B94611009 楊子羲
超音速推進號
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2007年6月16日 星期六
2007年6月15日 星期五
全斷面隧道鑽掘機
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b94611009 楊子羲
在工程界上，台灣也有一些有名的案件，雪山隧道就是其中之一
雪山隧道是亞洲第二長的公路隧道，在世界上也是第六長的，而且雪山山脈的施工困難度相當的高，還因此讓這件工程列入了大英百科全書
而這件工程的中要角色，也就是我要介紹的主題－全斷面隧道鑽掘機
以下是維基百科的資料：
全斷面隧道鑽掘機
全斷面隧道鑽掘機，又稱為全斷面鑽掘機或TBM（Tunnel Boring Machine的簡稱），是專門用在開鑿隧道的大型機具。該機具具有一次開挖完成隧道的特色，從開挖、推進、撐開全由該機具完成，開挖速度是傳統 鑽炸工法的5倍。然而該機具完全無法模組化，只能依照開挖隧道的直徑訂作，因此購買價格動輒上億元。
全斷面隧道鑽掘機於1956年誕生，設計者為Charles Wilson。但真正的應用直至數十年後的 英法海底隧道工程中運用到。
下面的內容是我節選自國工局的雪山隧道的報告
隧道鑚掘機（Tunnel Boring Machine，簡稱ＴＢＭ）工法，人類利用此種隧道開挖方法已經有一段極長之時間，在國外不僅施工實績極佳，且亦廣泛用於長隧道之開挖，雪山隧道長達 12.9 公里，係國道 5 號高速公路（北宜高速公路）關鍵性之工程，設計時考量環境保護因素、工程進度、費用及技術可行性等，決定 使用並引進ＴＢＭ工法，雖然在施工中遭遇大量之地下水及堅硬破碎之地質情況下，使工程進度一度延滯，部分區段受限於地質或工期之因素改採鑚炸法施工，
使ＴＢＭ工法在雪山隧道沒有發揮設計階段預期之效果，然經過 13 年的努力，在一群無名英雄的努力下，依舊克服困難，完成貫通通車之目標，使得台北宜蘭間之行車時間縮短至 40 分鐘。本文謹就雪山隧道施工引進之雙盾身ＴＢＭ，加以介紹及討論。
國道 5 號之雪山隧道長 12.9 公里，不僅是目前國內最長之公路隧道，也是目前亞洲最長，世界第 5 之公路隧道，同時也是北宜高速公路之關鍵工程。設計規劃階段綜合國內外專家意見，就雪山隧道的地質條件、環境保護因素、隧道規模、勞工市場、經濟因素、施工期程考量下，認為採ＴＢＭ（Tunnel Boring Machine）較採用傳統鑚炸法施工，具有時間及經濟上之優勢，故引進世界上長隧道快速開挖之ＴＢＭ，並期許此一工法能在國內達到技術移轉之目的，提升國內隧道施工之技術，加上目前國人生活日趨富裕，從事辛勞工作之隧道施工人員越來越缺乏之情況下，未來隧道開挖使用自動化之機械方法施工，亦為目前或未來隧道工程發展之必然趨勢。目前國外運用ＴＢＭ施工之案例甚多如英法海底隧道等，國內除雪山隧道採用ＴＢＭ施工外，台電公司亦有多個工地引進ＴＢＭ工法施工，如士林發電計畫、碧海發電計畫等，故ＴＢＭ應用於國內外長隧道施工之案例有與日俱增之趨勢。
ＴＢＭ製造、組裝、發進以雪山隧道為例，當承商與業主訂約後、依據規劃設計所獲的地質資料及契約所訂之設計要求，由承商經過評選擇定ＴＢＭ製造廠後，開始設計製造，至運 輸至工地開始組裝，此一段時間約需一年以上之時間。
ＴＢＭ試車完畢並推進至開挖面前，須先拆除先前開挖鑽炸法時設置之通風及照明設備，同時施做發進座及ＴＢＭ仰拱滑床，並須檢核隧道淨空，雪山隧道主坑係採用斷面測量之方式進行隧道淨空檢核，確定淨空無誤後，即可進行ＴＢＭ推進工作。ＴＢＭ推進至仰拱滑床後，係利用位於尾盾底部之環片唧筒頂住仰拱環片前進（ＴＢＭ滑床應於ＴＢＭ推進前施作完成）。另未使ＴＢＭ發進時，的到足夠之反作用力點，故需於開挖面先行施作一發進座，長度約 13 公尺，厚
度約 40 公分，當ＴＢＭ推進發進座時，可使撐座撐於發進座上，以提供ＴＢＭ開挖時所需之反作用立及扭力，開挖完成一輪進後，須先完成環片反力支撐結構（其作用在協助環片組裝之定位及環片唧筒向前推進之反作用力），即組裝第一環全環片。環片則是利用火車運送之支援系統後，利用環片運送夾及環片組裝機進行組裝，最快可約在 17 分鐘內完成一環組裝。
ＴＢＭ施工人力配置依據榮工公司所提供之資料，主坑南下線每班人力（8 小時）約需:55 人（含國人及外勞），並區分為：
