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、精選文檔畢業(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 0941101075 系、班級專業(yè) 機(jī)械與能源工程系、2009級 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日精選文檔內(nèi)容提要盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測量、把握等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(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)爭辯對象。論文開頭對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行簡潔介紹，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

2、轉(zhuǎn)速不能調(diào)整，一般不接受，常見有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)方式。接著對盾構(gòu)施工的簡單工況進(jìn)行了分析，提出了適用于簡單工況的直徑1.8m模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對其中的主要把握功能模塊進(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)接受了三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E對液壓系統(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)。最終總結(jié)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(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)速把握及功率限定把握163.3 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向把握 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

8、293.6液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算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39精選文檔1 盾構(gòu)機(jī)介紹隨著人類文明飛速進(jìn)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(shù)提出了更高的要求，促進(jìn)了隧道施工技術(shù)的進(jìn)展。隧道的施工方法從傳統(tǒng)的明挖法、蓋挖法、礦山法進(jìn)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、測量、把握等多學(xué)科技術(shù)于一體的、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型超大工程裝備。具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、平安性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)條件簡單、地下水位高而隧道埋深較大時(shí)，只能依靠盾構(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)特征的匹配狀況打算了在不同施工環(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

10、且圍巖巖層較致密完整的一類盾構(gòu)機(jī)。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(gòu)機(jī)。山西萬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，擔(dān)憂裝刮刀。（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)更為簡單多變的復(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，依據(jù)盾構(gòu)機(jī)接受的“出渣進(jìn)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(gòu)機(jī)又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種。放開式盾構(gòu)機(jī)按開挖方式劃分，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)的斷面外形劃分，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)依據(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)是最為常見的一種類型，圖1-1為LOVAT公司的RME306SE型號的土壓平衡（EPB）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)組成原理圖。該盾構(gòu)機(jī)直徑為7.8

12、m，總長80m。下面就以該圖土壓平衡式盾構(gòu)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)、后配套及幫助設(shè)備2。圖1.1 盾構(gòu)機(jī)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(qū)動(dòng)，同時(shí)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(gè)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(nèi)側(cè)的周邊位置裝有30個(gè)推動(dòng)油缸，推動(dòng)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(yīng)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)向前的掘進(jìn)力，這30個(gè)推動(dòng)油缸按上下左右被分成A、B、C、D四組，掘進(jìn)過程中，在操作室中可單獨(dú)把握每一組油缸的壓力，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)推動(dòng)。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)?/p>

14、皮帶輸送機(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，尾盾通過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)，另一方面通過盾尾殼體內(nèi)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(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

15、缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴(kuò)大開挖直徑，這樣易于實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的轉(zhuǎn)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(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)由螺栓堅(jiān)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)無級變速。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)承壓隔板上的一臺定量

16、螺旋式液壓泵驅(qū)動(dòng)主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個(gè)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(dāng)掘進(jìn)過程中刀具磨損工作人員進(jìn)入到泥土倉檢察及更換刀具時(shí)，要使用雙室氣閘。在進(jìn)入泥土倉時(shí)，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(yīng)的氣壓，這樣工作人員要進(jìn)出泥土倉時(shí)，就存在一個(gè)適應(yīng)泥土倉中壓力的問題，通過調(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(yīng)培訓(xùn)有資質(zhì)的人員，才可以通過氣閘進(jìn)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(jìn)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(jìn)入主室，關(guān)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(shí)，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時(shí)打開主室和泥土倉之間的隔離。（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法蘭與拼裝機(jī)支撐架相連，內(nèi)圈通過法蘭與旋轉(zhuǎn)架相連，拼裝頭與旋轉(zhuǎn)支架之間用兩個(gè)伸縮

18、油缸和一個(gè)橫粱相連接。現(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的狀況為例，來說明拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況。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(shí)，就可以有六個(gè)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(jī)，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(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)，通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線與設(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

20、送機(jī)有前后兩個(gè)閘門，前者關(guān)閉可以使泥土倉和螺旋輸送機(jī)隔斷，后者可以在停止掘進(jìn)或修理時(shí)關(guān)閉，在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)斷電緊急狀況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動(dòng)關(guān)閉，以防止開挖倉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)操縱把握室,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

