盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)(刀盤切割旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng))設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課 題 名 稱 盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)（刀盤切割旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)）設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 李茂林 學(xué) 號(hào) 0941101075 系、年級(jí)專業(yè) 機(jī)械與能源工程系、2009級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（機(jī)電一體化方向） 指 導(dǎo) 教 師 戴正強(qiáng) 職 稱 講師 2013年5月22日內(nèi)容提要盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開(kāi)挖的技術(shù)密集型超大工程裝備。論文以直徑1.8m模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究對(duì)象。論文開(kāi)始對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，主要包括:盾構(gòu)機(jī)的分類，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和施工原理。也介紹了盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)方式種類，有定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，一

2、般不采用，常見(jiàn)有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)方式。接著對(duì)盾構(gòu)施工的復(fù)雜工況進(jìn)行了分析，提出了適用于復(fù)雜工況的直徑1.8m模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其中的主要控制功能模塊進(jìn)行了原理介紹，并進(jìn)行了該系統(tǒng)液壓元件主要參數(shù)的計(jì)算、校核與選型，同時(shí)采用了三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E對(duì)液壓系統(tǒng)的主要閥塊和泵站進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以及集成設(shè)計(jì)。最后總結(jié)全文以及展望了今后的研究方向。SUMMARYShield machine is a mechanical, electrical, hydraulic, measurement, control, and other multi-disciplinary techn

3、ology 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, mainly i

4、ncludes: 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 cant adjust, generally do not use, common have freq

5、uency 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 control function

6、 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 summarizes the ful

7、l text, and prospects the future research direction.目錄內(nèi)容提要ISUMMARYII 1 盾構(gòu)機(jī)介紹1 1.1 盾構(gòu)機(jī)的分類1 1.2 盾構(gòu)機(jī)的組成及功能2 1.3 盾構(gòu)機(jī)的施工原理6 2 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)概況和方式比較 92.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及比較9 2.2 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)102.3 液壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)103 模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及集成設(shè)計(jì)143.1 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)143.2 刀盤轉(zhuǎn)速控制及功率限定控制163.3 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制 183.4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與元件選型19 3.5壓力損失驗(yàn)算293.6液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算

8、303.7盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成32 4 結(jié)論及展工作望36 4.1 論文總結(jié)36 4.2 工作展望36參考文獻(xiàn)38 致謝391 盾構(gòu)機(jī)介紹隨著人類文明飛速發(fā)展，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)到地下空間，各種隧道工程的需求對(duì)施工技術(shù)提出了更高的要求，促進(jìn)了隧道施工技術(shù)的發(fā)展。隧道的施工方法從傳統(tǒng)的明挖法、蓋挖法、礦山法發(fā)展到管段沉做法、盾構(gòu)法、全斷面隧道巖石掘進(jìn)機(jī)工法等1。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)械、電器、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體的、專用于地下隧道工程開(kāi)挖的技術(shù)密集型超大工程裝備。具有開(kāi)挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、安全性高、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其

9、在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高而隧道埋深較大時(shí)，只能依賴盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。1.1 盾構(gòu)機(jī)的分類由盾構(gòu)機(jī)與特定的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征的匹配情況決定了在不同施工環(huán)境，盾構(gòu)機(jī)所具有的三種類別：軟土盾構(gòu)機(jī)、硬巖盾構(gòu)機(jī)(TBM)和混合盾構(gòu)機(jī)三類。軟土和硬巖盾構(gòu)機(jī)是在同一地層中使用的盾構(gòu)機(jī)。（1）軟土盾構(gòu)機(jī)軟土盾構(gòu)機(jī)是指適用于未固結(jié)成巖的軟土、某些半固結(jié)成巖以及全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化圍巖條件下的一類盾構(gòu)機(jī)。北京、上海、南京、天津等地在純軟土地層中使用的盾構(gòu)機(jī)是典型的軟土盾構(gòu)機(jī)。僅安裝刮刀，不需要滾刀。（2）硬巖盾構(gòu)機(jī)廣義的硬巖盾構(gòu)機(jī)是指巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)。它適用于硬巖且圍巖巖層較致密完整的一類盾構(gòu)機(jī)。秦嶺鐵路

10、隧道和引黃入晉水利工程使用的是典型的硬巖盾構(gòu)機(jī)。山西萬(wàn)家寨引黃工程使用的硬巖盾構(gòu)機(jī)球面刀盤，只安裝滾刀，不安裝刮刀。（3）混合盾構(gòu)機(jī) 混合盾構(gòu)機(jī)是指設(shè)備具有的功能的“混合”，這類盾構(gòu)機(jī)既具有軟土盾構(gòu)機(jī)的功能又具有硬巖盾構(gòu)機(jī)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(kāi)胸式掘進(jìn)又可以閉胸式掘進(jìn)，等等。這是一類能適應(yīng)更為復(fù)雜多變的復(fù)合地層的盾構(gòu)機(jī)。廣州地鐵大塘漢溪區(qū)間使用的是混合盾構(gòu)機(jī)，其刀盤兼有軟土和硬巖盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)。在特定的盾構(gòu)施工環(huán)境，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)采用的“出渣進(jìn)料”方式或最優(yōu)開(kāi)挖和出土功能的方式，可以分為開(kāi)胸式、半開(kāi)胸式、閉胸式和氣壓式。按平衡開(kāi)挖面土壓與水壓的原理不同，密閉式盾構(gòu)機(jī)又

11、可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種。敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)按開(kāi)挖方式劃分，可分為手掘式、半機(jī)械挖掘式和機(jī)械挖掘式三種。按盾構(gòu)機(jī)的斷面形狀劃分，有圓形和異型盾構(gòu)機(jī)兩類，其中異型盾構(gòu)機(jī)主要有多圓形、馬蹄形和矩形。盾構(gòu)機(jī)根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)，擠壓式盾構(gòu)，半機(jī)械式盾構(gòu)（局部氣壓、全局氣壓），機(jī)械式盾構(gòu)（開(kāi)胸式切削盾構(gòu)，氣壓式盾構(gòu)，泥水加壓盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)，混合型盾構(gòu)，異型盾構(gòu)）。1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的組成及功能目前圓柱形盾構(gòu)機(jī)是最為常見(jiàn)的一種類型，圖1-1為L(zhǎng)OVAT公司的RME306SE型號(hào)的土壓平衡（EPB）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)組成原理圖。該盾構(gòu)機(jī)直徑為7.8m，總長(zhǎng)80m。下面就以該圖土壓平衡式盾構(gòu)