- 1. 機修站：負責削刀之檢查及更換，ＴＢＭ油壓系統、潤滑系統、冷卻系統、輸送帶及機具設備之保養，隧道沿線及動口之鐵軌、轉轍器之保養修理等。
- 2. 土木站：負責環片組裝、背填粒料、背填灌漿、支援系統作業區之環片吊裝作業、車道板組裝、鐵軌組裝、碴車及環片運輸車之調度等。
- 3. 電修站：負責 PLC 與電子系統、電機系統保養及修理、#4 及#5 輸送帶之操作、動力及照明系統電攬之延伸及保養。
- 4. ＴＢＭ操作手：負責ＴＢＭ之操作。
環片生產製造
主坑ＴＢＭ段採用內徑 10.8 公尺，外徑 11.5 公尺之預鑄混凝土環片，每環環片長度為 1.5 公尺，厚度為 35 公分，共分為 A、B、C、D、E、K 六片唧 RS拱型蓋板一片，環片間採公母榫方式銜接，全環約需 25.6 立方公尺之混凝土，重量約 61.49 公噸。另消防栓及緊急電話部分，則使用鋼環片約需 1625 片（此一部分由承商另行擇地生產）。為應付龐大之環片生產數量（約估ＴＢＭ施工最高峰期月使量為 872 環），故承商於頭城交流道用地範圍，設置環片廠，其佔地約 7 萬平方公尺，預計生產 11 萬 5 千片左右。
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ＴＢＭ施做前進探查時，由於前述之因素造成施做時常需花費極長之時間，對於ＴＢＭ施工效率產生極大之影響，亦將造成ＴＢＭ停機過久，使ＴＢＭ受夾之施工風險大增，為改善施鑽過程中所遭遇之困難，除改善鑚機之性能及穩定度外，導孔之孔徑以加以擴大，施鑽之效率略有改善。此外亦引進包括水平長距離探查、震測等方式，協助了解ＴＢＭ前方地質。
雪山隧道已經完工通車，回想ＴＢＭ剛引進雪山隧道時，由於係國內第一次使用ＴＢＭ施工，欠缺有經驗之施工團隊，雖有外籍技術顧問之指導，然由於雪山隧道東口段堅硬又破碎之四稜砂岩層，一度使ＴＢＭ之施工效率不如預期中之理想，每遭遇一次困難，施工團隊往往想盡各種方式一試再試，從中獲取相當之經驗，採取之措施包括：ＴＢＭ機具之局部修改，鑚灌機具之改善，引進震測法、水平長距離探測協助了解ＴＢＭ前方之地質，ＴＢＭ機具之加強維修保養等，使ＴＢＭ施工後期，達到規劃時預期之進度。如今ＴＢＭ已功成身退，施工團隊也已完成了一個世界級之工程，相信「ＴＢＭ或雪山隧道」這個名詞，將在每一個曾經參予過的工作伙伴心目中留下一個充滿喜怒哀樂很難忘懷的回憶。
資料來源
中文維基
http://zh.wikipedia.org/
國工局
http://gip.taneeb.gov.tw/ Read more!
齒輪的發展史
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B94611009 楊子羲
齒輪這種東西，好像從很古老的年代就有了，感覺不論東方西方皆有相當長久的發展所以我找了一下資料，在維基百科得到答案，不過上面也沒有明確指出齒輪是誰發明的，又到底是不是東西各自發展然後很巧的發明出幾乎一樣的東西。
以下是資料：
人類對齒輪的使用源遠流長，有史料記載，公元前400至前200年間的中國古代就開始使用齒輪，中國山西省出土的青銅齒輪是迄今發現的最古老齒輪。張衡的候風地動儀、古印度的棉核剔除機構（現收藏於柏林博物館）都含有齒輪機構。齒輪的發明人無史可考，而亞里士多德可認為是第一個系統論述這一機構的人。而阿基米德不僅對齒輪和蝸輪有詳盡的論述，Pappus更記載了阿基米德通過一個蝸輪和九個齒輪的機構，使少數幾個奴隸就將大船Syrakusia推下海中。
早期齒輪並沒有齒形和齒距的規格要求，因此連續轉動的主動輪往往不能使被動輪連續轉動。為了解決這一問題，齒形發展為弧形，並通過減小齒距使被動輪獲得連續轉動，這使得齒輪機構的汲水裝置十分普及。
由於鐘錶的出現和普及，人們產生了對齒輪定速傳動的需求。由齒廓齧合基本定律:
一對齒廓的瞬時速比，等於該瞬時接觸點的公法線截連心線為兩段線段的反比。
和傳動比恆定的條件：
過接觸點所作兩齒廓的公法線均須與連心線交於一固定的點。
所決定的齒形理論上是無窮多的，Olaf Roemer在1674年曾論述外擺線齒形，而1694年Philipp de la Hire提出了漸開線齒形。在1733年，Camus提出了著名的Camus定理：
輪齒接觸點的公法線必須通過中心連繞上的節點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線(節圓)純滾動時，與輔助瞬心線固聯的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的。