21、件、注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤土設(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)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(gòu)法是以盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(簡稱盾構(gòu))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(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、而且平安、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)、把握科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科，是格外簡單的機(jī)電裝備，屬于技術(shù)密

22、集型產(chǎn)品。盾構(gòu)法施工時(shí)，通過盾構(gòu)機(jī)可以進(jìn)行開挖、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)合理地保證隧道平安施工。（2）盾構(gòu)的推動(dòng)、出土、襯砌拼裝等可實(shí)行白動(dòng)化、智能化和施工遠(yuǎn)程把握信息化，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愛護(hù)，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(jì)、技術(shù)、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(gòu)施工原理簡圖圖1.3所示為一種泥土

23、加壓平衡式盾構(gòu)施工原理簡圖。刀盤實(shí)現(xiàn)挖掘功能并承受正面的水上壓力，盾殼承受四周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、推動(dòng)和同步注漿與密封等機(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)行土體開挖、碴上排運(yùn)、襯砌拼裝和盾體推動(dòng)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孔處開頭掘進(jìn)并沿著設(shè)計(jì)的隧洞軸線推動(dòng)，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)。依據(jù)施工條件的不同，將一段連續(xù)的掘進(jìn)過程分為始發(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)

24、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+列車開出隧道運(yùn)送碴土?xí)r間=盾構(gòu)機(jī)一個(gè)掘進(jìn)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(zhì)以及隧洞很短的極少數(shù)狀況下才用，比較普遍的是機(jī)械開挖。機(jī)械開挖有部分?jǐn)嗝骈_挖和全斷面開挖兩種狀況。部分?jǐn)嗝骈_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(jìn)行某個(gè)部位的挖掘，并通過移動(dòng)挖掘頭或挖掘鏟來完成對整個(gè)斷面的開挖，其挖掘過程可由手工進(jìn)行操作把握或自動(dòng)化把握。 全斷面開挖包括：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完成全斷面的一次性開

25、挖；高速射流進(jìn)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(gòu)前的開口中。目前，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)大多接受回轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行全斷面挖掘。開挖出來的物料運(yùn)輸，開挖出來的物料在隧道內(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。現(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)法施工大多接受預(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。對于預(yù)制管片外壁面與開挖隧洞內(nèi)壁面之間存在間隙，通過同步注漿方法進(jìn)行填實(shí)，以削減地面的沉降。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,其擔(dān)當(dāng)驅(qū)動(dòng)刀回旋

26、轉(zhuǎn)切削開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)，刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)整,一般不接受。目前刀盤驅(qū)動(dòng)方式常見有變頻電機(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)方式對比表。表2.1 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)方式對比表驅(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)效率高低修理保養(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、溫度高過載力量強(qiáng)強(qiáng)設(shè)備費(fèi)用較高中等從這兩種刀盤驅(qū)動(dòng)方式的性能對比中可知,針對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挖。變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備費(fèi)

27、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)具有良好的抗沖擊力量和過載愛護(hù)性能,修理保養(yǎng)相對簡潔,牢靠性高。因此兩種驅(qū)動(dòng)方式在盾構(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)刀回旋轉(zhuǎn),刀盤速度可調(diào),具有較大扭矩儲備和較高的傳動(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,

28、將輸出功率P與電動(dòng)機(jī)額定功率N，這樣對電動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速做恒功率調(diào)整。這樣電動(dòng)機(jī)就始終在額定功率四周運(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)通過驅(qū)動(dòng)刀回旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)速通過液壓系統(tǒng)調(diào)整。液壓系統(tǒng)便于刀盤調(diào)速,具有良好的抗沖擊力量和過載愛護(hù)性能,修理保養(yǎng)相對簡潔,牢靠性高；但其傳動(dòng)效率低,溫上升。工作過程：通過泵和液壓系統(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，不能直接連接刀回旋轉(zhuǎn)切割，因此必需要通過減速機(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

29、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,其二是直接接受低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。目前我國盾構(gòu)機(jī)一般是接受高速液壓馬達(dá)加齒輪減速裝置。圖2.3為典型的盾