12、機(jī)為例介紹盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的組成及各部分的功能，土壓平衡式盾構(gòu)主要組成系統(tǒng)包括：刀盤及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、盾殼及盾尾密封設(shè)備、雙室氣閘、管片拼裝機(jī)及同步注漿設(shè)備、排土機(jī)構(gòu)、后配套及輔助設(shè)備2。圖1.1 盾構(gòu)機(jī)組成簡(jiǎn)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(jiǎn)體。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來(lái)支撐刀盤驅(qū)動(dòng)，同時(shí)使泥土倉(cāng)與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過(guò)承壓隔板作用到開(kāi)挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開(kāi)挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個(gè)土壓傳感器，可以用來(lái)探測(cè)泥土倉(cāng)中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過(guò)法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有30個(gè)推進(jìn)油缸，推進(jìn)

13、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(guò)控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機(jī)向前的掘進(jìn)力，這30個(gè)推進(jìn)油缸按上下左右被分成A、B、C、D四組，掘進(jìn)過(guò)程中，在操作室中可單獨(dú)控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的軸線盡量擬合隧道設(shè)計(jì)軸線。從BB視圖可以看出，該盾構(gòu)機(jī)安裝了11臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤和24個(gè)液壓油缸實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)的排土機(jī)構(gòu)主要包括螺旋輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，皮帶輸送機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。碴土由螺旋輸送機(jī)從泥土艙中運(yùn)輸?shù)狡л斔蜋C(jī)上，皮帶輸送機(jī)再將碴土向后運(yùn)輸，落入等候的碴土車中。中盾的后邊是尾盾

14、，尾盾通過(guò)14個(gè)被動(dòng)跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構(gòu)機(jī)易于轉(zhuǎn)向。盾尾的功能是實(shí)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(guò)盾尾與管片間的間隙進(jìn)入到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，另一方面通過(guò)盾尾殼體內(nèi)置的同步注漿管，將注漿泵輸送來(lái)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(gòu)機(jī)的刀盤位于盾構(gòu)的最前部，是一個(gè)帶有多個(gè)碴槽的切削盤體，刀盤上安裝有盤形滾刀和刮刀用于對(duì)巖土層切。有時(shí)，刀盤的外側(cè)還裝有一把超挖刀,盾構(gòu)在轉(zhuǎn)向掘進(jìn)時(shí)，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴(kuò)大開(kāi)挖直徑，這樣易于實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的轉(zhuǎn)向。

15、刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉(cāng)中進(jìn)行換。法蘭板的后部安裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤(rùn)土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。 （3）刀盤驅(qū)動(dòng) 刀盤驅(qū)動(dòng)由螺栓牢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(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。刀盤驅(qū)動(dòng)主要由8組傳動(dòng)副和主齒輪箱組成，每組傳動(dòng)副由一個(gè)斜軸式變量軸向柱塞馬達(dá)和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動(dòng)副的變速齒輪箱中帶有制動(dòng)裝置，用于制動(dòng)刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺(tái)定量螺旋式液壓泵驅(qū)動(dòng)主齒輪箱中的齒輪油，用來(lái)潤(rùn)滑主齒輪箱，該油路中一個(gè)水冷式的齒輪油冷卻器用來(lái)冷卻齒輪油。 （4）雙室

16、氣閘 雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當(dāng)掘進(jìn)過(guò)程中刀具磨損工作人員進(jìn)入到泥土倉(cāng)檢察及更換刀具時(shí)，要使用雙室氣閘。在進(jìn)入泥土倉(cāng)時(shí)，為了避免開(kāi)挖面的坍踏，要在泥土倉(cāng)中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應(yīng)的氣壓，這樣工作人員要進(jìn)出泥土倉(cāng)時(shí)，就存在一個(gè)適應(yīng)泥土倉(cāng)中壓力的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整氣閘前室和主室的壓力，就可以使工作人員可以適應(yīng)常壓和開(kāi)挖倉(cāng)壓力之間的變化。但要注意，只有通過(guò)高壓空氣檢查和受到相應(yīng)培訓(xùn)有資質(zhì)的人員，才可以通過(guò)氣閘進(jìn)出有壓力的泥土倉(cāng)。 現(xiàn)以工作人員從常壓的操作環(huán)境下進(jìn)入有壓力的泥土倉(cāng)為例，來(lái)說(shuō)明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進(jìn)入主室，關(guān)閉前室和主室之間的隔離門，按照規(guī)定

17、程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉(cāng)的壓力相同時(shí)，打開(kāi)主室和泥土倉(cāng)之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時(shí)打開(kāi)主室和泥土倉(cāng)之間的隔離。（5）管片拼裝機(jī)從CC視圖可以看出,管片拼裝機(jī)由拼裝機(jī)大梁、支撐架、旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭組成。拼裝機(jī)大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機(jī)的支撐架通過(guò)左右各兩個(gè)滾輪安放在拼裝機(jī)大梁上的行走槽中，一個(gè)內(nèi)圈為齒圈形式外徑3.2m的滾珠軸承外圈通過(guò)法蘭與拼裝機(jī)支撐架相連，內(nèi)圈通過(guò)法蘭與旋轉(zhuǎn)架相連，拼裝頭與旋轉(zhuǎn)支架之間用兩個(gè)伸縮油缸和一個(gè)橫粱相連接?，F(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的情況為例，來(lái)說(shuō)明拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。兩個(gè)拼裝機(jī)行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉(zhuǎn)架、拼裝頭在拼裝機(jī)大梁上沿隧道

