TBM Kesici Kafa Tahrik Sistemi Nasıl Çalışır — 8 ila 20 Tahrik Ünitesi Tek Bir Dişli Halkasını Paylaşıyor
TBM kesici başlığı, 3 ila 17 metre çapında, disk kesicilerle (kaya için) veya kesici dişler ve kazıyıcılarla (yumuşak zemin için) donatılmış devasa bir çelik disktir. Bu disk, TBM ilerledikçe sürekli olarak dönmelidir ve kaya yüzeyine karşı döndürmek için gereken tork muazzamdır: büyük çaplı kaya TBM'leri için 10.000 ila 50.000 kN·m. Tek bir döner tahrik planet dişli kutusu Bu torku tek başına üretebilir.
Bunun yerine, kesici kafa büyük bir iç halka dişli ile donatılmıştır ve TBM kalkanının etrafına 8 ila 20 adet ayrı döner tahrik ünitesi monte edilmiştir; bunların her biri bu halka dişli ile kenetlenen bir pinyonu tahrik eder. Tahrik üniteleri, teorik olarak toplam torku eşit olarak paylaşır veya pratikte, bireysel tahrik koşullarına ve hidrolik veya elektrik dengesine bağlı olarak orantılı olarak paylaşır. Bu çoklu tahrik mimarisi, tüm döner uygulamalar arasında benzersizdir; hiçbir vinç, hiçbir ekskavatör ve hiçbir anten sistemi tek bir halka dişli üzerinde bu kadar çok bağımsız tahrik ünitesi kullanmaz.
Tahrik sistemleri arasındaki yük paylaşımı otomatik değildir; aktif olarak yönetilmelidir. Hidrolik tahrik sisteminde, her motora giden yağ akışı bir akış bölücü aracılığıyla ölçülür veya ayrı ayrı oransal valfler tarafından kontrol edilir. Elektrikli tahrik sisteminde ise, her motor kendi değişken frekanslı sürücüsü (VFD) tarafından kontrol edilir ve herhangi bir motorun oransal payından daha fazla yük çekmesini önlemek için akım sınırlaması bulunur. Bir tahrik sistemi diğerlerinden daha hızlı aşındığında (zemin sertliği değişimlerine göre konumu nedeniyle), daha az akım çeker veya daha az akış kabul eder ve bitişik tahrik sistemleri bunu telafi etmelidir. Hidrolik veya elektrikli denge sistemi, uzun vadeli tahrik ömrü için şanzımanın kendisi kadar kritiktir.
Fazlalık matematiği: 12 tahrik ünitesinden birinin arızalanması durumunda, kalan 11 ünitenin her biri 9%'lik ek yükü üstlenir; bu da 1,5x güvenlik faktörü dahilindedir. İki eş zamanlı arıza, tahrik ünitesi başına aşırı yükü 18%'ye çıkarır; bu yine de yönetilebilir bir durumdur. Üç arıza ise 27%'ye ulaşarak güvenlik faktörü sınırına yaklaşır ve ilerleme hızının derhal azaltılmasını gerektirir. Çoklu tahrik ünitesi mimarisi, bir TBM'nin yeraltı kapanmalarına karşı sahip olduğu birincil korumadır.
Tahrik sistemleri arasındaki yük paylaşımı otomatik değildir; aktif olarak yönetilmelidir. Hidrolik tahrik sisteminde, her motora giden yağ akışı bir akış bölücü aracılığıyla ölçülür veya ayrı ayrı oransal valfler tarafından kontrol edilir. Elektrikli tahrik sisteminde ise, her motor kendi değişken frekanslı sürücüsü tarafından kontrol edilir ve herhangi bir motorun oransal payından daha fazla yük çekmesini önlemek için akım sınırlaması uygulanır. Bir tahrik sistemi diğerlerinden daha hızlı aşındığında (zemin sertliği değişimlerine göre konumu nedeniyle), daha az akım çeker veya daha az akış kabul eder ve bitişik tahrik sistemleri bunu telafi etmelidir.
