盾構機液壓系統(tǒng)(刀盤切割旋轉液壓系統(tǒng))設計

1、精選文檔畢業(yè)設計(論文)課 題 名 稱 盾構機液壓系統(tǒng)（刀盤切割旋轉液壓系統(tǒng)）設計 學 生 姓 名 李茂林 學 號 0941101075 系、班級專業(yè) 機械與能源工程系、2009級 機械設計制造及其自動化（機電一體化方向） 指 導 教 師 戴正強 職 稱 講師 2013年5月22日精選文檔內容提要盾構機是集機械、電氣、液壓、測量、把握等多學科技術于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型超大工程裝備。論文以直徑1.8m模擬盾構刀盤驅動液壓系統(tǒng)設計爭辯對象。論文開頭對盾構機進行簡潔介紹，主要包括:盾構機的分類，土壓平衡盾構機的基本結構和施工原理。也介紹了盾構刀盤驅動方式種類，有定速電機驅動，刀盤

2、轉速不能調整，一般不接受，常見有變頻電機驅動、液壓驅動方式。接著對盾構施工的簡單工況進行了分析，提出了適用于簡單工況的直徑1.8m模擬盾構刀盤驅動液壓系統(tǒng)設計方案，并對其中的主要把握功能模塊進行了原理介紹，并進行了該系統(tǒng)液壓元件主要參數(shù)的計算、校核與選型，同時接受了三維設計軟件Pro/E對液壓系統(tǒng)的主要閥塊和泵站進行了優(yōu)化設計以及集成設計。最終總結全文以及展望了今后的爭辯方向。SUMMARYShield machine is a mechanical, electrical, hydraulic, measurement, control, and other multi-disciplina

3、ry technology in a body, specialized in underground tunnel excavation technology intensive major engineering equipment.With diameter of 1.8 m this paper simulate shield cutting wheel drive hydraulic system design and research objects.Brief introduction of this thesis to shield construction machine,

4、mainly includes: the classification of the shield machine, earth pressure balance shield construction machine basic structure and principle of construction.Also kind of shield driven method are introduced, with constant speed motor drive, cutter head speed can't adjust, generally do not use, com

5、mon have frequency conversion motor drive, hydraulic drive mode,Then the complex condition of shield construction are analyzed, and put forward the suitable for complex conditions of diameter 1.8 m simulation of shield cutting wheel drive hydraulic system design scheme, and the principle of main con

6、trol function module is introduced, and the system of hydraulic elements main parameter selection, calculation, checking and at the same time using the 3 d design software Pro/E for hydraulic system of the main valve block and pump station, the optimization design and integrated design.Finally summa

7、rizes the full text, and prospects the future research direction.精選文檔名目內容提要ISUMMARYII 1 盾構機介紹1 1.1 盾構機的分類1 1.2 盾構機的組成及功能2 1.3 盾構機的施工原理6 2 盾構刀盤驅動概況和方式比較 92.1 電機驅動及比較9 2.2 變頻電機驅動102.3 液壓驅動特點103 模擬盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)及集成設計143.1 盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)原理設計143.2 刀盤轉速把握及功率限定把握163.3 刀盤轉動方向把握 183.4 液壓驅動系統(tǒng)主要參數(shù)設計計算與元件選型19 3.5壓力損失驗算

8、293.6液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗算303.7盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)集成32 4 結論及展工作望36 4.1 論文總結36 4.2 工作展望36參考文獻38 致謝39精選文檔1 盾構機介紹隨著人類文明飛速進展，越來越多的開發(fā)到地下空間，各種隧道工程的需求對施工技術提出了更高的要求，促進了隧道施工技術的進展。隧道的施工方法從傳統(tǒng)的明挖法、蓋挖法、礦山法進展到管段沉做法、盾構法、全斷面隧道巖石掘進機工法等1。盾構掘進機是集機械、電器、液壓、測量、把握等多學科技術于一體的、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型超大工程裝備。具有開挖速度快、質量高、人員勞動強度小、平安性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點。與傳

9、統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢，尤其在地質條件簡單、地下水位高而隧道埋深較大時，只能依靠盾構掘進機。1.1 盾構機的分類由盾構機與特定的基礎地質、工程地質和水文地質特征的匹配狀況打算了在不同施工環(huán)境，盾構機所具有的三種類別：軟土盾構機、硬巖盾構機(TBM)和混合盾構機三類。軟土和硬巖盾構機是在同一地層中使用的盾構機。（1）軟土盾構機軟土盾構機是指適用于未固結成巖的軟土、某些半固結成巖以及全風化和強風化圍巖條件下的一類盾構機。北京、上海、南京、天津等地在純軟土地層中使用的盾構機是典型的軟土盾構機。僅安裝刮刀，不需要滾刀。（2）硬巖盾構機廣義的硬巖盾構機是指巖石掘進機(TBM)。它適用于硬巖

10、且圍巖巖層較致密完整的一類盾構機。秦嶺鐵路隧道和引黃入晉水利工程使用的是典型的硬巖盾構機。山西萬家寨引黃工程使用的硬巖盾構機球面刀盤，只安裝滾刀，擔憂裝刮刀。（3）混合盾構機 混合盾構機是指設備具有的功能的“混合”，這類盾構機既具有軟土盾構機的功能又具有硬巖盾構機的功能；既具有土壓平衡功能又具有泥水加壓功能；既可以開胸式掘進又可以閉胸式掘進，等等。這是一類能適應更為簡單多變的復合地層的盾構機。廣州地鐵大塘漢溪區(qū)間使用的是混合盾構機，其刀盤兼有軟土和硬巖盾構機的特點。在特定的盾構施工環(huán)境，依據(jù)盾構機接受的“出渣進料”方式或最優(yōu)開挖和出土功能的方式，可以分為開胸式、半開胸式、閉胸式和氣壓式。按平衡