18、軸線方向移動(dòng)；安裝在支撐架上的兩個(gè)斜盤式軸向柱塞旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾珠軸承的內(nèi)齒圈可以使旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉(zhuǎn)各200度；通過(guò)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(shí)現(xiàn)在水平方向上的擺動(dòng)，和在豎直方向上的擺動(dòng)以及抓緊和放松管片的功能。這樣在拼裝管片時(shí)，就可以有六個(gè)方向的自由度，從而可以使管片準(zhǔn)確就位。拼裝手可以使用有線的或遙控的控制器操作管片拼裝機(jī)，用來(lái)拼裝管片。我們一般采用的是1.2m長(zhǎng)的通用管片，一環(huán)管片由六塊管片組成，它們是三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個(gè)不同的位置，代表十種不同類型的管環(huán)，通過(guò)選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線

19、與設(shè)計(jì)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(qiáng)度的螺栓連接。（6）排土機(jī)構(gòu)盾構(gòu)機(jī)的排土機(jī)構(gòu)主要包括螺旋輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)是由斜盤式變量軸向柱塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，皮帶輸送機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。碴土由螺旋輸送機(jī)從泥土倉(cāng)中運(yùn)輸?shù)狡л斔蜋C(jī)上，皮帶輸送機(jī)再將碴土向后運(yùn)輸至第四節(jié)臺(tái)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(yùn)至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。螺旋輸送機(jī)有前后兩個(gè)閘門，前者關(guān)閉可以使泥土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)隔斷，后者可以在停止掘進(jìn)或維修時(shí)關(guān)閉，在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動(dòng)

20、關(guān)閉，以防止開(kāi)挖倉(cāng)中的水及渣土在壓力作用下進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)。（7）后配套設(shè)備由于隧道內(nèi)空間狹小,大部分機(jī)電設(shè)備安裝在盾構(gòu)機(jī)的后配套拖車上。車架為門式結(jié)構(gòu),中間為通道,頂部安裝皮帶運(yùn)輸機(jī),兩側(cè)安裝機(jī)電設(shè)備及盾構(gòu)操縱控制室,拖車和盾構(gòu)之間的設(shè)備橋裝有管片起吊的電動(dòng)葫蘆(DD視圖),設(shè)備橋的一端連接在盾構(gòu)上,另一端與拖車連接,同時(shí)將車架拉向前進(jìn)。后配套設(shè)備主要由以下幾部分組成：管片運(yùn)輸設(shè)備、四節(jié)后配套臺(tái)車及其上面安裝的盾構(gòu)機(jī)操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤(rùn)土設(shè)備、循環(huán)水設(shè)備及通風(fēng)設(shè)備等。1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的施工原理圖1.2 盾構(gòu)機(jī)挖掘示意圖從BruneI于1843年首次用盾構(gòu)

21、工法建造橫穿英國(guó)泰晤士河河底隧道成功，至今已有170年。盾構(gòu)法是以盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(簡(jiǎn)稱盾構(gòu))為核心的整套完整的建造隧道的施工方法。如圖1.2所示，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種地面下暗挖隧道的自動(dòng)化機(jī)械，它具有能夠旋轉(zhuǎn)的刀盤和可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)暗挖、而且安全、掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高，已經(jīng)能夠應(yīng)用在各類土質(zhì)和軟巖地層的隧道挖掘。盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造涉及到上木工程學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科，是非常復(fù)雜的機(jī)電裝備，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。盾構(gòu)法施工時(shí)，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)可以進(jìn)行開(kāi)挖、立護(hù)、襯砌、等多種作業(yè)的一體化施工，實(shí)現(xiàn)了隧道施工的工廠化作業(yè)。盾構(gòu)工法存在如下一些優(yōu)點(diǎn)3：（1）在盾

22、構(gòu)支護(hù)下進(jìn)行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航運(yùn)、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟(jì)合理地保證隧道安全施工。（2）盾構(gòu)的推進(jìn)、出土、襯砌拼裝等可實(shí)行白動(dòng)化、智能化和施工遠(yuǎn)程控制信息化，掘進(jìn)速度快，施工勞動(dòng)強(qiáng)度較低。（3）地面人文自然景觀受到良好的保護(hù)，周圍環(huán)境不受施工干擾：在松軟地層中，開(kāi)挖埋置深度較大的長(zhǎng)距離、大直徑隧道，具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、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(gòu)施工原理簡(jiǎn)圖圖1.3所示為一種泥土加壓平衡式盾構(gòu)施工原理簡(jiǎn)圖。刀盤實(shí)現(xiàn)挖掘功能并承受正面的水上壓力，盾殼承受周圍土層的水土壓力并將水擋在外面，盾殼內(nèi)裝有排碴、管片拼裝、推進(jìn)和同步注漿與

23、密封等機(jī)械裝置，此外，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)還有備種配套裝備。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能夠進(jìn)行土體開(kāi)挖、碴上排運(yùn)、襯砌拼裝和盾體推進(jìn)等系列操作，使隧道結(jié)構(gòu)施工一次完成。盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，需先在隧洞某段的端開(kāi)挖豎井或基坑，將盾構(gòu)機(jī)吊入安裝，盾構(gòu)機(jī)從豎井或基坑的墻壁開(kāi)孔處開(kāi)始掘進(jìn)并沿著設(shè)計(jì)的隧洞軸線推進(jìn)，直到到達(dá)隧洞軸線中的另一豎井或隧洞的某個(gè)交匯點(diǎn)。根據(jù)施工條件的不同，將一段連續(xù)的掘進(jìn)過(guò)程分為始發(fā)、初期掘進(jìn)、正式掘進(jìn)及到達(dá)掘進(jìn)四個(gè)階段。盾構(gòu)機(jī)正式掘進(jìn)時(shí)處于穩(wěn)定的工作周期，即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)管片拼裝(盾構(gòu)機(jī)停) 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),出碴列車的運(yùn)行周期與盾構(gòu)機(jī)的工作周期相吻合，即：列車進(jìn)入隧道運(yùn)送管片時(shí)間+列車開(kāi)出隧道運(yùn)送碴土?xí)r間=盾構(gòu)機(jī)一個(gè)