Pinyon-halka dişli geçiş düzeni de yük paylaşımını etkiler. Pinyonlar halka dişlinin etrafına eşit aralıklarla yerleştirilmişse, her pinyon halkanın farklı bir bölümüyle eşleşir ve halka dişlideki herhangi bir eksantriklik veya diş aralığı hatası, her kesici kafa devrinde tekrarlanan sistematik bir yük değişimine neden olur. Düzgün yük paylaşımı için DIN Sınıf 6 diş aralığı doğruluğuna sahip yüksek kaliteli halka dişliler şarttır. Sınıf 8 diş aralığı doğruluğuna sahip bir halka dişli, ortalamanın üzerinde pinyon başına 15 ila 25% arasında yük değişimine neden olabilir; bu da yalnızca diş hatasından dolayı 2 ila 3 tahrik ünitesinin kapasitesinin kaybına eşdeğerdir.
TBM Tipleri ve Kesici Kafa Tahrik Gereksinimleri
Kesici kafa tahrik spesifikasyonu temelde TBM tipine bağlıdır; her biri farklı zemin koşulları için tasarlanmıştır ve her biri döner tahrik sistemine farklı talepler getirir.
Disk kesiciler kullanarak 50 ila 300+ MPa'lık tek eksenli basınç dayanımına (UCS) sahip kayaları keser. Kesici kafa torku çok yüksektir (15.000 ila 50.000 kN·m) ancak nispeten sabittir. Disk kesiciler, halka dişli aracılığıyla iletilen sürekli düşük frekanslı titreşim üreten radyal kuvvetler oluşturur. Tahrik sistemleri açık (basınçsız) koşullarda çalışır; çamur sızdırmazlığı gerekmez, ancak kaya tozu ve yeraltı suyu sızıntısı mevcuttur.
Kesici başlığın arkasında şartlandırılmış topraktan oluşan basınçlı bir hazneyi koruyarak yumuşak zeminde çalışır. Tork daha düşüktür (3.000 ila 15.000 kN·m), ancak tahrik sistemleri 1 ila 5 bar arasında basınçlı bir bölmenin arkasında çalışır. Sızdırmazlık bütünlüğü kritiktir; herhangi bir sızıntı, basınçlı çamurun dişli kutusuna girmesine izin verir ve yüzey basıncındaki herhangi bir kayıp, zemin çökmesi riskini artırır. Şartlandırılmış toprak oldukça aşındırıcı ve kimyasal olarak agresiftir (pH 10 ila 12).
Çalışma yüzeyini desteklemek için 2 ila 6 bar arasında basınçlı bentonit bulamacı kullanılır. Bulamaç son derece aşındırıcıdır (yüksek hızda kaya parçaları oluşturur) ve korozyona neden olur. Tahrik contaları, conta servis aralıkları arasında 2.000 ila 5.000 saat boyunca hem basınca hem de aşınmaya aynı anda dayanmak zorundadır; bu, herhangi bir döner tahrik uygulamasındaki en zorlu conta ortamıdır.
Değişken Zemin Torku — Aynı Tünelde Yumuşak Kilden Sert Granite
Diğer tüm döner tahrik uygulamalarından farklı olarak — yükün tahmin edilebilir ve nispeten sabit olduğu durumlarda — TBM kesici başlığının torku, tünel güzergahı boyunca zemin koşulları değiştikçe sürekli ve tahmin edilemez şekilde değişir. Tek bir tünel kil, kum, çakıl, kumtaşı, kireçtaşı ve granit gibi farklı zeminlerden geçebilir; bunların her biri farklı bir kesici başlık torku, farklı bir dönüş hızı ve farklı bir ilerleme hızı gerektirir.
| Zemin Tipi | UCS (MPa) | Tork (kN·m) | RPM | Sürüş Başına (12) |
|---|---|---|---|---|
| Yumuşak kil / silt | 0.1 – 1 | 3k – 8k | 4 – 10 | 250 – 670 |
| Kumtaşı / kireçtaşı | 20 – 80 | 10.000 – 25.000 | 3 – 6 | 830 – 2.080 |
| Sert granit | 100 – 300 | 25 bin – 50 bin | 1 – 3 | 2.080 – 4.170 |
Karma yüz tünellemesi — en kötü senaryo: En zararlı durum, kesici başlığın bir tarafında sert kaya, diğer tarafında ise yumuşak toprakla aynı anda karşılaştığı karma yüzeyli zemindir. Bu durum, her devirde değişen dengesiz radyal kuvvetler üretir ve bir taraftaki tahrik sistemine ortalamanın 1,5 ila 2,5 katı kadar yük bindirirken, karşı taraf neredeyse sıfır yük bindirir. Bu döngüsel dengesiz yükleme, düzgün zeminli sondajdan 3 ila 5 kat daha hızlı yorulma hasarına neden olur.