11、開挖面土壓與水壓的原理不同，密閉式盾構機又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種。放開式盾構機按開挖方式劃分，可分為手掘式、半機械挖掘式和機械挖掘式三種。按盾構機的斷面外形劃分，有圓形和異型盾構機兩類，其中異型盾構機主要有多圓形、馬蹄形和矩形。盾構機依據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構，擠壓式盾構，半機械式盾構（局部氣壓、全局氣壓），機械式盾構（開胸式切削盾構，氣壓式盾構，泥水加壓盾構，土壓平衡盾構，混合型盾構，異型盾構）。1.2 盾構掘進機的組成及功能目前圓柱形盾構機是最為常見的一種類型，圖1-1為LOVAT公司的RME306SE型號的土壓平衡（EPB）盾構掘進機組成原理圖。該盾構機直徑為7.8

12、m，總長80m。下面就以該圖土壓平衡式盾構機為例介紹盾構掘進機的組成及各部分的功能，土壓平衡式盾構主要組成系統(tǒng)包括：刀盤及其驅動系統(tǒng)、盾殼及盾尾密封設備、雙室氣閘、管片拼裝機及同步注漿設備、排土機構、后配套及幫助設備2。圖1.1 盾構機組成簡圖（1）盾體    盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅動，同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是

13、中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內側的周邊位置裝有30個推動油缸，推動油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過把握油缸桿向后伸出可以供應應盾構機向前的掘進力，這30個推動油缸按上下左右被分成A、B、C、D四組，掘進過程中，在操作室中可單獨把握每一組油缸的壓力，這樣盾構機就可以實現(xiàn)左轉、右轉、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。從BB視圖可以看出，該盾構機安裝了11臺液壓馬達驅動刀盤和24個液壓油缸實現(xiàn)盾構推動。盾構機的排土機構主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由液壓馬達驅動，皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土艙中運輸?shù)?/p>

14、皮帶輸送機上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸，落入等候的碴土車中。中盾的后邊是尾盾，尾盾通過14個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構機易于轉向。盾尾的功能是實現(xiàn)盾殼尾部密封和同步注漿。一方面防止地層中的泥水或管片外圍的漿液通過盾尾與管片間的間隙進入到盾構機內，另一方面通過盾尾殼體內置的同步注漿管，將注漿泵輸送來的混凝土泥水填充到管片外表面的環(huán)形空隙處，保持盾尾處的壓力，防止地表沉陷。 （2）刀盤從AA視圖可以看出,盾構機的刀盤位于盾構的最前部，是一個帶有多個碴槽的切削盤體，刀盤上安裝有盤形滾刀和刮刀用于對巖土層切。有時，刀盤的外側還裝有一把超挖刀,盾構在轉向掘進時，可操作超挖刀油

15、缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴大開挖直徑，這樣易于實現(xiàn)盾構的轉向。刀盤上安裝的全部類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進行換。法蘭板的后部安裝有一個回轉接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。 （3）刀盤驅動    刀盤驅動由螺栓堅固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現(xiàn)無級變速。刀盤驅動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側承壓隔板上的一臺定量

16、螺旋式液壓泵驅動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。 （4）雙室氣閘    雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換刀具時，要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時，為了避開開挖面的坍踏，要在泥土倉中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應的氣壓，這樣工作人員要進出泥土倉時，就存在一個適應泥土倉中壓力的問題，通過調整氣閘前室和主室的壓力，就可以使工作人員可以適應常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要留意，只有通過高壓空氣檢查和受到相應培訓有資質的人員，才可以通過氣閘進出有壓力的

17、泥土倉。 現(xiàn)以工作人員從常壓的操作環(huán)境下進入有壓力的泥土倉為例，來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室，關閉前室和主室之間的隔離門，依據(jù)規(guī)定程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時打開主室和泥土倉之間的隔離。（5）管片拼裝機從CC視圖可以看出,管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中，一個內圈為齒圈形式外徑3.2m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內圈通過法蘭與旋轉架相連，拼裝頭與旋轉支架之間用兩個伸縮

18、油缸和一個橫粱相連接?，F(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的狀況為例，來說明拼裝機的運動狀況。兩個拼裝機行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉架、拼裝頭在拼裝機大梁上沿隧道軸線方向移動；安裝在支撐架上的兩個斜盤式軸向柱塞旋轉馬達，通過驅動滾珠軸承的內齒圈可以使旋轉架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉各200度；通過伸縮油缸可以使拼裝頭上升或下降；拼裝頭在油缸的作用下又可以實現(xiàn)在水平方向上的搖擺，和在豎直方向上的搖擺以及抓緊和放松管片的功能。這樣在拼裝管片時，就可以有六個方向的自由度，從而可以使管片精確就位。拼裝手可以使用有線的或遙控的把握器操作管片拼裝機，用來拼裝管片。我們一般接受的是1.2m長的通用管片，一環(huán)管片由六

19、塊管片組成，它們是三個標準塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個不同的位置，代表十種不同類型的管環(huán)，通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線與設計的隧道軸線相擬合。隧道成型后，管環(huán)之間及管環(huán)的管片之間都裝有密封，用以防水。管片之間及管環(huán)之間都由高強度的螺栓連接。（6）排土機構盾構機的排土機構主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機是由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅動，皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節(jié)臺車的尾部，落入等候的碴土車的土箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。螺旋輸