24、掘進(jìn)周期。土體的開(kāi)挖有很多種，其中手工挖掘方式是最簡(jiǎn)單的一種方法，只有在特別的土質(zhì)以及隧洞很短的極少數(shù)情況下才用，比較普遍的是機(jī)械開(kāi)挖。機(jī)械開(kāi)挖有部分?jǐn)嗝骈_(kāi)挖和全斷面開(kāi)挖兩種情況。部分?jǐn)嗝骈_(kāi)挖通常由裝有特別刀齒和刀頭的挖掘頭或由挖掘鏟對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行某個(gè)部位的挖掘，并通過(guò)移動(dòng)挖掘頭或挖掘鏟來(lái)完成對(duì)整個(gè)斷面的開(kāi)挖，其挖掘過(guò)程可由手工進(jìn)行操作控制或自動(dòng)化控制。 全斷面開(kāi)挖包括：旋轉(zhuǎn)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(lái)完成全斷面的一次性開(kāi)挖；高速射流進(jìn)行的水力挖掘；擠壓式的挖掘，即通過(guò)頂推力使具有良好塑性的土壤被擠入盾構(gòu)前的開(kāi)口中。目前，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)大多采用回轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行全斷面挖掘。開(kāi)挖出

25、來(lái)的物料運(yùn)輸，開(kāi)挖出來(lái)的物料在隧道內(nèi)的輸送一般由輸運(yùn)管線(泥水)或皮帶運(yùn)輸機(jī)裝運(yùn)卡車、裝運(yùn)出渣列車等方式?，F(xiàn)代的襯砌技術(shù)般有預(yù)制管片、模扳澆注、噴混凝土等幾種方式，盾構(gòu)法施工大多采用預(yù)制管片。預(yù)制管片有鑄鐵，鑄鋼、預(yù)制鋼、鋼筋混凝土等類型。對(duì)于預(yù)制管片外壁面與開(kāi)挖隧洞內(nèi)壁面之間存在間隙，通過(guò)同步注漿方法進(jìn)行填實(shí)，以減少地面的沉降。2 構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)概況和方式比較盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點(diǎn)，是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分,其承擔(dān)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖面土體攪拌密封艙內(nèi)土體的任務(wù)。盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式有三種:一是定速電機(jī)驅(qū)動(dòng),二是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),三是液壓驅(qū)動(dòng)。2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及比較鑒于定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)

26、，刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié),一般不采用。目前刀盤驅(qū)動(dòng)方式常見(jiàn)有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式,下表為盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比表。表2.1 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比表驅(qū)動(dòng)方式變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)體積：驅(qū)動(dòng)部分附屬部分大中小大傳動(dòng)效率高低維修保養(yǎng)技術(shù)要求高一般調(diào)速性能好好 地層適應(yīng)性好好洞內(nèi)溫度發(fā)熱小、溫度低發(fā)熱大、溫度高過(guò)載能力強(qiáng)強(qiáng)設(shè)備費(fèi)用較高中等從這兩種刀盤驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)比中可知,針對(duì)各種不同的地層它們都具有良好的調(diào)速性能,使刀盤能夠很好地開(kāi)挖。變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備費(fèi)用高,但是具有較高的傳動(dòng)效率,較低的能源消耗,可節(jié)省電力費(fèi)用；液壓驅(qū)動(dòng)具有良好的抗沖擊能力和過(guò)載保護(hù)性能,維修保養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單,可靠性高。因此兩種驅(qū)動(dòng)方式

27、在盾構(gòu)上都得到廣泛的使用。2.2 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng):刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、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(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤速度可調(diào),具有較大扭矩儲(chǔ)備和較高的傳動(dòng)效率,能源消耗較低,可節(jié)省電力費(fèi)用，但其占用空間大。工作原理簡(jiǎn)圖如下圖所示： 圖2.1 盾構(gòu)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),在電動(dòng)機(jī)輸出軸上安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器,由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的輸出扭矩T和轉(zhuǎn)速n送到工控機(jī),計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的輸出功率P,將輸出功率P與電動(dòng)機(jī)額定功率N，這樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速做恒功率調(diào)節(jié)。這樣電動(dòng)機(jī)就始終在額定功率附近運(yùn)行,達(dá)到高效節(jié)能的目的。2.3 液壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)刀盤

28、液壓驅(qū)動(dòng)主要是由液壓泵站、閥組、管路、驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)、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(dá)通過(guò)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)速通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)便于刀盤調(diào)速,具有良好的抗沖擊能力和過(guò)載保護(hù)性能,維修保養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單,可靠性高；但其傳動(dòng)效率低,溫升高。工作過(guò)程：通過(guò)泵和液壓系統(tǒng)帶動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)工作，但是驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速很高，不能直接連接刀盤旋轉(zhuǎn)切割，因此必須要通過(guò)減速機(jī)減速后，使輸出的驅(qū)動(dòng)小齒輪速度在所規(guī)定的速度范圍之內(nèi)，再由驅(qū)動(dòng)小齒輪帶動(dòng)大齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，而大齒圈和安裝刀盤的法蘭連接，因此，大齒圈帶動(dòng)了刀盤法蘭旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)了刀盤的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了，刀盤的旋轉(zhuǎn)切割。1三滾子軸向徑向主軸承 2

29、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(jī)馬達(dá)的簡(jiǎn)圖1減速機(jī) 2馬達(dá) 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(dòng)機(jī) 11變量泵圖2.3 典型盾構(gòu)刀盤多泵驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖液壓馬達(dá)的選用目前主要有兩種配置形式,其一是高速液壓馬達(dá)加齒輪減速裝置,其二是直接采用低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。目前我國(guó)盾構(gòu)機(jī)一般是采用高速液壓馬達(dá)加齒輪減速裝置。圖2.3為典型的盾構(gòu)刀盤多泵驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)是用多個(gè)變量泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)液壓馬達(dá)來(lái)控制刀盤轉(zhuǎn)速,其有如下特點(diǎn)4：（1）大功率、超高壓、閉式傳動(dòng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效