30、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)來把握刀盤轉(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)簡潔、傳動(dòng)效率高,接受電液比例把握技術(shù),數(shù)臺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）通過比例放大器把握比例方向閥,可以很便利地調(diào)整變量泵的輸出流量與方向,實(shí)現(xiàn)對液壓馬達(dá)的雙向無級調(diào)速；（3）依據(jù)變量泵高壓端壓力傳感器的實(shí)時(shí)檢測值,限定比例放大器外部把握電壓的給定值,可以實(shí)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(shè)定,調(diào)整便利。恒功率傳動(dòng)把握系統(tǒng)有利于削減裝機(jī)功率,適應(yīng)簡單的地質(zhì)變化,充分發(fā)揮

31、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)程把握壓力切斷功能防止系統(tǒng)超壓作業(yè),響應(yīng)速度快,調(diào)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(yīng)良好的平安愛護(hù)措施；（5）具有較強(qiáng)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(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)過程中，雖然工作轉(zhuǎn)速不高，但由于地質(zhì)構(gòu)造簡單、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(yīng)的泵控馬達(dá)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的用于試驗(yàn)的盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺刀盤直徑為1.8m。刀盤的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受一個(gè)變量泵和兩個(gè)定量馬達(dá)組成閉式把握回路驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)中接受接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測刀盤的轉(zhuǎn)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(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)液壓把握系統(tǒng)適應(yīng)掘進(jìn)中簡單工況，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)換可通過把握電磁換向閥9.5來實(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

33、(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)速低。在整個(gè)掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)速是是實(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)的，可通過調(diào)整變量泵12排量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整。壓力傳感器4測量液壓馬達(dá)的進(jìn)油口壓力,壓力信的信號可實(shí)時(shí)反饋到主泵比例閥上，構(gòu)成速度閉環(huán)把握系統(tǒng)。液壓馬達(dá)2的正反轉(zhuǎn)可通過電液換向閥7來把握,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)壓力超過平安閥9.2設(shè)定的壓力時(shí)，先導(dǎo)平安閥9.2導(dǎo)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(shè)有壓差發(fā)

34、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(開關(guān))信號，此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)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(jī) 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(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖馬上停機(jī)或無人來更換濾芯，設(shè)在過濾器

35、蓋內(nèi)的旁通閥會自動(dòng)開啟，以達(dá)到愛護(hù)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(dāng)泵檢修或系統(tǒng)停泵時(shí)油液倒流。當(dāng)油箱內(nèi)的液位把握繼電器21報(bào)警時(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用來監(jiān)測油箱中的溫度，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，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)速把握及功率限定把握盾構(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)為了防止重載狀況下電機(jī)超載,還需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行功率限定把握。由于本系統(tǒng)接受變量泵控定量馬達(dá)的方案,因此刀盤

36、轉(zhuǎn)速的調(diào)整是通過把握變量泵排量實(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(shí)現(xiàn)流量、功率復(fù)合把握。變量把握機(jī)構(gòu)工作原理如圖所示。變量把握機(jī)構(gòu)包括帶比例電磁鐵的流量把握先導(dǎo)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(gè)壓力位移一力反饋式排量調(diào)整機(jī)構(gòu)。先導(dǎo)級的位移輸入由比例電磁鐵給出,先導(dǎo)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(yàn)可得，泵的排量在其整個(gè)范圍內(nèi)可無級調(diào)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(shí)，系統(tǒng)沒有壓力，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)漸漸建立壓力，推動(dòng)梭閥8的閥芯上圖3.2 變量把握機(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

38、排量為零，只有少量內(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的閥芯處在右位。若泵的G油口外接把握油，把握油壓力達(dá)到3MPa,則泵在把握油壓的作用下，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的閥口開度與泵出口壓力相適應(yīng)。當(dāng)外加比例信號大于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。

39、當(dāng)比例信號達(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。假如工作壓力使功率曲線超過，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，恒功率把握優(yōu)