20、送機有前后兩個閘門，前者關閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進或修理時關閉，在整個盾構機斷電緊急狀況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。（7）后配套設備由于隧道內空間狹小,大部分機電設備安裝在盾構機的后配套拖車上。車架為門式結構,中間為通道,頂部安裝皮帶運輸機,兩側安裝機電設備及盾構操縱把握室,拖車和盾構之間的設備橋裝有管片起吊的電動葫蘆(DD視圖),設備橋的一端連接在盾構上,另一端與拖車連接,同時將車架拉向前進。后配套設備主要由以下幾部分組成：管片運輸設備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部

21、件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環(huán)水設備及通風設備等。1.3 盾構掘進機的施工原理圖1.2 盾構機挖掘示意圖從BruneI于1843年首次用盾構工法建筑橫穿英國泰晤士河河底隧道成功，至今已有170年。盾構法是以盾構掘進機(簡稱盾構)為核心的整套完整的建筑隧道的施工方法。如圖1.2所示，現(xiàn)代盾構掘進機是一種地面下暗挖隧道的自動化機械，它具有能夠旋轉的刀盤和可以移動的鋼結構外殼?，F(xiàn)代盾構機不僅能夠實現(xiàn)暗挖、而且平安、掘進速度快、自動化程度高，已經(jīng)能夠應用在各類土質和軟巖地層的隧道挖掘。盾構機的設計制造涉及到上木工程學、力學、機械學、把握科學、信息科學等多學科，是格外簡單的機電裝備，屬于技術密

22、集型產品。盾構法施工時，通過盾構機可以進行開挖、立護、襯砌、等多種作業(yè)的一體化施工，實現(xiàn)了隧道施工的工廠化作業(yè)。盾構工法存在如下一些優(yōu)點3：（1）在盾構支護下進行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟合理地保證隧道平安施工。（2）盾構的推動、出土、襯砌拼裝等可實行白動化、智能化和施工遠程把握信息化，掘進速度快，施工勞動強度較低。（3）地面人文自然景觀受到良好的愛護，四周環(huán)境不受施工干擾：在松軟地層中，開挖埋置深度較大的長距離、大直徑隧道，具有經(jīng)濟、技術、平安、軍事等方而的優(yōu)越性。圖1.3 所示為一種泥土加壓平衡式盾構施工原理簡圖圖1.3所示為一種泥土

23、加壓平衡式盾構施工原理簡圖。刀盤實現(xiàn)挖掘功能并承受正面的水上壓力，盾殼承受四周土層的水土壓力并將水擋在外面，盾殼內裝有排碴、管片拼裝、推動和同步注漿與密封等機械裝置，此外，盾構掘進機還有備種配套裝備。盾構掘進機能夠進行土體開挖、碴上排運、襯砌拼裝和盾體推動等系列操作，使隧道結構施工一次完成。盾構機施工時，需先在隧洞某段的端開挖豎井或基坑，將盾構機吊入安裝，盾構機從豎井或基坑的墻壁開孔處開頭掘進并沿著設計的隧洞軸線推動，直到到達隧洞軸線中的另一豎井或隧洞的某個交匯點。依據(jù)施工條件的不同，將一段連續(xù)的掘進過程分為始發(fā)、初期掘進、正式掘進及到達掘進四個階段。盾構機正式掘進時處于穩(wěn)定的工作周期，即盾構

24、機掘進管片拼裝(盾構機停) 盾構機掘進,出碴列車的運行周期與盾構機的工作周期相吻合，即：列車進入隧道運送管片時間+列車開出隧道運送碴土時間=盾構機一個掘進周期。土體的開挖有很多種，其中手工挖掘方式是最簡潔的一種方法，只有在特殊的土質以及隧洞很短的極少數(shù)狀況下才用，比較普遍的是機械開挖。機械開挖有部分斷面開挖和全斷面開挖兩種狀況。部分斷面開挖通常由裝有特殊刀齒和刀頭的挖掘頭或由挖掘鏟對開挖斷面進行某個部位的挖掘，并通過移動挖掘頭或挖掘鏟來完成對整個斷面的開挖，其挖掘過程可由手工進行操作把握或自動化把握。 全斷面開挖包括：旋轉刀盤挖掘，即由在不同半徑位置依次排列的刀具切削土體來完成全斷面的一次性開

25、挖；高速射流進行的水力挖掘；擠壓式的挖掘，即通過頂推力使具有良好塑性的土壤被擠入盾構前的開口中。目前，盾構掘進機大多接受回轉刀盤進行全斷面挖掘。開挖出來的物料運輸，開挖出來的物料在隧道內的輸送一般由輸運管線(泥水)或皮帶運輸機裝運卡車、裝運出渣列車等方式?，F(xiàn)代的襯砌技術般有預制管片、模扳澆注、噴混凝土等幾種方式，盾構法施工大多接受預制管片。預制管片有鑄鐵，鑄鋼、預制鋼、鋼筋混凝土等類型。對于預制管片外壁面與開挖隧洞內壁面之間存在間隙，通過同步注漿方法進行填實，以削減地面的沉降。2 構刀盤驅動概況和方式比較盾構刀盤驅動系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點，是盾構機的重要組成部分,其擔當驅動刀回旋