30、率高,采用電液比例控制技術(shù),數(shù)臺(tái)電液比例變量泵和液壓馬達(dá)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(guò)比例放大器控制比例方向閥,可以很方便地調(diào)整變量泵的輸出流量與方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的雙向無(wú)級(jí)調(diào)速；（3）根據(jù)變量泵高壓端壓力傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)值,限定比例放大器外部控制電壓的給定值,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制,控制精度根據(jù)使用要求山PLC程序設(shè)定,調(diào)整方便。恒功率傳動(dòng)控制系統(tǒng)有利于減少裝機(jī)功率,適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)變化,充分發(fā)揮盾構(gòu)設(shè)備的潛力,增大作業(yè)范圍,提高作業(yè)效率；（4）遠(yuǎn)程控制壓力切斷功能防止系統(tǒng)超壓作業(yè),響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)方便,有效降低了壓力沖擊,提高系統(tǒng)的可靠性?？?/p>

31、以為系統(tǒng)雙向作業(yè)提供良好的安全保護(hù)措施；（5）具有較強(qiáng)的抗油液污染能力,系統(tǒng)清潔度要求與常規(guī)液壓系統(tǒng)相同。3 模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀盤在掘進(jìn)過(guò)程中，雖然工作轉(zhuǎn)速不高，但由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、刀盤作業(yè)直徑較大，要求刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需具備：大功率、大轉(zhuǎn)矩輸出、抗沖擊、轉(zhuǎn)速雙向連續(xù)可調(diào)、在滿足使用要求前提下減小裝機(jī)功率、節(jié)能降耗等工作特點(diǎn)。刀盤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有高可靠性和良好的操作性能，而采用全局功率自適應(yīng)的泵控馬達(dá)系統(tǒng)能大大減少回路過(guò)程中溢流損失和節(jié)流損失，散熱效果也好。3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的用于實(shí)驗(yàn)的盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)刀盤直徑為1.8m。刀盤的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用一個(gè)變量泵和兩個(gè)

32、定量馬達(dá)組成閉式控制回路驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)中采用接近開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)刀盤的轉(zhuǎn)速，根據(jù)合適的策略控制變量缸的位移，繼而控制變量泵排量，形成按負(fù)載工況變化需要進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)可控的刀盤驅(qū)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)適應(yīng)掘進(jìn)中復(fù)雜工況，系統(tǒng)節(jié)能效果好4。整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩種工況,即軟巖工況時(shí)的低速大轉(zhuǎn)矩和硬巖工況時(shí)的高速小轉(zhuǎn)矩,兩種工況轉(zhuǎn)換可通過(guò)控制電磁換向閥9.5來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電磁鐵C斷電時(shí),溢流閥9.4確定系統(tǒng)最高壓力,此時(shí),系統(tǒng)壓力設(shè)定為10MPa,輸出轉(zhuǎn)矩小,但流量大(最大為300 L/min),輸出轉(zhuǎn)速高；當(dāng)電磁鐵C通電時(shí),溢流閥9.3確定系統(tǒng)最高壓力,此時(shí),系統(tǒng)壓力設(shè)定為25MPa,輸出轉(zhuǎn)矩大,但流量小,輸出轉(zhuǎn)

33、速低。在整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤轉(zhuǎn)速是是實(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)的，可通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵12排量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。壓力傳感器4測(cè)量液壓馬達(dá)的進(jìn)油口壓力,壓力信的信號(hào)可實(shí)時(shí)反饋到主泵比例閥上，構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。液壓馬達(dá)2的正反轉(zhuǎn)可通過(guò)電液換向閥7來(lái)控制,電磁鐵B1通電,馬達(dá)正轉(zhuǎn),電磁鐵B2通電,馬達(dá)反轉(zhuǎn),由此可知該系統(tǒng)輸出功率始終與負(fù)載所需功率相適應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)安全閥9.2設(shè)定的壓力時(shí)，先導(dǎo)安全閥9.2導(dǎo)通后，插裝閥的主閥芯打開(kāi)，系統(tǒng)溢流。壓力管路過(guò)濾器10設(shè)有壓差發(fā)訊裝置10.2，當(dāng)濾芯污染堵塞到進(jìn)出油口壓差為0.35MPa時(shí)，即發(fā)出報(bào)警(開(kāi)關(guān))信號(hào)，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換濾芯，如此時(shí)不能1減速機(jī) 2插裝式定量馬達(dá) 3梭

34、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安全閥 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(guò)濾器 10.1壓力管路過(guò)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(jī) 14聯(lián)軸器 16減震條 17吸油過(guò)濾器17.1濾芯 18球閥 19油箱 20電子溫度繼電器 21液位控制繼電器圖3.1 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖馬上停機(jī)或無(wú)人來(lái)更換濾芯，設(shè)在過(guò)濾器蓋內(nèi)的旁通閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)安全的目的。主泵12出口安裝了單向閥9.1，可防止當(dāng)泵檢修或系統(tǒng)停泵時(shí)油液倒流。當(dāng)油箱內(nèi)的液位控制繼電器21報(bào)警

35、時(shí)電液換向閥7應(yīng)斷電處于中位，電機(jī)13停轉(zhuǎn)，主泵12停轉(zhuǎn)。電子溫度繼電器20用來(lái)監(jiān)測(cè)油箱中的溫度，當(dāng)油箱中的溫度處于下切換點(diǎn)溫度時(shí)，電子溫度繼電器20發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)油冷卻器。當(dāng)油箱中的溫度處于上切換點(diǎn)溫度時(shí)，此時(shí)三位四通電液換向閥7應(yīng)斷電處于中位，電機(jī)13停轉(zhuǎn)。3.2 刀盤轉(zhuǎn)速控制及功率限定控制盾構(gòu)施工時(shí)要求刀盤轉(zhuǎn)速連續(xù)實(shí)時(shí)可調(diào),同時(shí)為了防止重載情況下電機(jī)超載,還需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行功率限定控制。由于本系統(tǒng)采用變量泵控定量馬達(dá)的方案,因此刀盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制變量泵排量實(shí)現(xiàn)的,同時(shí),該泵內(nèi)部變量機(jī)構(gòu)含有功率限定模塊,因此可以滿足上述控制要求。系統(tǒng)采用了Rexroth LRDUZ控制型變量

