量160t刀盘质量38.3t机头架质量39.7t主梁及支撑靴质量72.1t皮带输送机质量（估计）6.7t最小转弯半径500m最大部件质量40t最大部件尺寸117604500刀盘刀盘形式平面封闭式，背装直径432mm，17”的滚刀34把分块数量1开挖直径4.84.92m（边刀可调）双刃中心刀数量/直径8/432mm正滚刀数量/
12、直径14/432mm边滚刀数量/直径8/432mm扩挖刀数量4（边刀可调扩挖）扩挖刀最大扩挖量60mm单个刀具额定载荷250kN（267kN）刀盘驱动驱动方式变频电动机驱动功率6160kW=960 kW转速09r/min（1500r/min）主轴承形式内啮合式三排滚柱式回转支承主轴承寿命23161h 主轴承密封23排唇形密封推进系统推进液压缸数量4个（油缸活塞直径为400mm）推进行程1500m最大伸出速度100mm/min最大回缩速度500mm/min支撑系统类型浮动铰接液压缸数量38=24个液压缸行程单边伸出150mm，双边回缩300mm主机皮带机（外购）长度主机长度+1=16m（实际输送带长30m）皮带宽度500mm出渣能力150t/hYDB隔爆油冷式电动滚筒电动滚筒直径：D=320mm; 滚筒表面线速度/（m.s-1）0.8; 电动机功率/kw: 1.5; 改向滚筒D=250mm锚杆钻机（外购）规格型号Atlas Copco 1132数量2一次钻孔深度2m钻孔范围180度纵向移动距离1.5m功率11kW速度500r/min/320r/min扭矩220N.m/360N.m钻孔直径3351mm混泥土喷射系统（外购）
