Ako funguje systém pohonu frézovacej hlavy TBM – 8 až 20 pohonov zdieľajúcich jeden ozubený veniec
Rezacia hlava TBM je masívny oceľový disk – s priemerom 3 až 17 metrov – vybavený kotúčovými frézami (na skalu) alebo reznými zubami a škrabkami (na mäkký terén). Tento disk sa musí pri pohybe TBM neustále otáčať a krútiaci moment potrebný na jeho otočenie o skalnú stenu je obrovský: 10 000 až 50 000 kN·m pre TBM s veľkým priemerom na skaly. Žiadny jednotlivý planétová prevodovka s otočným pohonom dokáže tento krútiaci moment vygenerovať sám.
Namiesto toho je frézovacia hlava vybavená veľkým vnútorným ozubeným vencom a okolo štítu TBM je namontovaných 8 až 20 samostatných otočných pohonov – každý poháňa pastorok, ktorý zaberá s týmto ozubeným vencom. Pohony rozdeľujú celkový krútiaci moment rovnomerne v teórii alebo proporcionálne v praxi v závislosti od individuálneho stavu pohonu a hydraulického alebo elektrického vyváženia. Táto architektúra viacerých pohonov je jedinečná medzi všetkými aplikáciami otáčania – žiadny žeriav, žiadny bager a žiadny anténny systém nepoužíva toľko nezávislých pohonov na jednom ozubenom venci.
Rozdelenie záťaže medzi pohonmi nie je automatické – musí byť aktívne riadené. V hydraulickom pohonnom systéme je prietok oleja do každého motora dávkovaný cez delič prietoku alebo riadený jednotlivými proporcionálnymi ventilmi. V elektrickom pohonnom systéme je každý motor riadený vlastným frekvenčným meničom (VFD) s obmedzením prúdu, aby sa zabránilo tomu, aby ktorýkoľvek motor spotreboval viac, ako je jeho proporcionálny podiel. Keď sa jeden pohon opotrebúva rýchlejšie ako ostatné (kvôli svojej polohe vzhľadom na zmeny tvrdosti terénu), odoberá menej prúdu alebo prijíma menší prietok – a susedné pohony to musia kompenzovať. Hydraulický alebo elektrický vyvažovací systém je pre dlhodobú životnosť pohonu rovnako dôležitý ako samotná prevodovka.
Redundantná matematika: Ak zlyhá jeden menič v 12-meničovom systéme, zvyšných 11 absorbuje ďalších 91 TP3T záťaže – v rámci 1,5-násobného bezpečnostného faktora. Dve súčasné poruchy zvyšujú preťaženie na menič na 181 TP3T – čo je stále zvládnuteľné. Tri poruchy dosahujú 271 TP3T, blížia sa k limitu bezpečnostného faktora a vyžadujú si okamžité zníženie rýchlosti postupu. Architektúra s viacerými meničmi je primárnou ochranou TBM pred odstavením v podzemí.
Rozdelenie záťaže medzi pohonmi nie je automatické – musí byť aktívne riadené. V hydraulickom pohonnom systéme je prietok oleja do každého motora dávkovaný cez delič prietoku alebo riadený jednotlivými proporcionálnymi ventilmi. V elektrickom pohonnom systéme je každý motor riadený vlastným frekvenčným meničom s obmedzením prúdu, aby sa zabránilo tomu, aby ktorýkoľvek motor spotreboval viac, ako je jeho proporcionálny podiel. Keď sa jeden pohon opotrebúva rýchlejšie ako ostatné (kvôli svojej polohe vzhľadom na zmeny tvrdosti terénu), odoberá menej prúdu alebo prijíma menší prietok – a susedné pohony to musia kompenzovať.