40、先于變量把握，假如設(shè)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(dāng)?shù)陀诠β是€時(shí)，排量受把握電流的調(diào)整，泵輸出的流量只與輸入把握信號相關(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)方向把握 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)接受三位四通電液力方向閥把握液壓馬達(dá)的油液流入、流出方向，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變，從而把握刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)部機(jī)構(gòu)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(gè)對中彈簧( 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)。主閥閥芯由彈簧或液壓力保持在中位。在中位，兩個(gè)彈簧腔(6)和(8)通過先導(dǎo)閥(4)供油，把握油可以由內(nèi)部或者外部供應(yīng)(外部供應(yīng)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，把握油從彈簧腔經(jīng)先導(dǎo)閥排入

42、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、把握閥組、蓄能器組件、管路、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。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)與停止把握；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)整；4）主刀盤在非工作狀態(tài)下能點(diǎn)動(dòng)與牢靠制動(dòng)；5）可實(shí)現(xiàn)功率限定和過載愛護(hù)；6）最高壓力限制和超壓愛護(hù)；（2）牢靠性要求：1）液壓系統(tǒng)超載愛護(hù)；2) 液壓系統(tǒng)超壓愛護(hù)；3) 液壓系統(tǒng)超溫愛護(hù)；4) 工作狀態(tài)下刀盤牢靠制動(dòng)愛護(hù)；5) 與電控系統(tǒng)協(xié)作可

43、實(shí)現(xiàn)電液聯(lián)鎖愛護(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)，推動(dòng)速度、推動(dòng)力、土倉中壓力和刀盤轉(zhuǎn)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(zhì)形式、盾構(gòu)形式、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)打算。一般接受閱歷計(jì)算法計(jì)算刀盤裝備扭矩T。閱歷計(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)，依據(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)速依據(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)速不行過大，因此在液壓馬達(dá)和刀盤之間要增加減速機(jī)，依據(jù)閱歷減速機(jī)的減速范圍為20-2000。（4）設(shè)計(jì)參數(shù)

44、此盾構(gòu)機(jī)模擬試驗(yàn)臺刀盤液壓驅(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)：液壓馬達(dá)：2臺； 減速機(jī)： 2臺；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：依據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，對系統(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

45、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(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：；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(dá)的機(jī)械效率；馬達(dá)的容積效率；在盾構(gòu)機(jī)中，泵一般接受軸向柱塞變量泵。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，可通過轉(zhuǎn)變斜盤與缸體傳動(dòng)軸中心線的夾角來實(shí)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(dòng)軸相對于缸體中心線傾斜一個(gè)角度，可通過轉(zhuǎn)變軸和缸體之間 的夾角來實(shí)現(xiàn)變量。這種泵適用于要求排量大的場合，但結(jié)構(gòu)簡

47、單。依據(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： 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),則一臺馬達(dá)輸出功率：.兩臺馬達(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，依據(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

48、； 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）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。一級圓柱齒輪減速器最大為60.因此可以設(shè)計(jì)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(diào)質(zhì)處理 HB=280HBS； 大齒輪 45鋼 調(diào)質(zhì)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(shè)計(jì)，按齒輪軸設(shè)計(jì)，軸的

49、材料取與高速級小齒輪材料相同，都接受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。3.4.3 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(chǎn)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(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)式溢流閥。3.4.4 液壓油的選擇由于該盾構(gòu)刀回旋轉(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(guān)液壓手冊和產(chǎn)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(jié)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(shí)運(yùn)動(dòng)粘度為。3.4.5 液壓幫助元件設(shè)計(jì)和選擇（1）油管設(shè)計(jì)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(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷拉成的無縫鋼管，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

52、，無縫鋼管查機(jī)械手冊可??；這時(shí)=；為油管壁厚；為管內(nèi)最大工作壓力；油管內(nèi)徑；為平安系數(shù)，當(dāng)時(shí)，。其余油管接口有關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)油箱的作用是儲油、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)中接受開式油箱，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

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(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 =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(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可按下述閱歷公式確定:=l.25.所以,油箱內(nèi)長: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

54、要適當(dāng)?shù)募雍窨稍O(shè)置為4mm。油箱整體設(shè)計(jì)為接受骨架式結(jié)構(gòu)，由于該油箱為大容量且為較高；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(jìn)來的氣泡和雜質(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(shè)置液位計(jì)，監(jiān)測油面高度，為標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)置成加密封墊，各進(jìn)、出油管通過的孔都需要裝有密封墊。油箱具體結(jié)構(gòu)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(nèi)，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