完整word版)盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算

1、第 3 頁(yè) 共 11 頁(yè)7.8.2盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩計(jì)算包括軟土和硬巖兩種情況進(jìn)行。 7.8.2.1在軟土中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩的計(jì)算地層參數(shù)按 6巖石全風(fēng)化帶選取，由于巖土體中基本無(wú)水，所以水壓力 的計(jì)算按水土合算考慮。 選取可能出現(xiàn)的最不利受力情況埋深斷面進(jìn)行計(jì)算。 根 據(jù)線路的縱剖面圖， 6層埋深不大， 在確定盾構(gòu)機(jī)拱頂處的均布圍巖豎向壓力 Pe時(shí)，可直接取全部上覆土體自重作為上覆土地層壓力。盾構(gòu)機(jī)所受壓力：Pe = h+ P0P01= Pe + G/DLP1=PeP2=(P+ .D) 式中： 為水平側(cè)壓力系數(shù)， =0.47 h 為上覆土厚度， h=12.8m3

2、 為土容重， =1.94 t/m3G 為盾構(gòu)機(jī)重， G=340 tD 為盾構(gòu)機(jī)外徑， D=6.25 m ； L 為盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度， L=8.32 m ； P0 為地 面上置荷載， P0=2 t/m2； P01為盾構(gòu)機(jī)底部的均布?jí)毫Γ?P1 為盾構(gòu)機(jī)拱頂處的側(cè) 向水土壓力； P2為盾構(gòu)機(jī)底部的側(cè)向水土壓力； Pe=1.9412.8+2=26.83 t/m22 2P01=26.83+340/(6.25 8.32)=33.37t/m2P1=26.830.47=14.89t/m22P2 =(26.83+1.946.25) 0.47=18.3t/m27.8.2.1.1盾構(gòu)推力計(jì)算 盾構(gòu)的推力主要由以下五部分

3、組成：F F1 F2 F3 F4 F5式中：F1 為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力 ； F2為刀盤上的水平推力引起的推力F3 為切土所需要的推力； F4為盾尾與管片之間的摩阻力F5 為后方臺(tái)車的阻力1F1 1(Pe P01 P1 P2)DL .4式中： ：土與鋼之間的摩擦系 數(shù)，計(jì)算時(shí)取 0.31F1（26.83 33.37 14.89 18.3） 6.25 8.32 0.3 1144.23tF2（4 D2Pd）式中： Pd為水平土壓力 ， Pd（h D）D 6.28h 12.8 15.93m22Pd 0.47 1.94 15.93 14.52t / m2F2/ 4（6.282 14.52） 44

4、5.48tF3/（4 D 2C）式中： C 為土的粘結(jié)力， C=4.5t/m22F3（6.252 4.5） 138.06t4F4 Wc c式中：WC 、C為兩環(huán)管片的重量 （計(jì)算時(shí)假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)， 當(dāng)管片容重為 2.5t/m3，管片寬度按 1.5m 計(jì)時(shí)，每環(huán)管片的重量為 24.12t）， 兩環(huán)管片的重量為 48.24t考慮。 C=0.3F4 48.24 0.3 14.47tF5 Gh singGh cos式中：Gh 為盾尾臺(tái)車的重量， Gh160t；為坡度， tg=0.025g 為滾動(dòng)摩阻， g=0.05F5 160 0.025 0.05 160 1 12.00t盾構(gòu)總推力

5、：F 1144.23 445.48 138.06 14.47 12.00 1754.24t7.8.2.1.2盾構(gòu)的扭矩計(jì)算盾構(gòu)配備的扭矩主要由以下九部分組成。在進(jìn)行刀盤扭矩計(jì)算時(shí)：M M1 M 2 M3 M 4 M 5 M 6 M 7 M8 M9式中： M1 為刀具的切削扭矩； M2 為刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M3 為刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩； M4 為密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M5 為刀盤前表面上的摩擦力矩 ；M6為刀盤圓周面上的摩擦力矩M7 為刀盤背面的摩擦力矩 ；M8 為刀盤開口槽的剪切力矩M9 為刀盤土腔室內(nèi)的攪動(dòng)力矩a刀具的切削扭矩 M 1R0M 1ChrdrM1 1(C hm aRx

6、02)2式中： C：土的抗剪應(yīng)力，C=C+Pdtg=4.5+14.52tg20=9.78t/m2 hmax：刀盤每轉(zhuǎn)的最大切削深度， hmax=8cm/轉(zhuǎn)R0：最外圈刀具的半徑， R0=3.14mM1 1(9.78 8 10 2 3.142) 3.83t mb刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩 M2M 2=GR g式中： G：刀盤自重，計(jì)算時(shí)取刀盤的自重為 G=55tR：軸承的接觸半徑，計(jì)算時(shí)取為 R=2.6m g：滾動(dòng)摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取為 g=0.004M2=552.60.004=0.57tm c刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩 M32M3=WpRg zWp= Rc Pd式中： Wp：推力荷載 ；：刀盤封閉

