[发明专利]一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置

权利要求书

1.一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置，其特征在于，所述装置包括主支撑器、副支撑器和负载均衡器；所述主支撑器、负载均衡器与副支撑器依次串联而成混联式装置，其拓扑构型随主支撑器与副支撑器的加载或卸载动作而改变；

所述主支撑器为三足并联装置，以主支撑器中心支架为固定平台，其3个主支撑腿可带动主撑靴作伸缩运动，并留有与推进器相连接的推进器关节支座；所述副支撑器为三足并联装置，以副支撑器中心支架为固定平台，其3个副支撑腿可带动副撑靴作伸缩运动；所述负载均衡器为六足并联装置，由6组液压缸组成，每组液压缸又由一至三个负载均衡缸组成，每个负载均衡缸可伸缩运动，其左侧与主支撑器用负载均衡缸左关节连接，其右侧与副支撑器用负载均衡缸右关节连接；所述的负载均衡缸左关节和负载均衡缸右关节为球形铰链或万向铰链连接；所述的推进器关节支座为球形铰或万向铰支座。

2.根据权利要求1所述的一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置，其特征在于，所述主支撑器包括主支撑器中心支架、主支撑腿和推进器关节支座；所述的主支撑腿包括主支撑缸和主撑靴；所述副支撑器包括副支撑器中心支架、副支撑腿；所述的副支撑腿包括副支撑缸和副撑靴；所述主支撑器中心支架为六边形结构，角度相距120°的支架边上分别安装3个主支撑腿；外部推进缸与主支撑器将通过主撑靴上圆弧内侧的推进器关节支座相连接；所述副支撑器中心支架也为六边形结构，角度相距120°的支架边上分别安装3个副支撑腿；所述负载均衡器包括负载均衡缸总成、驱动模式重构阀和电磁铁；负载均衡缸总成包括负载均衡缸、负载均衡缸左关节、负载均衡缸右关节、负载均衡缸进油口和负载均衡缸回油口。

3.根据权利要求1所述的一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置，其特征在于，所述装置对缺陷支撑面的避让方法为：

先给定主支撑器的轴向位置，将其切换至支撑状态，将副支撑器切换至非支撑状态，并以主支撑器为固定平台，以副支撑器为活动平台，以负载均衡缸作为驱动件，构成六足并联装置，负载均衡缸伸出或缩回，可调节副支撑器的轴向位置，便可在一个行程范围内避开有缺陷的支撑面。

4.根据权利要求1所述的一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置，其特征在于，所述装置的负载均衡方法如下：

先给定主支撑器及副支撑器的轴向位置，将两者切换至并行支撑状态，主支撑器及副支撑器均固定不动，此时负载均衡缸不作宏观运动，但可加载或卸载，负载均衡缸推力大小即为副支撑器所分担的推进力大小，调节负载均衡缸推力大小，即可调节主支撑器与副支撑器各自分担的推进力大小；

每个负载均衡缸设置1个驱动模式重构阀，所述驱动模式重构阀由电磁铁驱动工作，驱动模式重构阀为两位三通电磁阀，其进口端第一个接口连接负载均衡缸进油口和总进油口，其进口端第二个接口连接总回油口，其出口端连接负载均衡缸回油口；如若电磁铁得电，负载均衡缸回油口与负载均衡缸进油口连通，负载均衡缸将工作于差动驱动方式，其结构刚度将降低，将减小大突变载荷对副支撑器的不利影响；如若电磁铁失电，负载均衡缸回油口与负载均衡缸进油口断开，负载均衡缸将工作于双向驱动方式，其结构刚度将提高，将减小负载均衡缸变形带来的不利影响。