Usporiadanie záberu pastorka a ozubeného venca tiež ovplyvňuje rozdelenie zaťaženia. Ak sú pastorky rovnomerne rozmiestnené okolo ozubeného venca, každý pastorok zaberá s inou časťou venca – a akákoľvek excentricita alebo chyba rozstupu zubov v ozubenom venci vytvára systematickú zmenu zaťaženia, ktorá sa opakuje s každou otáčkou frézovacej hlavy. Vysokokvalitné ozubené vence s presnosťou rozstupu zubov podľa DIN triedy 6 sú nevyhnutné pre rovnomerné rozdelenie zaťaženia. Ozubený venček s presnosťou rozstupu zubov triedy 8 môže vytvárať zmeny zaťaženia na pastorok o 15 až 251 TP3T nad priemerom – čo zodpovedá strate kapacity 2 až 3 pohonov len kvôli chybe zubov.
Typy TBM a požiadavky na pohon frézovacej hlavy
Špecifikácia pohonu frézovacej hlavy závisí zásadne od typu TBM – každý je navrhnutý pre iné podmienky terénu a každý kladie iné požiadavky na otočný pohon.
Reže horninu s UCS 50 až 300+ MPa pomocou kotúčových fréz. Krútiaci moment frézovacej hlavy je veľmi vysoký (15 000 až 50 000 kN·m), ale relatívne stabilný. Kotúčové frézy generujú radiálne sily, ktoré vytvárajú nepretržité nízkofrekvenčné vibrácie prenášané cez ozubený veniec. Pohony pracujú v otvorených (beztlakových) podmienkach – nie je potrebné žiadne utesnenie kalu, ale je prítomný horninový prach a priesak podzemnej vody.
Pracuje v mäkkom teréne udržiavaním pretlakovej komory upravenej pôdy za rezacou hlavou. Krútiaci moment je nižší (3 000 až 15 000 kN·m), ale pohony pracujú za pretlakovou prepážkou pri tlaku 1 až 5 barov. Integrita tesnenia je kritická – akýkoľvek únik umožňuje vniknutie pretlakovej hmoty do prevodovky a akákoľvek strata čelného tlaku riskuje zrútenie terénu. Upravená pôda je vysoko abrazívna a chemicky agresívna (pH 10 až 12).
Na podopretie čelnej plochy používa bentonitovú suspenziu pod tlakom 2 až 6 barov. Táto suspenzia je extrémne abrazívna (úlomky hornín vysokou rýchlosťou) a korozívna. Tesnenia pohonu musia odolávať tlaku aj oderu súčasne počas 2 000 až 5 000 hodín medzi servisnými intervalmi tesnenia – čo je najnáročnejšie prostredie tesnenia v akejkoľvek aplikácii otočného pohonu.
Variabilný zemný krútiaci moment – od mäkkej hliny po tvrdú žulu v tom istom tuneli
Na rozdiel od všetkých ostatných aplikácií otočného pohonu – kde je zaťaženie predvídateľné a relatívne konštantné – sa krútiaci moment frézovacej hlavy TBM mení plynule a nepredvídateľne so zmenou podmienok terénu pozdĺž trasy tunela. Jeden tunel môže prechádzať hlinou, pieskom, štrkom, pieskovcom, vápencom a žulou – pričom každá z nich vyžaduje iný krútiaci moment frézovacej hlavy, inú rýchlosť otáčania a inú rýchlosť posuvu.
| Typ zeme | UCS (MPa) | Krútiaci moment (kN·m) | RPM | Na disk (12) |
|---|---|---|---|---|
| Mäkký íl / bahno | 0,1 – 1 | 3 000 – 8 000 | 4 – 10 | 250 – 670 |
| Pieskovec / vápenec | 20 – 80 | 10 000 – 25 000 | 3 – 6 | 830 – 2 080 |
| Tvrdá žula | 100 – 300 | 25 000 – 50 000 | 1 – 3 | 2 080 – 4 170 |
Zmiešaná tunelová razba – najhorší prípad: Najškodlivejším stavom je zmiešaný terén – kde frézovacia hlava naráža na jednej strane na tvrdú horninu a na druhej strane na mäkkú pôdu súčasne. To vytvára nevyvážené radiálne sily, ktoré sa striedajú s každou otáčkou a zaťažujú pohony na jednej strane 1,5 až 2,5-násobkom priemeru, zatiaľ čo opačná strana sa pohybuje blízko nuly. Toto cyklické nevyvážené zaťaženie spôsobuje únavové poškodenie 3 až 5-krát rýchlejšie ako pri vŕtaní s rovnomerným terénom.
