盾構(gòu)機推力計算

第4頁共11頁7.8.2盾構(gòu)機的推力和扭矩計算盾構(gòu)機的推力和扭矩計算包括軟土和硬巖兩種情況進行。7.8.2.1在軟土中掘進時盾構(gòu)機的推力和扭矩的計算地層參數(shù)按〈6〉巖石全風化帶選取，由于巖土體中基本無水，所以水壓力的計算按水土合算考慮。選取可能出現(xiàn)的最不利受力情況埋深斷面進行計算。根據(jù)線路的縱剖面圖，〈6〉層埋深不大，在確定盾構(gòu)機拱頂處的均布圍巖豎向壓力Pe時，可直接取全部上覆土體自重作為上覆土地層壓力。盾構(gòu)機所受壓力：Pe=γh+P0P01=Pe+G/DLP1=Pe×λP2=(P+γ.D)λ式中：λ為水平側(cè)壓力系數(shù)，λ=0.47h為上覆土厚度，h=12.8mγ為土容重，γ=1.94t/m3G為盾構(gòu)機重，G=340tD為盾構(gòu)機外徑，D=6.25m；L為盾構(gòu)機長度，L=8.32m；P0為地面上置荷載，P0=2t/m2；P01為盾構(gòu)機底部的均布壓力；P1為盾構(gòu)機拱頂處的側(cè)向水土壓力；P2為盾構(gòu)機底部的側(cè)向水土壓力；Pe=1.94×12.8+2=26.83t/m2P01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m2P1=26.83×0.47=14.89t/m2P2=(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m27.8.2.1.1盾構(gòu)推力計算盾構(gòu)的推力主要由以下五部分組成：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為后方臺車的阻力，式中：C為土的粘結(jié)力，C=4.5t/m2式中：WC、μC為兩環(huán)管片的重量（計算時假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)，當管片容重為2.5t/m3，管片寬度按1.5m計時，每環(huán)管片的重量為24.12t），兩環(huán)管片的重量為48.24t考慮。μC=0.3式中：Gh為盾尾臺車的重量，Gh≈160t；θ為坡度，tgθ=0.025μg為滾動摩阻，μg=0.05盾構(gòu)總推力：7.8.2.1.2盾構(gòu)的扭矩計算盾構(gòu)配備的扭矩主要由以下九部分組成。在進行刀盤扭矩計算時：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α=60°每轉(zhuǎn)切深h=1cm刀盤直徑D=6.28m盤形滾刀刀間距，Bm=2htgφ/2式中：φ為巖石的自然破碎角，查表選取φ=155°Bm=2×1×tg155/2=9.5cm≈10cm7.8.2.2.1盾構(gòu)推力的計算硬巖具有完全自穩(wěn)能力。在硬巖中掘進時，盾構(gòu)機的拱頂、兩側(cè)、底部所受的壓力均很小，對盾構(gòu)機的推進影響不大，盾構(gòu)機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)機的推力，其它在選取盾構(gòu)機推力的富裕量時進行統(tǒng)籌考慮。根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計算盤形滾刀的滾壓推力，每個盤形滾刀的推力F總=mF力式中：F力為單個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)量式中：Kd為巖石的滾壓系數(shù)，查表取Kd=0.55R壓為巖石的抗壓強度，R壓=62.3Mpa=623kg/cm2ri為盤形滾刀的刃角半徑；ri=8cmθi為盤形滾刀的半刃角；θi=30°φ為巖石的自然破碎角，φ=155°m=D/(2×Bm)式中：D為刀盤的外徑，D=6.28mBm為滾刀的刀間距，Bm=10cmm=6.28/(2×10×10-2)=31本盾構(gòu)機設計雙刃滾刀19把，合計單刃滾刀38把，滿足需要。盾構(gòu)機的總推力：F總=mF力=38×24.64=936.32t7.8.2.2.2盾構(gòu)扭矩的計算硬巖掘進的扭矩主要由以下三部分組成：式中：T1為刀盤滾動阻力矩計算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．