5.根据权利要求4所述的一种带双三足支撑器和负载均衡器的混联式TBM支撑装置，其特征在于，所述装置的负载均衡计算方法如下：

来自刀盘系统的掘进阻力，通过推进器传递至主支撑器，一部分被主支撑器的摩擦力平衡，另一部分经负载均衡器传递至副支撑器，并被副支撑器的摩擦力所平衡；主支撑器和副支撑器的摩擦阻力各自平衡了部分掘进阻力，故而能起到均载作用；负载均衡缸的推力直接决定了副支撑器的负载大小，通过调节负载均衡缸的推力可直接精确调控副支撑器的负载，间接调节了主支撑器的负载；反之，负载均衡缸的推力间接决定了主支撑器的负载大小，通过调节负载均衡缸的推力也可以直接精确调控主支撑器的负载，从而间接地调节了副支撑器的负载；所述负载均衡计算方法步骤为：

(1)设定计算载荷，假定推进器所需总推力为F_z，负载均衡器所需推力为F_p，此处应考虑外载荷的扭矩的作用及安全工作要求将其值适当放大，对于TBM支撑装置其放大系数为105％至110％，安全工作要求的安全系数按工程要求设定；

(2)决定支撑器极限工作能力，根据支撑面状况，决定主支撑器安全工作的最大支撑力Z_1max与副支撑器安全工作的最大支撑力Z_2max；以及主支撑器与支撑面的摩擦系数为f₁，副支撑器与支撑面的摩擦系数为f₂，主支撑器与副支撑器安全工作系数A；

(3)根据安全支撑的要求，给定掘进载荷的约束条件；主支撑器的支撑力Z₁及其最大支撑力Z_1max应满足：Z₁≤Z_1max；副支撑器的支撑力Z₂及其最大支撑力Z_2max应满足：Z₂≤Z_2max；主支撑器的有效负载P₁，应满足的最大静摩擦力条件：A×P₁≤f₁×Z₁；副支撑器的有效负载P₂，应满足的最大静摩擦力条件：A×P₂≤f₂×Z₂，而总的推力F₁应满足的平衡条件：F₁＝P₁+P₂；

(4)根据负载均衡要求，导出的最佳工作条件；定义负载比：λ₁＝P₁:(P₁+P₂)，λ₂＝P₂:(P₁+P₂)，则λ₁+λ₂＝1；考虑主支撑器、副支撑器的安全工作裕量，支撑力Z₂与Z₁的比值应为：Z₂:Z₁＝Z_2max:Z_1max；由此可得：最佳负载比：及最佳负载比：以及推力F₂与F₁的分配最佳比值为：

(5)给定所需推力F_z，计算所需的最小支撑力，计算方法为：

负载均衡器的推力：主支撑器负载P₁：P₁＝F_z-F_p，最小支撑力：Z_1min＝A×P₁/f₁；副支撑器负载：P₂＝F_p，最小支撑力：Z_2min＝A×P₂/f₂；在理想状态下，支撑面在两接触点处的摩擦系数相同，可取：f＝f₁＝f₂，且支撑面在两处许用的最大支撑力相同，可取：Z_max＝Z_1max＝Z_2max，得：F₂＝0.5F₁且Z_1min＝Z_2min＝0.5A×F_z/f，即：经负载均衡后，可使主支撑器与副支撑器均载，且所需的支撑力最小，负载均衡状态下负载均衡器推力F_p为总推力F_z的一半；

(6)给定最大支撑力Z_1max与Z_2max，计算许用的最大推力，计算方法为：推进器最大推力：F_zmax＝(f₁×Z_1max+f₂×Z_1max)/A；决定推进器的总推力：F_z≤F_zmax之后；负载均衡器的推力为：理想状态下，支撑面在两接触点处的摩擦系数相同，可取：f＝f₁＝f₂，且其支撑面在两处许用的最大支撑力相同，可取：Z_max＝Z_1max＝Z_2max，得：F_1max＝2f×Z_max/A，且F_p＝0.5F_z，即：经负载均衡后可使主支撑器与副支撑器均工作于极限载荷状态，且许用的推力F₁最大，负载均衡状态下负载均衡器的推力F_p为所需推力F_z的一半。