Výpočet krútiaceho momentu — 10-metrový skalný TBM, 12 pohonov
Koeficient valenia (k) sa výrazne mení v závislosti od typu horniny a stavu kotúčového frézovacieho nástroja. Čerstvé kotúčové frézy na tvrdej žule dosahujú hodnoty k od 0,05 do 0,07. Ako sa frézy opotrebovávajú (na karbidovom krúžku sa vytvárajú ploché miesta), koeficient valenia sa zvyšuje na 0,08 až 0,12 – čím sa krútiaci moment frézovacej hlavy zvyšuje o 40 až 701 TP3T od stavu čerstvého frézovacieho nástroja po stav opotrebovaného frézovacieho nástroja. Otočný pohon musí byť dimenzovaný na krútiaci moment opotrebovaného frézovacieho nástroja, nie na krútiaci moment nového frézovacieho nástroja – pretože intervaly výmeny kotúčového frézovacieho nástroja sú zvyčajne 500 až 2 000 vŕtacích hodín a posledných 201 TP3T z každej životnosti frézy vytvára najvyšší valivý odpor. Tento konštrukčný stav opotrebovaného frézovacieho nástroja je jedinečný pre pohony TBM – žiadna iná aplikácia otáčania nemá premennú opotrebenia nástroja, ktorá by menila krútiaci moment pohonu o 40 až 701 TP3T počas predvídateľného servisného intervalu.
Údržba v stiesnených priestoroch – dizajn riadený logistikou náhrad
Pri každej inej aplikácii otočného pohonu je možné chybný pohon vymeniť pomocou mobilného žeriavu alebo vysokozdvižného vozíka. Pri otočnom pohone s otočným pohonom sú otočné pohony umiestnené vo vnútri štítu – zakopané 20 až 40 metrov pod zemou a prístupné iba cez tunel, ktorý môže byť dlhý 2 až 10 kilometrov. Každý nástroj, každý náhradný diel a každý technik musia prejsť týmto tunelom.
Rezacia hlava TBM planétové prevodovky s otočným pohonom sú navrhnuté pre logistiku výmeny rovnako ako pre krútiaci moment. Montážne rozhranie, geometria spojky, vedenie olejového pripojenia a dostupnosť upevňovacích prvkov sú optimalizované pre 600 mm oblúk kľúča, 5-tonový reťazový kladkostroj a 8-hodinové okno na výmenu. Každá hodina, počas ktorej je TBM zastavený kvôli údržbe pohonu, stojí 15 000 až 50 000 USD v stratenom predstihu a oneskorení projektu.
Samotný postup výmeny je navrhnutý rovnako starostlivo ako pohon: rozloženie montážnych skrutiek je určené pre hydraulické momentové kľúče (nie pre rázové uťahováky, ktoré sa nedajú spoľahlivo používať v obmedzenom oblúku). Spojenie medzi motorom a prevodovkou využíva drážkované rozhranie, ktoré sa počas inštalácie samovyrovnáva – čím sa eliminuje potreba presného vyrovnania s číselníkovými úchylkomermi v priestore, kde je viditeľnosť a prístup výrazne obmedzený. Plniace a vypúšťacie otvory oleja sú umiestnené tak, aby sa dalo gravitačné plniť zhora a úplne vypúšťať zospodu pomocou flexibilných hadíc, ktoré dokážu dosiahnuť okolo susedných zariadení. Tieto logistické detaily – neviditeľné v špecifikácii pre povrchovú montáž – určujú, či výmena pohonu trvá 8 hodín (dobre navrhnuté) alebo 24 hodín (zle navrhnuté).
Väčšina dodávateľov TBM prepravuje 1 až 2 kompletné náhradné pohony vo vnútri záložného portálu tunela – prednaplnené olejom, predtestované a pripravené na inštaláciu. Stratégia náhradných pohonov je kľúčovou súčasťou logistického plánu TBM a mala by byť špecifikovaná pri počiatočnej objednávke pohonov. Náhradný pohon uložený pri portáli tunela je vzdialený 2 až 10 kilometrov a 2 až 4 hodiny prepravy od stroja – príliš ďaleko na časovo kritické výmeny počas náročného prechodu na terén.