刀盤滾動阻力矩計算T1式中：F為盤形滾刀的滾動力式中：ξ為與被滾壓巖石自由面條件和形狀有關的換算系數(shù)，ξ=0.8P力=F壓=24.64h為每轉(zhuǎn)切深，h=1cmR為盤形滾刀的半徑，R=mmBm為盤形滾刀刀間距，Bm=10cm=0.1mb．石碴提升所需要的扭矩T2T2=qπR2hμ1R式中：q為石碴容重，q=2.59t/m3R=3.14mH=1mm/nμ1為刀盤系數(shù)，μ1=0.70T2=2.59×π×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75tc．克服刀盤自重所需要的扭矩T3T3=W1μ1R式中：W1為刀盤自重，W1=55tμ1=0.70R=3.14mT3=55×0.70×3.14=120.51t·m硬巖掘進所需要的力矩T=204.99+1.75+120.51=327.25t·m7.8.2.3推力和扭矩的選取及驗證軟土中掘進：推力F=1754.24t，扭矩T=365.48t·m硬巖中掘進：推力F=936.32t，扭矩T=327.25t·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)的推力實際上要比計算出來的大，按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，盾構(gòu)實際配備的推力為計算值的1.5倍。按照《MechanisedShieldTunnelling》一書（作者：BernhardMaidl；MartinHerrenknecht；LotharAnheuser等）介紹的經(jīng)驗公式進行驗算式中：α為經(jīng)驗系數(shù)，按下圖取500~1200D為盾構(gòu)外徑，D=6.25m本盾構(gòu)機設計總推力為3421t，既大于理論計算值，又處于經(jīng)驗計算值之間，說明盾構(gòu)機的推力是足夠的。當用刀盤扭矩的經(jīng)驗公式計算刀盤扭矩時T=αD3式中：α：扭矩系數(shù)，取α=1.8T=1.8×6.253=441.6t·m本盾構(gòu)機額定扭矩T=450t·m，最大扭矩Tmax=530t·m，可同時滿足理論計算及經(jīng)驗計算的要求。7.8.3刀盤的驅(qū)動功率a．刀盤驅(qū)動所需功率：式中：Tc為刀盤驅(qū)動的最大扭矩；Tc=530t·mn為刀盤最大扭矩時的轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)機設計的最大扭矩相對應的轉(zhuǎn)速為1r/m，則刀盤執(zhí)行機構(gòu)實際功率為：b.液壓馬達所需總功率：其中：ηm為馬達效率，ηm=0.85m為液壓馬達數(shù)量，m=8每個馬達功率為：c.驅(qū)動電機的總功率：其中：ηd為電機效率，ηd=0.9本盾構(gòu)機刀盤電機配備的功率為945kW，在滿足上述計算要求的情況下，仍有較大富裕，以應付掘進過程中不明因素的影響。7.8.4盾構(gòu)推進所需功率盾構(gòu)機最大推進功率PT可按：PT=F·V式中：F總推力，F(xiàn)=3421tV最大推進速度，V=8cm/minPT=3421×10×8×10-2/60=45.6kW本盾構(gòu)機的推進功率取值為55kW，可滿足上述要求。7.8.5螺旋輸送機參數(shù)的確定a．輸送量Q理論出土量QL可按：式中：D為盾構(gòu)的開挖直徑，D=6.28mVmax為盾構(gòu)的開挖速度，Vmax=8cm/min×60=4.8m/hα為土的松動系數(shù)取為，α=1.5本盾構(gòu)機的螺旋輸送機的輸送能力為400m3/h，可滿足計算要求。b．螺旋輸送機驅(qū)動功率螺旋輸送機所需功率：式中：w0為物料阻力系數(shù)，取3.2γ為土的容重，取1.94t/m3L、H為螺旋輸送機的水平長度和高度初定螺旋輸送機的長度為10m，傾角為23°則：L=10×cos23°=9.205mH=10×sin23°=3.907m所以，電機所需功率：本盾構(gòu)機螺旋輸送機驅(qū)動電機功率315kW，可以滿足上述計算要求。7.8.7皮帶輸送機的參數(shù)確定皮帶輸送機的輸送量應與螺旋輸送機的輸送量相匹配，按450m3/h確定皮帶輸送機的參數(shù)進行計算。確定帶寬B式中：Q為皮帶輸送機的輸送量取450m3/hKd為端面系數(shù)，查表Kd=355Kv為速度系數(shù)，查表Kv=0.96Kβ為傾角系數(shù)，查表Kβ=1V為帶速，V=2.5m/s取標準帶寬，B=800mmb．皮帶輸送機的功率計算皮帶輸送機的功率即為電動滾筒的功率，電動滾筒的功率N可按：

式中：Kq為滿載