36、泵,這控制類型的泵可以實(shí)現(xiàn)流量、功率復(fù)合控制。變量控制機(jī)構(gòu)工作原理如圖所示。變量控制機(jī)構(gòu)包括帶比例電磁鐵的流量控制先導(dǎo)閥1、恒功率控制閥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(gè)壓力位移一力反饋式排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。先導(dǎo)級(jí)的位移輸入由比例電磁鐵給出,先導(dǎo)級(jí)的力平衡方程決定閥口開(kāi)度,變量缸的力平衡方程決定變量活塞的位移。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，泵的排量在其整個(gè)范圍內(nèi)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并與比例電磁鐵的控制電流成比例。 若泵的G油口沒(méi)有外接控制油，泵剛開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有壓力，推桿6上的彈簧推動(dòng)它到最左側(cè)位置，這時(shí)斜盤傾角最小，泵的排量最大。此時(shí)，變量缸7的活塞在最右側(cè)位置，將其右側(cè)的

37、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(cè)位置，先導(dǎo)閥1的閥芯在右位，右側(cè)桿4上的彈簧壓縮到最大，先導(dǎo)閥2的閥芯處在右位。隨著系統(tǒng)逐漸建立壓力，推動(dòng)梭閥8的閥芯上圖3.2 變量控制機(jī)構(gòu)移，液壓油經(jīng)比例閥1流入變量缸7的右腔，當(dāng)變量缸7右腔壓力及其彈簧力與先導(dǎo)閥1右側(cè)彈簧力之和大于推桿6的彈簧力時(shí)，推桿6右移，同時(shí)變量缸7活塞左移，泵的排量變小。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到3MPa時(shí)，變量缸7的活塞在最左側(cè)位置，推桿6在最右側(cè)位置，斜盤傾角最大，泵的排量為零，只有少量?jī)?nèi)泄漏。此時(shí)，油缸3和桿4處在最右側(cè)位置，油缸3的活塞有微小的伸出。先導(dǎo)閥1右側(cè)桿4上的彈簧壓縮量最小，閥芯仍在右位，先導(dǎo)閥2的閥芯

38、處在右位。若泵的G油口外接控制油，控制油壓力達(dá)到3MPa,則泵在控制油壓的作用下，變量缸7的活塞在最左側(cè)位置，斜盤傾角最大，排量輸出為零。當(dāng)系統(tǒng)處于某一工作壓力下，油缸3的下腔壓力推動(dòng)活塞使其處于某個(gè)位置，使折形桿S轉(zhuǎn)動(dòng)，因而，先導(dǎo)閥2的閥口開(kāi)度與泵出口壓力相適應(yīng)。當(dāng)外加比例信號(hào)大于200mA時(shí)，先導(dǎo)閥1的比例電磁鐵推力大于其右側(cè)的彈簧力，閥芯右移，閥口開(kāi)度減小，進(jìn)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。當(dāng)比例信號(hào)達(dá)到600mA時(shí)，先導(dǎo)閥1的閥芯到最右側(cè)，變量缸7右腔接油箱，活塞處于最右端，泵的排量達(dá)到最大。若設(shè)定流量不變，當(dāng)負(fù)載增大，系統(tǒng)壓力變大，變

39、量缸右腔壓力增大，活塞左移，排量變小。同時(shí)，推桿6帶動(dòng)推桿4右移，推桿4上作用在先導(dǎo)閥1右側(cè)的彈簧力減小，使先導(dǎo)閥1的閥芯右移，閥口開(kāi)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(fù)到原位置，泵排量不變。如果工作壓力使功率曲線超過(guò)，油缸3的活塞伸出，推動(dòng)折形桿5轉(zhuǎn)動(dòng)，使先導(dǎo)閥2右側(cè)彈簧大大壓縮，先導(dǎo)閥2的閥芯到左位，進(jìn)入到先導(dǎo)閥2的液壓油全部進(jìn)入到先導(dǎo)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，恒功率控制優(yōu)先于變量控制，如果設(shè)定流量或工作壓力使功率曲線超過(guò)，則恒功率控制取代電控變量并按照恒功率曲線減小排量。當(dāng)?shù)陀诠β是€時(shí)，排量受控制電流的調(diào)整，泵輸出的

40、流量只與輸入控制信號(hào)相關(guān)，而不受負(fù)載壓力變化的影響，即，在功率限制范圍內(nèi)能適應(yīng)負(fù)載的變化。所以，泵始終能工作于與負(fù)載匹配的工況，具有明顯的節(jié)能效果。3.3 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制 盾構(gòu)施工時(shí)要求刀盤可以實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用三位四通電液力方向閥控制液壓馬達(dá)的油液流入、流出方向，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變，從而控制刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 系統(tǒng)采用了Rexroth 4WEH型方向閥，是電液操作方向控制滑閥，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖2-6所示。此類閥主要包括閥體(1)、主控制閥芯(2)、兩個(gè)對(duì)中彈簧( 3.1)和(3.2 )，帶兩個(gè)電磁鐵(電磁鐵“a”： (5.1)，電磁鐵，“b”: (5.2)的先導(dǎo)閥(4)。主閥閥芯由彈

41、簧或液壓力保持在中位。在中位，兩個(gè)彈簧腔(6)和(8)通過(guò)先導(dǎo)閥(4)供油，控制油可以由內(nèi)部或者外部供給(外部供給油口X)。圖3.3 4WEH型方向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)先導(dǎo)閥操作時(shí)，如電磁鐵“a”得電，先導(dǎo)滑閥(10)向左移動(dòng)，因此彈簧腔(8)獲得先導(dǎo)油壓力而彈簧腔(6)保持無(wú)壓狀態(tài)。先導(dǎo)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(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，先導(dǎo)閥回到初始位置，彈簧腔(8)向油箱卸荷，控制油從彈簧腔經(jīng)先導(dǎo)閥排入Y口回油箱。3.4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與元件選型盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)由液壓泵站、控制閥組、蓄能器組件、管路、液壓馬達(dá)、減速器、大小齒輪、三滾