1765年，Euler闡明了相齧合的齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關係。其後Savary完善了這一關係，形成了現在使用的Euler-Savary方程。1873年，Hoppe指出了不同齒數的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了變位齒輪的基礎。19世紀末，范成切齒法原理的提出使漸開線齒形最終戰勝擺線齒形走上了大規模生產的道路。
1907年，Frank Humphris提出了圓弧齒形。圓弧齒形在使用壽命和減小尺寸方面有一定優勢，因此在現代工業中也逐漸發揮作用。
參考來源
中文維基百科
http://zh.wikipedia.org
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2007年6月14日 星期四
中國古代機械工程
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B94611009 楊子羲
在我的印象中，世界各地的機械，不論古今東西都很類似，雖然現代的機械比較發達
但是我很想知道古人們是如何研究與製造沒有電力的機械
經由以下的資料，我發現以前發明家的概念與現在差異不大
以下是我找到的資料：
水力機械
水力機械大致上有三種含義：一、將水位升高的機械，如農田中常見的刮車、筒車、龍骨水車等；二、利用水流能量來作功的機械，如水磨、水碓、水排等；三、利用水的浮力或壓差以達到某種功用的機械，如輪船、打撈船，以及船中的櫓、舵和槳等機械部件。
水力機械中的第一種，成為幾千年來中國農業的象徵和農村的縮影，尤其是龍骨水車，為中國所特有，其經濟與便捷之程度為西方的阿基米德螺旋 (Archimedes Screw，一種抽水機) 所不及；第二種，水磨在東西方幾乎同時誕生，水碓為中國所特有，而舟磨、水排與羅麵機是中國人創造的現代機器，它們幾乎具有現代機器的所有成份；第三種的輪船與櫓、舵也是中國人最早發明的，而打撈船是現代打撈機械船的始祖。
龍股水車
龍骨水車也稱翻車、踏車、水車，大約產生於公元2世紀。它可分別以手拉、腳踏、牛轉和水轉等多種動力驅動。車身為一個盛水木槽，木槽兩端分別裝輪軸。由一連串相互平行的木板 ( 其大小適與槽相等 ) 構成板式鏈 ( 稱「行道板」) 置於槽內，並繞過車兩端的輪板 ( 稱「龍骨板葉」)上，行道板與龍骨板葉相嚙合。上輪軸兩端各裝上4枝拐木，踏動拐木，上輪運轉，從而帶動龍骨板循環轉動，行道板在木槽內刮水上岸。李約瑟稱此類水車為「方板式鏈泵」。 
《天工開物》中的「水車」圖 龍骨水車模型
水磨
水磨的發展與杜詩發明水排有關。馬鈞大約在公元227至239年間創造一個由水輪轉動的大型歌舞木偶機械，包括以此水輪帶動舂、磨。無疑，這是根據當時流行的水碓、水磨而設計的。在馬鈞之後，杜預造連機碓，其中也可能包括水磨。祖沖之在南齊明帝建武年間(公元494至498年)於建康城(今南京)樂遊苑造水碓磨，這顯然是以水輪同時驅動碓與磨的機械。幾乎與祖沖之 同時，崔亮在雍州「造水碾磨數十區，其利十倍，國用便之」，這是以水輪同時驅動碾與磨的機械。可見水磨自漢代以來，發展蓬勃，而到三國時代，多功能水磨機械已經誕生成型。
從機械角度來看。它是由水輪、軸和齒輪聯合傳動的機械。從車輪到水輪是技術史、也是人類文明史進步的標誌。僅從水碓、水磨的發展可見古代中國人在這方面取得的成就。從古代繪畫中的臥輪水磨、立輪水磨和立輪式水轉大紡車，可見在中國古代的各種機械中，安裝臥輪還是立輪的決定，已經是根據當地水利資源、水勢高低、齒輪與輪軸的匹配原則，從經濟、便利等角度予以研究，並具體解決的。
王禎在其《農書》中所提及的水轉紡車，其原理與水轉碾磨相同：水輪軸帶動紡車大輪，通過繩帶傳送，紡車大輪將運動傳遞到紡車各機件，這樣，便可使整個機器轉動起來。
《農書》中的「臥輪水磨」圖 《欽定授時通考》中的「水轉連磨」圖
參考網頁
http://dev2.cns.org.hk/0811/html/a00/0811a00.html
中國古代機械工程
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