Tork Hesaplaması — 10 Metre Kaya TBM, 12 Tahrik Sistemi
Yuvarlanma katsayısı (k), kaya türüne ve disk kesici durumuna bağlı olarak önemli ölçüde değişir. Sert granitte yeni disk kesiciler 0,05 ila 0,07 arasında k değerleri üretir. Kesiciler aşındıkça (karbür halkada düz noktalar oluşur), yuvarlanma katsayısı 0,08 ila 0,12'ye yükselir; bu da kesici kafa torkunu yeni kesici durumundan aşınmış kesici durumuna 40 ila 70% artırır. Döner tahrik sistemi, yeni kesici torkuna göre değil, aşınmış kesici torkuna göre boyutlandırılmalıdır; çünkü disk kesici değiştirme aralıkları tipik olarak 500 ila 2000 delme saatidir ve her kesicinin ömrünün son 20%'si en yüksek yuvarlanma direncini üretir. Bu aşınmış kesici tasarım durumu, TBM tahrik sistemlerine özgüdür; başka hiçbir döner uygulama, öngörülebilir bir servis aralığı boyunca tahrik torkunu 40 ila 70% değiştiren bir takım aşınma değişkenine sahip değildir.
Kapalı Alan Bakımı — Yedek Parça Lojistiği Odaklı Tasarım
Diğer tüm döner tahrik uygulamalarında, arızalanan bir tahrik ünitesi mobil vinç veya forklift kullanılarak değiştirilebilir. TBM'de ise döner tahrik üniteleri kalkanın içindedir; yerin 20 ila 40 metre altında gömülüdür ve yalnızca 2 ila 10 kilometre uzunluğunda olabilen bir tünel aracılığıyla erişilebilir. Her alet, her yedek parça ve her teknisyen bu tünelden geçmek zorundadır.
TBM kesici başlığı döner tahrikli planet dişli kutuları Bu sistemler, tork kapasitesinin yanı sıra yedek parça lojistiği için de tasarlanmıştır. Montaj arayüzü, kaplin geometrisi, yağ bağlantı yolu ve bağlantı elemanı erişilebilirliği, 600 mm'lik anahtar açısı, 5 tonluk zincirli vinç ve 8 saatlik değiştirme penceresi için optimize edilmiştir. TBM'nin tahrik bakımı için durdurulduğu her saat, 15.000 ila 50.000 ABD doları arasında kayıp ilerleme oranı ve proje gecikmesine neden olur.
Değiştirme işlemi, tahrik sistemi kadar dikkatlice tasarlanmıştır: Montaj cıvata deseni, hidrolik tork anahtarları için tasarlanmıştır (dar alanda güvenilir bir şekilde kullanılamayan darbeli anahtarlar için değil). Motor ve şanzıman arasındaki bağlantı, kurulum sırasında kendiliğinden hizalanan bir oluklu arayüz kullanır; bu da görüş ve erişimin son derece sınırlı olduğu bir alanda kadran göstergeleriyle hassas hizalama ihtiyacını ortadan kaldırır. Yağ doldurma ve boşaltma portları, yukarıdan yerçekimiyle doldurma ve aşağıdan tamamen boşaltma için konumlandırılmıştır; bu işlemde bitişik ekipmanların etrafından geçebilen esnek hortumlar kullanılır. Yüzeye monte edilmiş bir spesifikasyonda görünmeyen bu lojistik detaylar, bir tahrik sistemi değişiminin 8 saat (iyi tasarlanmış) veya 24 saat (kötü tasarlanmış) sürmesini belirler.
Çoğu TBM (Tünel Açma Makinesi) yüklenicisi, tünel destek vinci içinde 1 ila 2 adet komple yedek tahrik mili bulundurur; bunlar önceden yağlanmış, önceden test edilmiş ve kuruluma hazır haldedir. Yedek tahrik mili stratejisi, TBM lojistik planının kritik bir parçasıdır ve ilk tahrik mili siparişiyle birlikte belirtilmelidir. Tünel girişinde depolanan bir yedek tahrik mili, makineden 2 ila 10 kilometre ve 2 ila 4 saatlik taşıma mesafesinde bulunur; bu da zorlu zemin geçişlerinde zaman açısından kritik değişimler için çok uzaktır.