26、轉切削開挖面土體攪拌密封艙內土體的任務。盾構驅動方式有三種:一是定速電機驅動,二是變頻電機驅動,三是液壓驅動。2.1 電機驅動及比較鑒于定速電機驅動時，刀盤轉速不能調整,一般不接受。目前刀盤驅動方式常見有變頻電機驅動、液壓系統(tǒng)驅動方式,下表為盾構刀盤驅動方式對比表。表2.1 盾構刀盤驅動方式對比表驅動方式變頻電機驅動液壓驅動體積：驅動部分附屬部分大中小大傳動效率高低修理保養(yǎng)技術要求高一般調速性能好好 地層適應性好好洞內溫度發(fā)熱小、溫度低發(fā)熱大、溫度高過載力量強強設備費用較高中等從這兩種刀盤驅動方式的性能對比中可知,針對各種不同的地層它們都具有良好的調速性能,使刀盤能夠很好地開挖。變頻驅動設備費

27、用高,但是具有較高的傳動效率,較低的能源消耗,可節(jié)省電力費用；液壓驅動具有良好的抗沖擊力量和過載愛護性能,修理保養(yǎng)相對簡潔,牢靠性高。因此兩種驅動方式在盾構上都得到廣泛的使用。2.2 變頻電機驅動變頻電機驅動:刀盤驅動系統(tǒng)主要由變頻電機、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。變頻電機驅動刀回旋轉,刀盤速度可調,具有較大扭矩儲備和較高的傳動效率,能源消耗較低,可節(jié)省電力費用，但其占用空間大。工作原理簡圖如下圖所示： 圖2.1 盾構刀盤變頻驅動系統(tǒng)原理簡圖變頻器驅動電動機,在電動機輸出軸上安裝扭矩轉速傳感器,由扭矩轉速傳感器測得的輸出扭矩T和轉速n送到工控機,計算出電動機的輸出功率P,

28、將輸出功率P與電動機額定功率N，這樣對電動機的扭矩與轉速做恒功率調整。這樣電動機就始終在額定功率四周運行,達到高效節(jié)能的目的。2.3 液壓驅動特點刀盤液壓驅動主要是由液壓泵站、閥組、管路、驅動液壓馬達、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。液壓馬達通過驅動刀回旋轉,刀盤轉速通過液壓系統(tǒng)調整。液壓系統(tǒng)便于刀盤調速,具有良好的抗沖擊力量和過載愛護性能,修理保養(yǎng)相對簡潔,牢靠性高；但其傳動效率低,溫上升。工作過程：通過泵和液壓系統(tǒng)帶動液壓馬達旋轉工作，但是驅動液壓馬達轉速很高，不能直接連接刀回旋轉切割，因此必需要通過減速機減速后，使輸出的驅動小齒輪速度在所規(guī)定的速度范圍之內，再由驅動小齒

29、輪帶動大齒圈轉動，而大齒圈和安裝刀盤的法蘭連接，因此，大齒圈帶動了刀盤法蘭旋轉，從而帶動了刀盤的旋轉實現(xiàn)了，刀盤的旋轉切割。1三滾子軸向徑向主軸承 2大齒圈 3減速器 4螺旋輸送管道 5刀盤 6滾刀圖2.2 刀盤與減速機馬達的簡圖1減速機 2馬達 3壓力傳感器 4三位四通電磁換向閥 5單向閥6兩位四通電磁換向閥 7低壓溢流閥 8高壓溢流閥 9插裝閥10電動機 11變量泵圖2.3 典型盾構刀盤多泵驅動液壓傳動系統(tǒng)原理圖液壓馬達的選用目前主要有兩種配置形式,其一是高速液壓馬達加齒輪減速裝置,其二是直接接受低速大扭矩液壓馬達驅動。目前我國盾構機一般是接受高速液壓馬達加齒輪減速裝置。圖2.3為典型的盾

30、構刀盤多泵驅動液壓傳動系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)是用多個變量泵驅動多個液壓馬達來把握刀盤轉速,其有如下特點4：（1）大功率、超高壓、閉式傳動,結構簡潔、傳動效率高,接受電液比例把握技術,數(shù)臺電液比例變量泵和液壓馬達并聯(lián)使用,便于選型和組合,適用而很寬,可以滿足不同工況的使用要求；（2）通過比例放大器把握比例方向閥,可以很便利地調整變量泵的輸出流量與方向,實現(xiàn)對液壓馬達的雙向無級調速；（3）依據(jù)變量泵高壓端壓力傳感器的實時檢測值,限定比例放大器外部把握電壓的給定值,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率把握,把握精度依據(jù)使用要求山PLC程序設定,調整便利。恒功率傳動把握系統(tǒng)有利于削減裝機功率,適應簡單的地質變化,充分發(fā)揮

31、盾構設備的潛力,增大作業(yè)范圍,提高作業(yè)效率；（4）遠程把握壓力切斷功能防止系統(tǒng)超壓作業(yè),響應速度快,調整便利,有效降低了壓力沖擊,提高系統(tǒng)的牢靠性?？梢詾橄到y(tǒng)雙向作業(yè)供應良好的平安愛護措施；（5）具有較強的抗油液污染力量,系統(tǒng)清潔度要求與常規(guī)液壓系統(tǒng)相同。3 模擬盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)設計盾構刀盤在掘進過程中，雖然工作轉速不高，但由于地質構造簡單、刀盤作業(yè)直徑較大，要求刀盤驅動系統(tǒng)需具備：大功率、大轉矩輸出、抗沖擊、轉速雙向連續(xù)可調、在滿足使用要求前提下減小裝機功率、節(jié)能降耗等工作特點。刀盤的驅動系統(tǒng)必需具有高牢靠性和良好的操作性能，而接受全局功率自適應的泵控馬達系統(tǒng)能大大削減回路過程中溢流損失