7、系數(shù)， =0.70Rg：軸承推力滾子接觸半徑， Rg=1.25m ； Rc：刀盤半徑， Rc=3.14 z：滾動(dòng)摩擦系數(shù)， z=0.004 ；Pd：水平土壓力， Pd=14.52t/m2 2Wp=0.703.14214.52=312.83t；M3=312.83 1.250.004=1.56 tm d密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩 M422M4=2 mF(n1Rm1 +n2Rm2 )式中：m：密封與鋼之間的摩擦系數(shù)， m=0.2；F：密封的推力， F=0.15t/m n1 、 n2 ：密封數(shù)， n1=3n2=3；Rm1、 Rm2：密封的安裝半徑， Rm1=1.84mRm2=2.26m；M4= 2 0.2

8、0.15(31.842+32.262)=4.80 tme刀盤前表面上的摩擦力矩 M5第5 頁(yè)共11 頁(yè)M5 2( PR3Pd )3P=0.15式中：刀盤開口率，=0.30；P：土層與刀盤之間的摩擦系數(shù)，R：刀盤半徑， R=3.14mM5 2 (0.30 0.15 3.143 14.52) 41.96t m f刀盤圓周面上的摩擦力矩 M 62M6=2R2BPZP式中： R：刀盤半徑， R=3.14m ；B：刀盤寬度， B=0.775m PZ：刀盤圓周土壓力PZ=(Pe+P01+P1+P2)/4=(26.83+33.37+14.89+18.3)/4=23.35t/m22M6=23.1420.775

9、23.350.15=167.09tmg刀盤背面的摩擦力矩 M73M7=2/3(1-)R3P0.8Pd3M7=2/3(0.703.1430.150.814.52)=78.33tmh刀盤開口槽的剪切力矩 M 823M 8C R33式中： C：土的抗剪應(yīng)力，因碴土飽和含水，故抗剪強(qiáng)度降低，可近似地取 C=0.01Mpa=1 t/m2，=5；C=C+Pd tg=1+14.52 tg5=2.27 t/m2M8 2 2.27 3.143 0.30 45.88t m83i刀盤土腔室內(nèi)的攪動(dòng)力矩 M9M9=2(R12R22)LC式中：d1 ：刀盤支撐梁外徑， d1=4.8m； d2 ：刀盤支撐梁內(nèi)徑， d2=

10、3.84 m L：支撐梁長(zhǎng)度， L=0.8 m2 2M9=2(2.4 2-1.922) 0.8 2.06=21.46 tm刀盤扭矩 M 為 M1M9 之和M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46=365.48tm7.8.2.2在硬巖中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩的計(jì)算地質(zhì)參數(shù)按照 層選取 ,層為巖石微風(fēng)化帶盤形單刃滾刀的參數(shù)如下直徑d=43.2cm（17 英寸） ，R=21.6cm刃角=60每轉(zhuǎn)切深h=1 cm刀盤直徑D=6.28m盤形滾刀刀間距，Bm=2htg/2式中： 為巖石的自然破碎角，查表選取 =155Bm=21tg155/2

11、=9.5cm10cm7.8.2.2.1盾構(gòu)推力的計(jì)算 硬巖具有完全自穩(wěn)能力。在硬巖中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的拱頂、兩側(cè)、底部所受 的壓力均很小， 對(duì)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)影響不大， 盾構(gòu)機(jī)的推力主要消耗在滾刀貫入巖 石所需要的推力上， 所以可以近似的把滾刀貫入巖石的力看成盾構(gòu)機(jī)的推力， 其 它在選取盾構(gòu)機(jī)推力的富裕量時(shí)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計(jì)算盤形滾刀的滾壓推力， 每個(gè)盤形滾刀的 推力F 總 =mF 力式中：F力為單個(gè)滾刀貫入巖石所需要的力m 為刀盤上安裝的盤形滾刀 (單刃 )的數(shù)量4ri 0.5 i 1.4 2F力 34 K d R壓（1.i5 ） （35i） h 2Rh h tg2式中：

12、 Kd為巖石的滾壓系數(shù)，查表取 Kd=0.55R 壓為巖石的抗壓強(qiáng)度， R 壓 =62.3Mpa=623kg/cm2ri 為盤形滾刀的刃角半徑； ri=8cmi 為盤形滾刀的半刃角； i=30為巖石的自然破碎角， =1554830155F力0.55 623 ( )0.5 ( )1.4 1 2 21.6 1 12tg24.64t力 31.5352m= D /(2 Bm)式中：D 為刀盤的外徑， D= 6.28mBm 為滾刀的刀間距， Bm=10cm第 12 頁(yè) 共 11 頁(yè)-2m = 6.28/(2 10 10-2)=31本盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)雙刃滾刀 19 把，合計(jì)單刃滾刀 38把，滿足需要 盾構(gòu)機(jī)的總