Tahrik ünitesinin ağırlığı kritik bir kısıtlamadır. Her bir ünite, tünel ray sistemi üzerinde (tipik olarak 5 ton yük taşıma kapasitesine sahip bir malzeme vagonunda) taşınabilir ve kalkan tavan raylarına monte edilmiş zincir vinçlerle kaldırılabilir olmalıdır. Bu, tork gereksiniminden bağımsız olarak, maksimum bireysel tahrik ünitesi ağırlığını yaklaşık 2.500 ila 3.000 kg ile sınırlandırır. Tahrik ünitesi başına torkun 3.000 kg'lık bir ünitenin sağlayabileceğinden fazla olduğu çok büyük TBM'lerde, çözüm her bir tahrik ünitesini daha ağır hale getirmek yerine daha fazla tahrik ünitesi eklemektir (12'den 16 veya 20'ye çıkarmak). Bu ölçeklendirme yaklaşımı, ek paralel üniteler aracılığıyla toplam tork gereksinimini karşılarken, sınırlı alan değiştirme kapasitesini korur.
Basınçlı TBM'ler için Sızdırmazlık Mühendisliği
Sert kaya tünel açma makinelerinde (TBM), sızdırmazlık geleneksel toz ve su geçirmezlik yöntemiyle sağlanır. EPB ve çamur tünel açma makinelerinde (TBM), tahrik sistemleri 1 ila 6 bar arasında basınçlı bir bölmenin arkasında çalışır. Tahrik sistemi sızdırmazlığı, basınçlı, aşındırıcı, kimyasal olarak agresif ortamın dişli kutusuna girmesini sürekli olarak, servis aralıkları arasında 2.000 ila 5.000 saat boyunca önlemelidir.
Aşamalı toz ve su geçirmezlik için çoklu tandem dudaklar (3 ila 5). Kullanım ömrü: 3.000 ila 6.000 saat. 0,5 bar'ın üzerindeki basınçlarda kullanıma uygun değildir.
Yaylarla preslenmiş silisyum karbür veya tungsten karbür yüzeyler. 3 ila 6 bar basınca dayanır. Aşınma oranı: 1.000 saatte 0,01 ila 0,03 mm. Ömür: 4.000 ila 8.000 saat. Sızdırmazlık haznesi pozitif basınçta temiz gres ile önceden doldurulmuştur.
Yüzey basıncının 0,5 ila 1,0 bar üzerinde sürekli gres enjeksiyonu ile çok kademeli labirent. Tüketim: Tahrik başına 0,5 ila 2,0 L/saat. 12 tahrikli bir çamur TBM, 6 ila 24 L/saat bariyer gresi tüketir; bu önemli bir maliyettir, ancak çamur yutulmasından kaynaklanan bir şanzıman arızasından çok daha azdır.
Sızdırmazlık elemanı seçimi, TBM'nin işletme maliyet modelini doğrudan etkiler. Mekanik yüzey sızdırmazlık elemanlarının işletme maliyeti daha düşüktür (gres tüketimi yoktur), ancak değiştirme maliyeti daha yüksektir ve sızdırmazlık elemanı yüzeyinin taşlanması için uzman teknisyenler gerektirir. Basınçlı labirent sızdırmazlık elemanlarının işletme maliyeti daha yüksektir (litre başına 3 ila 8 ABD doları arasında sürekli gres tüketimi), ancak yanlış hizalamaya karşı daha toleranslıdır ve genel bakım personeli tarafından bakımı yapılabilir. Yılda 6.000 saat çalışan ve tahrik başına 1 L/saat debiye sahip 12 tahrikli bir çamur TBM için yıllık gres maliyeti 72.000 litre x 5 ABD doları = 360.000 ABD dolarıdır; bu, mekanik sızdırmazlık elemanı arızasının ve bunun sonucunda dişli kutusunun su basmasının öngörülemeyen maliyetine kıyasla önemli ancak öngörülebilir bir işletme gideridir.