32、和節(jié)流損失，散熱效果也好。3.1 液壓驅動系統(tǒng)原理設計本文所設計的用于試驗的盾構模擬試驗平臺刀盤直徑為1.8m。刀盤的液壓驅動系統(tǒng)接受一個變量泵和兩個定量馬達組成閉式把握回路驅動刀盤轉動。液壓系統(tǒng)中接受接近開關實時檢測刀盤的轉速，依據(jù)合適的策略把握變量缸的位移，繼而把握變量泵排量，形成按負載工況變化需要進行連續(xù)實時可控的刀盤驅動液壓把握系統(tǒng)適應掘進中簡單工況，系統(tǒng)節(jié)能效果好4。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)兩種工況,即軟巖工況時的低速大轉矩和硬巖工況時的高速小轉矩,兩種工況轉換可通過把握電磁換向閥9.5來實現(xiàn)。當電磁鐵C斷電時,溢流閥9.4確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設定為10MPa,輸出轉矩小,但流量大

33、(最大為300 L/min),輸出轉速高；當電磁鐵C通電時,溢流閥9.3確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設定為25MPa,輸出轉矩大,但流量小,輸出轉速低。在整個掘進過程中刀盤轉速是是實時連續(xù)可調的，可通過調整變量泵12排量實現(xiàn)轉速調整。壓力傳感器4測量液壓馬達的進油口壓力,壓力信的信號可實時反饋到主泵比例閥上，構成速度閉環(huán)把握系統(tǒng)。液壓馬達2的正反轉可通過電液換向閥7來把握,電磁鐵B1通電,馬達正轉,電磁鐵B2通電,馬達反轉,由此可知該系統(tǒng)輸出功率始終與負載所需功率相適應當系統(tǒng)壓力超過平安閥9.2設定的壓力時，先導平安閥9.2導通后，插裝閥的主閥芯打開，系統(tǒng)溢流。壓力管路過濾器10設有壓差發(fā)

34、訊裝置10.2，當濾芯污染堵塞到進出油口壓差為0.35MPa時，即發(fā)出報警(開關)信號，此時應準時更換濾芯，如此時不能1減速機 2插裝式定量馬達 3梭閥 4壓力傳感器 5、6球閥7 二位四通電液換向閥8壓力傳感器 9插裝閥 9.1單向閥 9.2平安閥 9.3溢流閥 9.4溢流閥9.5二位四通電磁換向閥 10壓力管路過濾器 10.1壓力管路過濾器 10.2發(fā)訊器11壓力表 12變量泵 12.1變量泵放人器 13電機 14聯(lián)軸器 16減震條 17吸油過濾器17.1濾芯 18球閥 19油箱 20電子溫度繼電器 21液位把握繼電器圖3.1 盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)原理圖馬上停機或無人來更換濾芯，設在過濾器

35、蓋內的旁通閥會自動開啟，以達到愛護系統(tǒng)平安的目的。主泵12出口安裝了單向閥9.1，可防止當泵檢修或系統(tǒng)停泵時油液倒流。當油箱內的液位把握繼電器21報警時電液換向閥7應斷電處于中位，電機13停轉，主泵12停轉。電子溫度繼電器20用來監(jiān)測油箱中的溫度，當油箱中的溫度處于下切換點溫度時，電子溫度繼電器20發(fā)出報警信號，并啟動油冷卻器。當油箱中的溫度處于上切換點溫度時，此時三位四通電液換向閥7應斷電處于中位，電機13停轉。3.2 刀盤轉速把握及功率限定把握盾構施工時要求刀盤轉速連續(xù)實時可調,同時為了防止重載狀況下電機超載,還需要對液壓系統(tǒng)進行功率限定把握。由于本系統(tǒng)接受變量泵控定量馬達的方案,因此刀盤

36、轉速的調整是通過把握變量泵排量實現(xiàn)的,同時,該泵內部變量機構含有功率限定模塊,因此可以滿足上述把握要求。系統(tǒng)接受了Rexroth LRDUZ把握型變量泵,這把握類型的泵可以實現(xiàn)流量、功率復合把握。變量把握機構工作原理如圖所示。變量把握機構包括帶比例電磁鐵的流量把握先導閥1、恒功率把握閥2、壓力反饋油缸3、推桿4、折形桿5、變量缸小缸6、變量缸大缸7和梭閥8。這是一個壓力位移一力反饋式排量調整機構。先導級的位移輸入由比例電磁鐵給出,先導級的力平衡方程打算閥口開度,變量缸的力平衡方程打算變量活塞的位移。通過試驗可得，泵的排量在其整個范圍內可無級調整，并與比例電磁鐵的把握電流成比例。 若泵的G油口沒

37、有外接把握油，泵剛開啟時，系統(tǒng)沒有壓力，推桿6上的彈簧推動它到最左側位置，這時斜盤傾角最小，泵的排量最大。此時，變量缸7的活塞在最右側位置，將其右側的彈簧壓縮到最短，安裝在推桿6上的油缸3和桿4處在最左側位置，先導閥1的閥芯在右位，右側桿4上的彈簧壓縮到最大，先導閥2的閥芯處在右位。隨著系統(tǒng)漸漸建立壓力，推動梭閥8的閥芯上圖3.2 變量把握機構移，液壓油經(jīng)比例閥1流入變量缸7的右腔，當變量缸7右腔壓力及其彈簧力與先導閥1右側彈簧力之和大于推桿6的彈簧力時，推桿6右移，同時變量缸7活塞左移，泵的排量變小。當系統(tǒng)壓力達到3MPa時，變量缸7的活塞在最左側位置，推桿6在最右側位置，斜盤傾角最大，泵的