Hmotnosť pohonu je kritickým obmedzením. Každá jednotka musí byť prepravovateľná na tunelovom koľajnicovom systéme (zvyčajne v materiálovom vozni s nosnosťou 5 ton) a zdvíhateľná reťazovými kladkostrojmi namontovanými na strešných lyžiach štítu. To obmedzuje maximálnu hmotnosť jednotlivého pohonu na približne 2 500 až 3 000 kg – bez ohľadu na požadovaný krútiaci moment. Pre veľmi veľké TBM, kde krútiaci moment na pohon presahuje to, čo dokáže dosiahnuť 3 000 kg jednotka, je riešením pridať viac pohonov (zvýšenie z 12 na 16 alebo 20) namiesto toho, aby sa každý pohon zvyšoval. Tento prístup k škálovaniu zachováva schopnosť náhrady v stiesnenom priestore a zároveň spĺňa celkovú požiadavku na krútiaci moment prostredníctvom ďalších paralelných jednotiek.
Tesniace inžinierstvo pre tlakové TBM
Na prevodovkách s prevodovkou pre tvrdé horniny je utesnenie konvenčné a zaisťuje ochranu pred prachom a vodou. Na prevodovkách s prevodovkou s elektrickým pohonom (EPB) a prevodovkách s kalom pracujú pohony za pretlakovou prepážkou s tlakom 1 až 6 barov. Tesnenie pohonu musí zabrániť vniknutiu pretlakového, abrazívneho a chemicky agresívneho média do prevodovky – nepretržite, počas 2 000 až 5 000 hodín medzi servisnými intervalmi.
Viaceré tandemové tesnenia (3 až 5) pre postupné odpudzovanie prachu a vody. Životnosť: 3 000 až 6 000 hodín. Nie je vhodné pre tlak nad 0,5 baru.
Plochy z karbidu kremíka alebo karbidu volfrámu pritlačené pružinami. Odoláva tlaku 3 až 6 barov. Miera opotrebenia: 0,01 až 0,03 mm na 1 000 hodín. Životnosť: 4 000 až 8 000 hodín. Tesniaca komora je predplnená čistým mazivom pri pozitívnom tlaku.
Viacstupňový labyrint s kontinuálnym vstrekovaním maziva pri tlaku 0,5 až 1,0 baru nad čelným tlakom. Spotreba: 0,5 až 2,0 l/h na pohon. 12-pohonný labyrintový motor na kalu spotrebuje 6 až 24 l/h bariérového maziva – čo sú značné náklady, ale oveľa menej ako porucha prevodovky v dôsledku požitia kalu.
Výber tesnenia priamo ovplyvňuje model prevádzkových nákladov prevodovky s hydraulickou suspenziou (TBM). Mechanické čelné tesnenia majú nižšie prevádzkové náklady (žiadna spotreba maziva), ale vyššie náklady na výmenu a vyžadujú si kvalifikovaných technikov na lapovanie čelných plôch tesnenia. Tlakové labyrintové tesnenia majú vyššie prevádzkové náklady (nepretržitá spotreba maziva 3 až 8 USD na liter), ale sú tolerantnejšie k nesprávnemu zarovnaniu a môže ich servisovať všeobecný personál údržby. Pre 12-pohonný kalový TBM prevádzkovaný 6 000 hodín ročne pri prietoku 1 l/h na pohon sú ročné náklady na mazivo 72 000 litrov x 5 USD = 360 000 USD – čo je významný, ale predvídateľný prevádzkový náklad v porovnaní s nepredvídateľnými nákladmi na poruchu mechanického tesnenia a následné zaplavenie prevodovky.