13、推力： F總=mF 力=3824.64=936.32t7.8.2.2.2盾構(gòu)扭矩的計(jì)算硬巖掘進(jìn)的扭矩主要由以下三部分組成：T T1 T2 T3式中： T1為刀盤滾動(dòng)阻力矩計(jì)算 T2為石碴提升所需要的扭矩T3為克服刀盤自重所需要的扭矩a刀盤滾動(dòng)阻力矩計(jì)算 T 1mT1 FBmmii1式中：F 為盤形滾刀的滾動(dòng)力F 3 h P力4 2R h 力=0.8式中： 為與被滾壓巖石自由面條件和形狀有關(guān)的換算系數(shù)，P 力=F 壓 =24.64h 為每轉(zhuǎn)切深， h =1cmR 為盤形滾刀的半徑， R= 21.6 mm31F 0.8 24.64 2.274 2 21.6 1Bm 為盤形滾刀刀間距， Bm=10c

14、m=0.1m42T1 2.27 0.1mi 204.99t mi1b石碴提升所需要的扭矩 T 22T2=qR h1R式中： q 為石碴容重， q=2.59t/m3R=3.14 mH=1 mm/n 1 為刀盤系數(shù)， 1=0.702 T2=2.593.1420.010.703.14=1.75tc克服刀盤自重所需要的扭矩 T 3T3=W11R式中： W1為刀盤自重， W1=55 t1=0.70R=3.14mT3=550.703.14=120.51tm硬巖掘進(jìn)所需要的力矩 T= 204.99+1.75 +120.51= 327.25tm7.8.2.3推力和扭矩的選取及驗(yàn)證軟土中掘進(jìn)：推力 F=1754

15、.24t，扭矩 T=365.48tm硬巖中掘進(jìn)：推力 F=936.32t，扭矩 T=327.25 t m由于盾構(gòu)在施工中經(jīng)常需要糾偏、 轉(zhuǎn)向，因此盾構(gòu)的推力實(shí)際上要比計(jì)算出來(lái)的大，按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)實(shí)際配備的推力為計(jì)算值的 1.5 倍。F 1.5 F 1.5 1754.24 2631.36t按照 Mechanised Shield Tunnelling一書(作者： Bernhard Maidl ；MartinHerrenknecht； Lothar Anheuser等)介紹的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算F D 2 kN式中： 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按下圖取 5001200D 為盾構(gòu)外徑， D =6.25 m2F (

16、500 1200) 6.252 19530 46875kN 1953 4687.5t本盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)總推力為 3421t，既大于理論計(jì)算值， 又處于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值之間， 說(shuō)明盾構(gòu)機(jī)的推力是足夠的盾構(gòu)外徑當(dāng)用刀盤扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算刀盤扭矩時(shí)T=D3式中： ：扭矩系數(shù)，取 =1.83T=1.86.253=441.6 tm本盾構(gòu)機(jī)額定扭矩 T=450 t m，最大扭矩 Tmax=530 tm，可同時(shí)滿足理 論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的要求。7.8.3刀盤的驅(qū)動(dòng)功率a刀盤驅(qū)動(dòng)所需功率：P Tc n9550式中： Tc 為刀盤驅(qū)動(dòng)的最大扭矩； Tc=530 t mn 為刀盤最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速 與盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的最大扭矩相對(duì)應(yīng)的

17、轉(zhuǎn)速為 1 r/m，則刀盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際功率為：P 530 10 1 554.97kW9550b. 液壓馬達(dá)所需總功率 ：P 554.97P P 554.97 652.91kW m 0.85其中： m 為馬達(dá)效率， m=0.85m 為液壓馬達(dá)數(shù)量， m=8每個(gè)馬達(dá)功率為：Pm P 652.91 81.61kWm m 8c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率 ：PzP 652.91/ 0.9 725kWzd其中： d 為電機(jī)效率， d=0.9 本盾構(gòu)機(jī)刀盤電機(jī)配備的功率為 945kW，在滿足上述計(jì)算要求的情況下， 仍有較大富裕，以應(yīng)付掘進(jìn)過(guò)程中不明因素的影響。7.8.4 盾構(gòu)推進(jìn)所需功率 盾構(gòu)機(jī)最大推進(jìn)功率 PT

18、 可按：PT=FV式中： F-總推力， F=3421tV- 最大推進(jìn)速度， V=8cm/min-2 PT=342110810-2/60=45.6kW 本盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)功率取值為 55kW ，可滿足上述要求。7.8.5螺旋輸送機(jī)參數(shù)的確定a輸送量 Q 理論出土量 QL 可按：QLD2max式中：D 為盾構(gòu)的開挖直徑， D=6.28mVmax 為盾構(gòu)的開挖速度， V max=8cm/min 60=4.8m/h 為土的松動(dòng)系數(shù)取為， =1.526.2823QL 1.5 4.8 221.4m3/h4本盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)的輸送能力為 400m3/h，可滿足計(jì)算要求 b螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率螺旋輸送機(jī)所需功率：PL QL (w0 L H )367式中： w0為物料阻力系數(shù)，取 3.2 為土的容重，取 1.94t/ m3L、H 為螺旋輸送機(jī)的水平長(zhǎng)度和高度初定螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度為 10m，傾角為 23則：L=10cos23=9.205 m H=10 sin23=3.907 m400 1.94所以， PL(3.2 9.205 3.907) 70.55kW367電機(jī)所需功率： P k P總L 2 700.