38、排量為零，只有少量內泄漏。此時，油缸3和桿4處在最右側位置，油缸3的活塞有微小的伸出。先導閥1右側桿4上的彈簧壓縮量最小，閥芯仍在右位，先導閥2的閥芯處在右位。若泵的G油口外接把握油，把握油壓力達到3MPa,則泵在把握油壓的作用下，變量缸7的活塞在最左側位置，斜盤傾角最大，排量輸出為零。當系統(tǒng)處于某一工作壓力下，油缸3的下腔壓力推動活塞使其處于某個位置，使折形桿S轉動，因而，先導閥2的閥口開度與泵出口壓力相適應。當外加比例信號大于200mA時，先導閥1的比例電磁鐵推力大于其右側的彈簧力，閥芯右移，閥口開度減小，進出口壓差增大，因而，變量缸7右腔的壓力減小，活塞右移，斜盤傾角變小，泵的排量增大。

39、當比例信號達到600mA時，先導閥1的閥芯到最右側，變量缸7右腔接油箱，活塞處于最右端，泵的排量達到最大。若設定流量不變，當負載增大，系統(tǒng)壓力變大，變量缸右腔壓力增大，活塞左移，排量變小。同時，推桿6帶動推桿4右移，推桿4上作用在先導閥1右側的彈簧力減小，使先導閥1的閥芯右移，閥口開度變小，壓差變大，使得變量缸的右腔壓力變小，變量缸活塞又恢復到原位置，泵排量不變。假如工作壓力使功率曲線超過，油缸3的活塞伸出，推動折形桿5轉動，使先導閥2右側彈簧大大壓縮，先導閥2的閥芯到左位，進入到先導閥2的液壓油全部進入到先導閥1，使變量缸7的右腔壓力上升，活塞左移，斜盤傾角變大，排量變小。因此，恒功率把握優(yōu)

40、先于變量把握，假如設定流量或工作壓力使功率曲線超過，則恒功率把握取代電控變量并依據(jù)恒功率曲線減小排量。當?shù)陀诠β是€時，排量受把握電流的調整，泵輸出的流量只與輸入把握信號相關，而不受負載壓力變化的影響，即，在功率限制范圍內能適應負載的變化。所以，泵始終能工作于與負載匹配的工況，具有明顯的節(jié)能效果。3.3 刀盤轉動方向把握 盾構施工時要求刀盤可以實現(xiàn)正、反轉。本系統(tǒng)接受三位四通電液力方向閥把握液壓馬達的油液流入、流出方向，實現(xiàn)馬達轉動方向的轉變，從而把握刀盤的轉動方向。 系統(tǒng)接受了Rexroth 4WEH型方向閥，是電液操作方向把握滑閥，其內部機構如圖2-6所示。此類閥主要包括閥體(1)、主把握

41、閥芯(2)、兩個對中彈簧( 3.1)和(3.2 )，帶兩個電磁鐵(電磁鐵“a”： (5.1)，電磁鐵，“b”: (5.2)的先導閥(4)。主閥閥芯由彈簧或液壓力保持在中位。在中位，兩個彈簧腔(6)和(8)通過先導閥(4)供油，把握油可以由內部或者外部供應(外部供應油口X)。圖3.3 4WEH型方向閥內部結構圖當先導閥操作時，如電磁鐵“a”得電，先導滑閥(10)向左移動，因此彈簧腔(8)獲得先導油壓力而彈簧腔(6)保持無壓狀態(tài)。先導壓力施壓于仁閥芯的左端，并克服彈簧力(3.1)，最終使主閥P至B和A至T被連通。當電磁鐵斷電時，先導閥回到初始位置，彈簧腔(8)向油箱卸荷，把握油從彈簧腔經(jīng)先導閥排入

42、Y口回油箱。3.4 液壓驅動系統(tǒng)主要參數(shù)設計計算與元件選型盾構刀盤驅動液壓系統(tǒng)由液壓泵站、把握閥組、蓄能器組件、管路、液壓馬達、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。盾構刀盤驅動系統(tǒng)技術要求如下5。（1）功能要求：1）可實現(xiàn)主刀盤的正轉、反轉與停止把握；2）滿足軟土、沙土等不同工況下的負載要求；3）主刀盤在規(guī)定的轉速范圍內可實現(xiàn)遠程連續(xù)調整；4）主刀盤在非工作狀態(tài)下能點動與牢靠制動；5）可實現(xiàn)功率限定和過載愛護；6）最高壓力限制和超壓愛護；（2）牢靠性要求：1）液壓系統(tǒng)超載愛護；2) 液壓系統(tǒng)超壓愛護；3) 液壓系統(tǒng)超溫愛護；4) 工作狀態(tài)下刀盤牢靠制動愛護；5) 與電控系統(tǒng)協(xié)作可