42、子軸向徑向主軸承及密封組成。盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求如下5。（1）功能要求：1）可實(shí)現(xiàn)主刀盤的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止控制；2）滿足軟土、沙土等不同工況下的負(fù)載要求；3）主刀盤在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連續(xù)調(diào)節(jié)；4）主刀盤在非工作狀態(tài)下能點(diǎn)動(dòng)與可靠制動(dòng)；5）可實(shí)現(xiàn)功率限定和過(guò)載保護(hù)；6）最高壓力限制和超壓保護(hù)；（2）可靠性要求：1）液壓系統(tǒng)超載保護(hù)；2) 液壓系統(tǒng)超壓保護(hù)；3) 液壓系統(tǒng)超溫保護(hù)；4) 工作狀態(tài)下刀盤可靠制動(dòng)保護(hù)；5) 與電控系統(tǒng)配合可實(shí)現(xiàn)電液聯(lián)鎖保護(hù)。（3）工況分析：1）刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩的實(shí)質(zhì)配置應(yīng)大于等于刀盤裝備扭矩。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度、推進(jìn)力、土倉(cāng)中壓力和刀盤轉(zhuǎn)速都直接影響刀盤扭

43、矩，因而刀盤裝備扭矩必須根據(jù)地質(zhì)形式、盾構(gòu)形式、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)決定。一般采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算刀盤裝備扭矩T。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： .式中：刀盤裝備扭矩 單位為N.m;盾構(gòu)機(jī)的外徑 單位為m;扭矩系數(shù)，根據(jù)盾構(gòu)直徑、土質(zhì)等不同而不同，一般為：1.4-2.3。2）刀盤轉(zhuǎn)速根據(jù)地質(zhì)條件及施工要求確定，最高轉(zhuǎn)速一般在0.5-1.5r/min。3）由于盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速不可過(guò)大，因此在液壓馬達(dá)和刀盤之間要增加減速機(jī)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減速機(jī)的減速范圍為20-2000。（4）設(shè)計(jì)參數(shù)此盾構(gòu)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速：06 r/min；刀盤驅(qū)動(dòng)：液壓馬

44、達(dá)：2臺(tái)； 減速機(jī)： 2臺(tái)；減速機(jī)的減速比：；大齒輪齒數(shù)83；小齒輪齒數(shù)14；大齒圈速比：根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)液壓與動(dòng)力元件進(jìn)行計(jì)算并選型。3.4.1 液壓驅(qū)動(dòng)原件的選型（1）液壓泵的選型 1）液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速：.式中一刀盤最大轉(zhuǎn)速, ；一齒圈速比, ； 減速機(jī)的減速比, 。系統(tǒng)輸出最大扭矩時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速為1.5r/min,此時(shí)馬達(dá)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為：.2）液壓馬達(dá)的最大輸出扭矩：.式中：馬達(dá)的個(gè)數(shù)； 減速機(jī)及齒輪的總機(jī)械效率 ；3）液壓馬達(dá)進(jìn)出口工作壓差：.式中: 馬達(dá)的排量, ；馬達(dá)的機(jī)械效率, ；4）由于馬達(dá)出口直接回油箱,所以可認(rèn)為執(zhí)行元件最大工作壓力：24MPa.故可選用Rexroth公

45、司的A2FE45/61WNZL191液壓馬達(dá)。其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下： 排量 ；最高轉(zhuǎn)速 ；最大流量 ；當(dāng)量扭矩 ；當(dāng)時(shí)，扭矩。5）液壓馬達(dá)實(shí)際流量：.式中: 馬達(dá)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，主要根據(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(jìn)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：；順序閥壓力損失：；換向閥壓力損失：；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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

46、功率：.馬達(dá)的機(jī)械效率；馬達(dá)的容積效率；在盾構(gòu)機(jī)中，泵一般采用軸向柱塞變量泵。柱塞泵的特點(diǎn)是泄露小，容積效率高，可以在高壓下工作，并可實(shí)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(dòng)軸中心線與缸體中心線重合，可通過(guò)改變斜盤與缸體傳動(dòng)軸中心線的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)變量。一般限用于小流量和中高壓的場(chǎng)合。 斜軸式軸向柱塞泵的傳動(dòng)軸相對(duì)于缸體中心線傾斜一個(gè)角度，可通過(guò)改變軸和缸體之間 的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)變量。這種泵適用于要求排量大的場(chǎng)合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本資料，故選用Rexroth公司的A11VO260LRDU2/11R-N2D12K01變量泵。其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下：

47、排量： ； 最大允許流量 ； 最高轉(zhuǎn)速 ；實(shí)際工況校核轉(zhuǎn)速：.故選的泵符合工況要求。3.4.2 系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的選擇與減速機(jī)的設(shè)計(jì)（1）電機(jī)的選擇系統(tǒng)為單泵供油系統(tǒng),則一臺(tái)馬達(dá)輸出功率：.兩臺(tái)馬達(dá)相同，則馬達(dá)總功率.由上可知，電機(jī)的輸出功率為：.式中：馬達(dá)的機(jī)械效率；馬達(dá)的容積效率；泵的機(jī)械效率；泵的容積效率；綜合上述，根據(jù)功率可選擇ABB公司的M2QA225M4A三相異步電動(dòng)機(jī),其額定轉(zhuǎn)速為1475r/min。其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下：額定功率：45W； 額定轉(zhuǎn)速：1475rpm；效率：92.5； 功率因數(shù)：0.88；電流：84A； 轉(zhuǎn)矩：291N.m；最大轉(zhuǎn)矩：669.3N.m； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；（2

48、）減速機(jī)的設(shè)計(jì)由上文選擇的液壓馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速 ，選定減速機(jī)的減速比。一級(jí)圓柱齒輪減速器最大為60.因此可以設(shè)計(jì)成二級(jí)斜齒輪圓柱齒輪減速器，低速級(jí)大齒輪齒數(shù)為83，與之配對(duì)的齒輪齒數(shù)為14；高速級(jí)小齒輪齒數(shù)為14，與之配對(duì)的齒輪齒數(shù)為142。高速級(jí)和低速級(jí)齒輪材料相同如下：小齒輪 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 HB=280HBS； 大齒輪 45鋼 調(diào)質(zhì)處理 HB=240HBS；高速級(jí)配對(duì)齒輪模數(shù)為2，低速級(jí)齒輪模數(shù)為2.5。高速軸1、2設(shè)計(jì)，按齒輪軸設(shè)計(jì)，軸的材料取與高速級(jí)小齒輪材料相同，都采用40Cr。軸的設(shè)計(jì)計(jì)算，軸的材料選用40Cr（調(diào)質(zhì)），結(jié)構(gòu)件如零件圖。箱體的結(jié)構(gòu)尺寸以及軸的結(jié)構(gòu)如裝配圖。3.4.