Stratégia monitorovania tesnenia sa líši v závislosti od typu tesnenia. Mechanické čelné tesnenia možno monitorovať meraním miery úniku maziva na odtokovom otvore tesnenia – náhle zvýšenie úniku naznačuje, že opotrebovanie čelnej plochy sa blíži k prahu výmeny. Tlakové labyrintové tesnenia možno monitorovať sledovaním miery spotreby maziva – zníženie spotreby pri konštantnom vstrekovacom tlaku naznačuje čiastočné zablokovanie labyrintu (v dôsledku nahromadenia kontaminácie), zatiaľ čo zvýšenie naznačuje rozširovanie labyrintovej medzery v dôsledku opotrebovania. Oba monitorovacie prístupy poskytujú 500 až 1 000 hodín v predstihu varovania predtým, ako sa stav tesnenia stane kritickým – dostatočný čas na naplánovanie výmeny počas plánovanej údržbárskej zmeny, a nie núdzového zastavenia.
Tri poruchové režimy špecifické pre otočné pohony frézovacej hlavy TBM
Keď fréza narazí na izolovaný balvan v mäkšom teréne, kotúčová fréza prenesie krútiaci moment s hodnotou 2 až 4-násobku priemeru – trvajúci 0,1 až 0,5 sekundy. Planétové kolesá musia tento náraz absorbovať bez zlomenia zubov. Opakované stretnutia (10 až 50 nárazov na meter v ľadovcovom teréne) akumulujú únavu oveľa rýchlejšie ako predpoklady na rovnomernom teréne. Krútiaci moment sa šíri cez záber pastorka a krúžku do planétových stupňov – zaťažuje centrálne koleso, planétové kolesá a unášacie čapy impulzom, ktorý presahuje ustálený návrhový krútiaci moment. Napätie v koreňovej časti zuba ozubeného kolesa počas 3-násobného nárazu sa môže priblížiť k medzi klzu štandardnej cementovanej ocele – a ak sa náraz zhoduje s existujúcou únavovou trhlinou z predchádzajúcich udalostí, zub sa môže katastroficky zlomiť, pričom sa do záberu ozubeného kolesa uvoľnia úlomky, ktoré poškodia susedné zuby a ložiská pri kaskádovom zlomení.
U prevodoviek EPB a hydraulických prevodoviek s kalom môže katastrofálne zlyhanie tesnenia zaplniť prevodovku abrazívnym kalom pod tlakom 2 až 6 barov v priebehu niekoľkých hodín, čím sa zničí celé ozubené koleso a všetky ložiská v jedinom prípade. Na rozdiel od postupných únikov (zistiteľných analýzou oleja) je katastrofické zlyhanie okamžité a úplné. Náklady na výmenu sa zvyšujú o 8 až 16 hodín prestojov hydraulického prevodového systému s kalom, čo predstavuje 15 000 až 50 000 USD za hodinu.
Keď sa frézovacia hlava zasekne, obsluha ju musí otočiť dozadu, aby uvoľnila prekážku. Spätný krútiaci moment zaťažuje opačný (nehnací) bok zuba – povrch s menšou odolnosťou voči únave v dôsledku menšieho kontaktu počas normálneho otáčania vpred. Viaceré cykly zaseknutia a spätného chodu za smenu pri zmiešanom brúsení spôsobujú zrýchlené odlupovanie spätného boku v priebehu 2 000 až 4 000 hodín. Problém je zhoršený skutočnosťou, že spätný krútiaci moment sa často aplikuje pri plnom tlaku v systéme (obsluha stlačí hydraulický poistný ventil na maximum, aby uvoľnila zaseknutie) – generuje špičky krútiaceho momentu, ktoré prekračujú normálne maximum pri rezaní vpred o 10 až 301 TP3T. Táto kombinácia menej kalenej kontaktnej plochy a vyššieho krútiaceho momentu ako je normálne robí z poruchy spätného boku najčastejším spôsobom poškodenia ozubeného kolesa pri razení tunelov TBM so zmiešaným čelným povrchom.
Planétová prevodovka s otočným pohonom pre frézovaciu hlavu TBM — Často kladené otázky
Spoločnosť Korea Ever-Power dodáva planétové prevodovky TBM s otočným pohonom frézovacích hláv od 200 do 4 500 kN·m na kus s prevodmi odolnými voči nárazom, tlakovými tesneniami a montážou v stiesnených priestoroch.
Redaktor: Cxm