43、實現(xiàn)電液聯(lián)鎖愛護。（3）工況分析：1）刀盤驅動扭矩的實質配置應大于等于刀盤裝備扭矩。盾構掘進時，推動速度、推動力、土倉中壓力和刀盤轉速都直接影響刀盤扭矩，因而刀盤裝備扭矩必需依據(jù)地質形式、盾構形式、盾構結構打算。一般接受閱歷計算法計算刀盤裝備扭矩T。閱歷計算公式： .式中：刀盤裝備扭矩 單位為N.m;盾構機的外徑 單位為m;扭矩系數(shù)，依據(jù)盾構直徑、土質等不同而不同，一般為：1.4-2.3。2）刀盤轉速依據(jù)地質條件及施工要求確定，最高轉速一般在0.5-1.5r/min。3）由于盾構機的刀盤轉速不行過大，因此在液壓馬達和刀盤之間要增加減速機，依據(jù)閱歷減速機的減速范圍為20-2000。（4）設計參數(shù)

44、此盾構機模擬試驗臺刀盤液壓驅動系統(tǒng)設計參數(shù)：直徑D=1.8m；扭矩系數(shù)a=2；則刀盤扭矩：117kN.m；刀盤轉速：06 r/min；刀盤驅動：液壓馬達：2臺； 減速機： 2臺；減速機的減速比：；大齒輪齒數(shù)83；小齒輪齒數(shù)14；大齒圈速比：依據(jù)上述設計要求，對系統(tǒng)液壓與動力元件進行計算并選型。3.4.1 液壓驅動原件的選型（1）液壓泵的選型 1）液壓馬達的最大轉速：.式中一刀盤最大轉速, ；一齒圈速比, ； 減速機的減速比, 。系統(tǒng)輸出最大扭矩時刀盤轉速為1.5r/min,此時馬達相應的轉速為：.2）液壓馬達的最大輸出扭矩：.式中：馬達的個數(shù)； 減速機及齒輪的總機械效率 ；3）液壓馬達進出口工

45、作壓差：.式中: 馬達的排量, ；馬達的機械效率, ；4）由于馬達出口直接回油箱,所以可認為執(zhí)行元件最大工作壓力：24MPa.故可選用Rexroth公司的A2FE45/61WNZL191液壓馬達。其標稱數(shù)據(jù)如下： 排量 ；最高轉速 ；最大流量 ；當量扭矩 ；當時，扭矩。5）液壓馬達實際流量：.式中: 馬達的容積效率, 6）液壓泵的工作壓力確定液壓泵所需最大工作壓力的確定6，主要依據(jù)執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段所需最高工作壓力，再加上油泵的出油口到執(zhí)行元件進油口處總的壓力損失，即.包括油液流至流量閥和其它元件的局部壓力損失、管路沿程損失等。參考以下閥壓力損失。背壓閥壓力損失：；節(jié)流閥壓力損失：；挨次

46、閥壓力損失：；換向閥壓力損失：；依據(jù)閱歷可得總壓力損失為。則可得液壓泵所需最大工作壓力。7）液壓泵所需最大排量：.式中: 泵的容積效率, 液壓泵的輸出功率：.馬達的機械效率；馬達的容積效率；在盾構機中，泵一般接受軸向柱塞變量泵。柱塞泵的特點是泄露小，容積效率高，可以在高壓下工作，并可實現(xiàn)變量。軸向柱塞泵還可分為兩種：斜盤式和斜軸式。斜盤式軸向柱塞泵的傳動軸中心線與缸體中心線重合，可通過轉變斜盤與缸體傳動軸中心線的夾角來實現(xiàn)變量。一般限用于小流量和中高壓的場合。 斜軸式軸向柱塞泵的傳動軸相對于缸體中心線傾斜一個角度，可通過轉變軸和缸體之間 的夾角來實現(xiàn)變量。這種泵適用于要求排量大的場合，但結構簡

47、單。依據(jù)上面計算的壓力和流量，查產品樣本資料，故選用Rexroth公司的A11VO260LRDU2/11R-N2D12K01變量泵。其標稱數(shù)據(jù)如下： 排量： ； 最大允許流量 ； 最高轉速 ；實際工況校核轉速：.故選的泵符合工況要求。3.4.2 系統(tǒng)主驅動用電機的選擇與減速機的設計（1）電機的選擇系統(tǒng)為單泵供油系統(tǒng),則一臺馬達輸出功率：.兩臺馬達相同，則馬達總功率.由上可知，電機的輸出功率為：.式中：馬達的機械效率；馬達的容積效率；泵的機械效率；泵的容積效率；綜合上述，依據(jù)功率可選擇ABB公司的M2QA225M4A三相異步電動機,其額定轉速為1475r/min。其標稱數(shù)據(jù)如下：額定功率：45W

48、； 額定轉速：1475rpm；效率：92.5； 功率因數(shù)：0.88；電流：84A； 轉矩：291N.m；最大轉矩：669.3N.m； 轉動慣量：；（2）減速機的設計由上文選擇的液壓馬達最高轉速 ，選定減速機的減速比。一級圓柱齒輪減速器最大為60.因此可以設計成二級斜齒輪圓柱齒輪減速器，低速級大齒輪齒數(shù)為83，與之配對的齒輪齒數(shù)為14；高速級小齒輪齒數(shù)為14，與之配對的齒輪齒數(shù)為142。高速級和低速級齒輪材料相同如下：小齒輪 40Cr 調質處理 HB=280HBS； 大齒輪 45鋼 調質處理 HB=240HBS；高速級配對齒輪模數(shù)為2，低速級齒輪模數(shù)為2.5。高速軸1、2設計，按齒輪軸設計，軸的