49、3 液壓控制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能力；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能力；3）、考慮各公司液壓產(chǎn)品的可靠性與性能。液壓閥及過(guò)濾器的選擇7根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過(guò)該閥的最大流量，可選擇這些元件的型號(hào)及規(guī)格。該模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中所有閥的額定壓力為26Mpa，額定流量根據(jù)各閥通過(guò)的流量確定為200L/min，250 L/min，300 L/min三種規(guī)格。梭閥：采用賀德克公司中型號(hào)為WVT-l0S-X管式安裝的球型座閥。其公稱壓力為=35MPa。球閥：整個(gè)系統(tǒng)壓力很大，故采用賀德克公司

50、中KHM-G11/2 高壓球閥。安全閥：采用力士樂(lè)DB6D直動(dòng)式溢流閥， 最大工作壓力:31.5MPa，最大體積流量：60l/min。溢流閥：可采用力士樂(lè)公司中型號(hào)為DBD-S6K1直動(dòng)式溢流閥。3.4.4 液壓油的選擇由于該盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故宜選用粘度較高的壓力油來(lái)減少容積損失。該液壓變量泵對(duì)液壓油粘度也有要求，通過(guò)查閱有關(guān)液壓手冊(cè)和產(chǎn)品樣本得該泵適用與于粘度較高的液壓。通過(guò)上面分析以及結(jié)合次系統(tǒng)的考慮，可選用抗磨液壓油型號(hào)YB-N46液壓油，簡(jiǎn)稱N46號(hào)抗磨液壓油。40度時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度為。3.4.5 液壓輔助元件設(shè)計(jì)和選擇（1）

51、油管設(shè)計(jì)和接頭的選擇7根據(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(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷拉成的無(wú)縫鋼管，它的抗拉強(qiáng)度大于410MPa。則油 管尺寸內(nèi)徑可按下計(jì)算公式：式中：為通過(guò)油管的最大流量，=為管道內(nèi)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(nèi)徑為.回油管內(nèi)徑為.壓油管內(nèi)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(qiáng)度，無(wú)縫鋼管查機(jī)械手冊(cè)可??；這時(shí)=；為油管壁厚；為管內(nèi)最大工作壓力；油管內(nèi)徑；為安全系數(shù)，當(dāng)時(shí)，。其余油管接口有關(guān)尺寸可根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定。油管的接

52、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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)油箱的作用是儲(chǔ)油、散發(fā)油的熱量、沉淀油中雜質(zhì)、逸出油中氣體。在該模擬盾構(gòu)機(jī)中采用開(kāi)式油箱，油箱的有效容積可近似用液壓泵單位時(shí)間內(nèi)排出油液的體積確定8。因此油箱的有效容積可按下述經(jīng)驗(yàn)公式確定:.式中: 油箱的有效容積,L；與系統(tǒng)壓力有關(guān)的系數(shù),高壓系統(tǒng)取6-12，；系統(tǒng)中各執(zhí)行元件同時(shí)工作時(shí)的最大流量,包括刀盤驅(qū)動(dòng)。則各驅(qū)動(dòng)的總流量為 =

53、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(zhǎng)六面體為宜。油箱的頂蓋上一般要安放泵和電機(jī)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(dá)到郵箱的80%，這樣可以確定箱體高的尺寸。油箱的總?cè)莘e可按下述經(jīng)驗(yàn)公式確定:=l.25.所以,油箱內(nèi)長(zhǎng):寬:高可分別設(shè)計(jì)為mm: mm:1000mm。油箱用厚度為3mm的不銹鋼鋼板焊接而成，頂蓋一般要適當(dāng)?shù)募雍窨稍O(shè)置為4mm。油箱整體設(shè)計(jì)為采用骨架式結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵撚拖錇榇笕萘壳覟檩^高；油箱底腳高度設(shè)計(jì)應(yīng)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(yùn)輸；油箱要設(shè)置2個(gè)隔

54、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(kāi)，使油液循環(huán)流動(dòng)并且分離回油帶進(jìn)來(lái)的氣泡和雜質(zhì)。油箱要設(shè)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，保證泵的自吸能力，以及濾除空氣中的灰塵雜物，還兼作加油口用。油箱還要設(shè)置液位計(jì)，監(jiān)測(cè)油面高度，為標(biāo)準(zhǔn)件，可選用黎明公司型號(hào)為YWZ-500。油箱底面做成斜面，在最低處設(shè)置放油口，用放油閥堵住，換油可打開(kāi)放走污油。油箱蓋板和窗口連接處都設(shè)置成加密封墊，各進(jìn)、出油管通過(guò)的孔都需要裝有密封墊。油箱具體結(jié)構(gòu)和位置見(jiàn)圖紙。（3）濾油器的選擇選擇普通過(guò)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(guò)濾器，經(jīng)過(guò)查表可選擇型號(hào)為 TF-600X100L,濾芯配套選擇型號(hào)為TFX-600X100。（4）冷卻器的選擇液壓系統(tǒng)的工作溫度一般希望在30度到50度的范圍之內(nèi)，最高不要超過(guò)65度，最低不低于15度。由下文系統(tǒng)發(fā)熱可知，工作溫度明顯超過(guò)了極限，又該液壓系統(tǒng)靠自然冷卻仍不能使油溫控制在正常工作