土中螺旋驱动自行走式隧道掘进机合理螺旋参数的研究

Screw impeller can push airplane and submarine forward in their surrounding medium. It provides successful application base for tunneller moving ahead by self driving in soil. Theory of spiral driving motion along straight line is an effective method of drive that is able to transfer gyroscopic motion to axial linear motion. And the theory also provides valid approach for axial force. Research project for applying is based on power screw theory in the surrounding medium. With the interaction force of screw installed on tunneller outside and the soil around the tunneller, it can push or pull the tunneller forward self-walking in soil. Screw drive located outer rotation can drive tunneller forward self-walking in soil according to two different theories. First, multiple spirals impeller installed on the periphery of tunneller can push it forward. Second, spiral like spring in the front of tunneller can pull it forward. By one or unit of two theories, tunneller can walk by oneself in soil. This theory of self-walking tunneller ahead in soil by spiral driving is initiate method in the world. The reasonable relationships among spiral parameters in soil such as external diameter, inner diameter, thread pitch, length, the shape of section provide an effective guarantee for tunneller forward. The goal of the project applying for research is to find the rational relevance between the parameters and soil in order to provide the basis for self-walking tunneller application.

螺旋浆推动飞机和潜水艇在周围介质中的前行，为成功利用土体介质使人工结构物自驱动在土中前行提供了成功的应用基础。螺旋传动原理是机械结构中变回转运动为轴向直线运动的有效传动方式，也是提供轴向推力的有效方法。课题研究是在土体介质中，采用螺旋传动的原理，利用装设于掘进机外侧回转的螺旋与掘进机周围土体的相互作用，推动掘进机在土体中自驱动前行。外侧回转的螺旋驱动含二个不同的作用原理。一是设于掘进机筒体周边外侧的多个螺旋器旋转推动掘进机体前行；二是在掘进机工作面前方外伸的弹簧式螺旋器超前工作面旋转，牵拉机体前行。在二个原理和装置的联合或分别的推拉作用下，使土中隧道掘进机自行走前行是目前世界首创的隧道掘进机行进方法。螺旋参数中的外径、内径、螺距、长度、截面形状等的合理配置是掘进机有效前行的保证，利用室内试验和现场实测方法研究参数与土体的合理关系，为螺旋驱动式自行走隧道掘进机的应用提供依据是课题研究的目标。

项目研究借鉴了人类周围的水中有潜水艇、空气中有飞机的螺旋驱动前行原理，发明了在土体中以螺旋传动的方式驱动隧道掘进机自主前行的原理和装置。开拓了在土体中利用螺旋传动原理主动驱动掘进机前行开挖隧道的技术领域。.对利用螺旋使掘进机自主前行隧道的新型原理开展了从理论分析、室内螺旋器参数和功能的试验，再分别根据试验结果开发了利用螺旋自牵拉前行原理和螺旋自推进前行原理的新型掘进机样机的设计和制造。螺旋自牵拉前行式掘进样机从2013年6月到2014年9月进行了现场试验。螺旋自推进前行式掘进样机从2016年6月到2016年12月进行了现场试验。二种原理制造的二台样机分别在野外试验场地进行的试验，首次验证了二种原理的各自可行性和工业实用性。.螺旋牵拉原理是利用装设于掘进机前方的多根螺旋杆向前方土体内的旋转，以不动的土体为螺母，螺旋杆的旋转就产生了拉动掘进机自主前行开挖隧道的动力。配合其他工作面前方的土体切削和出土技术，开挖出设计的隧道。.螺旋推动原理是利用装设于筒体周边外侧的多个螺旋器旋转推动掘进机体前行。.利用螺旋旋转与掘进机周围土体作用产生土中隧道自主前行力的方法和相应装备成为目前世界首创的隧道掘进机行进方法。.项目研究了不同土层中，螺旋长度、外径、内径、螺距、截面形状等与所提供的螺旋推力和拉力的关系。利用研究成果设计加工的二台二种类型的自驱动前行式掘进机样机，通过总计长达二年的出现问题和解决问题的野外试验后，终于使各自试验装置在野外拟工程性试验中得到了实用性的验证。.分别于2014年10月和2017年1月举办了螺旋自驱动掘进机的评审会，在二次会议均有二位院士担任专家组组长的评审会给出的评审意见，均作出了从原理到样机的螺旋驱动自前行式掘进新方法和新装置为国内外首创、原创性突出和填补了国内外空白，拓展了地下空间的施工领域的结论。.在国家核心期刊等刊物上发表论文4篇，取得3项国内发明专利和1项国际专利授权。