49、材料取與高速級小齒輪材料相同，都接受40Cr。軸的設計計算，軸的材料選用40Cr（調質），結構件如零件圖。箱體的結構尺寸以及軸的結構如裝配圖。3.4.3 液壓把握元件的選擇液壓元件的選取原則6:1）、考慮系統(tǒng)各部分的最高工作壓力，即考慮液壓元件的承壓力量；2）、考慮系統(tǒng)各部分所需最大流量，即考慮液壓元件的通流力量；3）、考慮各公司液壓產品的牢靠性與性能。液壓閥及過濾器的選擇7依據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過該閥的最大流量，可選擇這些元件的型號及規(guī)格。該模擬盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)的中全部閥的額定壓力為26Mpa，額定流量依據(jù)各閥通過的流量確定為200L/min，250 L/min，300 L

50、/min三種規(guī)格。梭閥：接受賀德克公司中型號為WVT-l0S-X管式安裝的球型座閥。其公稱壓力為=35MPa。球閥：整個系統(tǒng)壓力很大，故接受賀德克公司中KHM-G11/2 高壓球閥。平安閥：接受力士樂DB6D直動式溢流閥， 最大工作壓力:31.5MPa，最大體積流量：60 l/min。溢流閥：可接受力士樂公司中型號為DBD-S6K1直動式溢流閥。3.4.4 液壓油的選擇由于該盾構刀回旋轉切割液壓系統(tǒng)的壓力比較高、工作的環(huán)境溫度也比較高、工作部件做旋轉運動，故宜選用粘度較高的壓力油來削減容積損失。該液壓變量泵對液壓油粘度也有要求，通過查閱有關液壓手冊和產品樣本得該泵適用與于粘度較高的液

51、壓。通過上面分析以及結合次系統(tǒng)的考慮，可選用抗磨液壓油型號YB-N46液壓油，簡稱N46號抗磨液壓油。40度時運動粘度為。3.4.5 液壓幫助元件設計和選擇（1）油管設計和接頭的選擇7依據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定，由于次液壓系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，故選用20號優(yōu)質碳素結構鋼冷拉成的無縫鋼管，它的抗拉強度大于410MPa。則油 管尺寸內徑可按下計算公式：式中：為通過油管的最大流量，=為管道內允許的流速，一般吸油管取0.5-5m/s；壓力油管取2.5-5m/s；回油管取1.5-2m/s。令； ； 。吸油管內徑為.回油管內徑為.壓油管內徑為.油管最大壁厚為.式中： 油管材料的許用壓力；為材料的抗拉強度

52、，無縫鋼管查機械手冊可取；這時=；為油管壁厚；為管內最大工作壓力；油管內徑；為平安系數(shù)，當時，。其余油管接口有關尺寸可依據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定。油管的接頭全部選用卡套式管接頭，卡套式直通管接頭(GB/T 3733-2008) ；卡套式錐螺紋直通管接頭(GB/T 3734-2008) ；卡套式錐螺紋彎通三通管接頭(GB/T 3744-2008) ；卡套式三通管接頭(GB/T 3745-2008) 。（2）油箱的結構設計油箱的作用是儲油、散發(fā)油的熱量、沉淀油中雜質、逸出油中氣體。在該模擬盾構機中接受開式油箱，油箱的有效容積可近似用液壓泵單位時間內排出油液的體

53、積確定8。因此油箱的有效容積可按下述閱歷公式確定:.式中: 油箱的有效容積,L；與系統(tǒng)壓力有關的系數(shù),高壓系統(tǒng)取6-12，；系統(tǒng)中各執(zhí)行元件同時工作時的最大流量,包括刀盤驅動。則各驅動的總流量為 =289.9+23.1=313L/min。為了在相同的容量下得到最大的散熱面積，郵箱外形以立方形或長六面體為宜。油箱的頂蓋上一般要安放泵和電機以及閥的集成裝置等，據(jù)此可以確定箱蓋的尺寸。另外最高油面只允許達到郵箱的80%，這樣可以確定箱體高的尺寸。油箱的總容積可按下述閱歷公式確定:=l.25.所以,油箱內長:寬:高可分別設計為mm: mm:1000mm。油箱用厚度為3mm的不銹鋼鋼板焊接而成，頂蓋一般

54、要適當?shù)募雍窨稍O置為4mm。油箱整體設計為接受骨架式結構，由于該油箱為大容量且為較高；油箱底腳高度設計應在150mm以上，為了散熱、搬油、和放油；油箱四周要安裝吊耳，為了吊裝和運輸；油箱要設置2個隔板，高度約為油面的三分之二或接近油面。是為了將吸油和回油隔開，使油液循環(huán)流淌并且分別回油帶進來的氣泡和雜質。油箱要設置空氣濾清器，布置在頂蓋上靠油箱邊緣處，目的是為了使油箱與大氣相通，保證泵的自吸力量，以及濾除空氣中的灰塵雜物，還兼作加油口用。油箱還要設置液位計，監(jiān)測油面高度，為標準件，可選用黎明公司型號為YWZ-500。油箱底面做成斜面，在最低處設置放油口，用放油閥堵住，換油可打開放走污油。油箱蓋板和窗口連接處都設置成加密封墊，各進、出油管通過的孔都需要裝有密封墊。油箱具體結構和位置見圖紙。（3）濾油器的選擇選擇一般過濾精度的自封式吸油濾油器，公稱流量要大于濾油器一般是按泵的額定流量的兩倍選取吸油過濾器，經(jīng)過查表可選擇型號為 TF-600X100L,濾芯配套選擇型號為TFX-600X100。（4）冷卻器的選擇液壓系統(tǒng)的工作溫度一般期望在30度到50度的范圍之內，最高不要超過65度，最低不低于15度。由下文系統(tǒng)發(fā)熱可知，工作溫度