Sızdırmazlık elemanı izleme stratejisi, sızdırmazlık elemanı tipine göre farklılık gösterir. Mekanik yüzey sızdırmazlık elemanları, sızdırmazlık elemanı tahliye portundaki gres sızıntı oranı ölçülerek izlenebilir; sızıntıda ani bir artış, yüzey aşınmasının değiştirme eşiğine yaklaştığını gösterir. Basınçlı labirent sızdırmazlık elemanları ise gres tüketim oranı izlenerek izlenebilir; sabit enjeksiyon basıncında tüketimde azalma, labirentin kısmi tıkanmasını (kirlilik birikiminden dolayı) gösterirken, artış ise aşınmadan dolayı labirent boşluğunun genişlemesini gösterir. Her iki izleme yaklaşımı da, sızdırmazlık elemanının durumu kritik hale gelmeden önce 500 ila 1000 saat önceden uyarı sağlar; bu da acil durdurma yerine planlı bir bakım vardiyası sırasında değiştirme planlamak için yeterli zamandır.
TBM Kesici Kafa Döndürme Tahrik Sistemlerine Özgü Üç Arıza Modu
Kesici başlık daha yumuşak zeminde tek başına duran bir kaya parçasına çarptığında, disk kesici ortalamanın 2 ila 4 katı kadar bir tork artışı iletir ve bu artış 0,1 ila 0,5 saniye sürer. Planet dişliler, diş kırılması olmadan bu şoku absorbe etmelidir. Tekrarlanan karşılaşmalar (buzul tortusunda metre başına 10 ila 50 kez), düzgün zemin varsayımlarından çok daha hızlı bir şekilde yorulma birikimine neden olur. Tork artışı, pinyon-halka ağından ve planet kademelerine yayılır ve güneş dişlisini, planet dişlilerini ve taşıyıcı pimleri, kararlı durum tasarım torkunu aşan bir darbe ile yükler. 3 katlık bir artış sırasında dişli diş kökü gerilimi, standart sertleştirilmiş çeliğin akma dayanımına yaklaşabilir ve eğer bu artış önceki olaylardan kaynaklanan mevcut bir yorulma çatlağıyla çakışırsa, diş felaket bir şekilde kırılabilir ve dişli ağına parçalar saçarak bitişik dişlere ve yataklara kademeli bir arıza ile zarar verebilir.
EPB ve çamurlu TBM'lerde, felaket niteliğinde bir sızdırmazlık arızası, dişli kutusunu saatler içinde 2 ila 6 bar basınç altında aşındırıcı çamurla doldurabilir ve tüm dişli takımını ve tüm yatakları tek seferde kullanılamaz hale getirebilir. (Yağ analiziyle tespit edilebilen) kademeli sızıntıların aksine, felaket niteliğindeki bir arıza anında ve tamamen gerçekleşir. Değiştirme maliyeti, saatte 15.000 ila 50.000 ABD doları arasında değişen 8 ila 16 saatlik TBM arıza süresiyle daha da artar.
Kesici kafa sıkıştığında, operatör tıkanıklığı gidermek için geri yönde hareket ettirmelidir. Geri tork, normal ileri dönüş sırasında daha az temas nedeniyle daha az yorulma direncine sahip olan karşı (tahrik etmeyen) diş yan yüzeyine yük bindirir. Karma yüzeyli zeminde vardiya başına birden fazla sıkışma ve geri dönüş döngüsü, 2.000 ila 4.000 saat içinde hızlandırılmış ters yan yüzey aşınmasına neden olur. Sorun, geri torkun genellikle tam sistem basıncında uygulanması (operatör sıkışmayı gidermek için hidrolik tahliye valfini maksimuma iter) nedeniyle daha da karmaşık hale gelir; bu da normal ileri kesme maksimumunu 10 ila 30% aşan tork zirveleri oluşturur. Daha az sertleşmiş temas yüzeyi ve normalden daha yüksek torkun bu kombinasyonu, ters yan yüzey arızasını karma yüzeyli TBM tünelciliğinde en yaygın dişli hasar modu haline getirir.
TBM Kesici Başlığı için Döner Tahrikli Planet Dişli Kutusu — Sıkça Sorulan Sorular
Korea Ever-Power, darbelere dayanıklı dişliler, basınçlı contalar ve dar alan montajı özelliklerine sahip, ünite başına 200 ila 4.500 kN·m arasında değişen tork değerlerine sahip TBM kesici kafa döndürme tahrik planet dişli kutuları sunmaktadır.
Editör: Cxm
