盾构液压推进系统结构设计

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结论
（!） 推进液压缸采用较小的直径， 结构紧凑， 管
0---- 潘 峰 等 $- 液 压 缸 行 程 测 量 国 内 外 现 状 和 发 展 趋 势 $工程机械， &’’!(/)
片对中效果好， 利于管片拼装。 （&） 盾构推进液压缸采用分区设计可以达到设
通信地址：浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 （$"%%&! ） （收稿日期： &))(*)+*!# ）
图$ 威德曼效应传感器工作原理简图
研究将并联式六自由度平台应用于 盾 构 的 推 进 系 统中。 ’(’ 型 )*+,-.* 平台由六边形的上平台 / 活动 以及 ’ 个 可 伸 缩 杆 件 / 腿 0 组 平台 0 和下平台 / 底座 0， 成， 杆件与上、 下平台间用万向节 / 关节 0 连接， 其上 平台运动的位置和姿态由 ’ 条腿 的 协 调 伸 缩 运 动 来实现， 可获得空间 ’ 个自由度的运动。平台可进 行沿 ! 、 "、 # 轴的平移和绕 ! 、 "、 # 轴的转动，也可 实现对上述 ’ 种运动的复合。
“ 十五” 国家 "#$ 项目 （%&&$’’(%)*+) ） ! 基金项目：
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关键词： 盾构机 推进系统 安装 自由度
近年来， 我国开展了大规模的城市市政工程建
每个液压缸推进力： （-. ） !(!) =""410/"+9/0 液压缸内径：
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当发射电路通过穿入 波 导 管 中 的 导 线 发 射 一 周期稳定的电流脉冲时，在永久磁铁的作用下， 在 波导管表面将产生扭转脉冲。该脉冲以声速向两边 传播， 被接受器接收， 其余的在端部被阻尼器吸收。 接受器通过一系列变换、 放大、 整形输出 ""# 电平 脉冲信号。信号处理电路最终把脉冲信号变为与液 压缸活塞位移一一对应的数字量输出 。
盾构液压推进系统结构设计 >
浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 庄欠伟 龚国芳 杨华勇 周 华
液 压 液 力 ・
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摘 要： 以盾构掘进机为背景， 阐述了其液压推进系统结构设计中的液压缸设计、 分区确定和液压缸位移传感 器 的选取， 着重分析了推进液压缸的结构布置方式。 认为： 盾构液压缸采用较小的直径， 结构紧凑， 管片对中效果好， 有利
实现自动控制出发， 目前国外大功率振动锤大多采 用液压马达驱动。对该项技术国内正在研究开发。 本文提出应用速度特性概念， 研究振动锤与液压马 达的动力匹配问题。
图#
盾构推进液压缸截面分区图
般采用外置式， 虽有套管保护， 但在实际施 工 操 作 中， 往往由于各种因素而造成损坏。可以采用内置 式结构的液压缸位移传感器， 直接安装在液压缸内 部， 不占用液压缸以外的空间， 不怕外力冲击， 对安 装环境没有特殊要求，减少了人为因素的损坏， 安 全可靠。 液压缸内置式位移传感器的种类很多。图 ! 所 示是威德曼效应传感器。它是利用磁效应和超声效 应两者相结合来达到位移测量的目的。永久磁铁和 液压缸活塞连接在一起，波导管 穿 过 中 空 的 活 塞 杆。
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万方数据
液 压 液 力 ・
如果把这种并联机构 应 用 到 盾 构 推 进 系 统 液 就可以实 现 $ 个 自 由 压缸的布置中， 如图 # 所示， 度均可控， 容易实现姿态控制， 易于实现实 时 导 向 控制， 控制精度高。其缺点是控制算法复杂， 要进行 复杂的空间位置及运动计算。另外， 如何安装如此 多的液压缸？盾构中液压缸不能承受拉力等问题也 是难点。
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盾构底部水压力：
&"7’!. )2#’$4*!0!*6 -%&’(!, 开挖面的水土压抵抗力 !$ 是以上各项压力在 由图可知 盾构头部面积上的积分和， 如图 ! 所示 ， 下边最大。 !$ 是上边最小， 计算盾壳与土层的摩擦力 !! （"） 由 &!1、 &"1、 &!9 、 &"9 、 &!7、 &"7合成盾壳周向正压力
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盾构底部土垂直压力：
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盾构顶部土侧向压力：
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盾构底部土侧向压力：
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根据水压计算公式得盾构顶部水压力：
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有关， 一般情况如下 !$#： （, ） # (’/0000000 0 /’"00000000 "’1%00000000 （个） " 12’%)00000000 %)’$)0000000 3$%0000
足总推进力的要求。若液压缸数量选取较大， 则液 压缸的外径可以相应减小。 最大推进力 例如： 取设计盾构外径 #425$"0,， 液 压 缸 壁 厚 $4)9)+/0, ， 液压缸最大 !647182/)0-. ， 工作压力 % 4$)0:;< 。 取液压缸数 "14%) （"）
# 所示。
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推进液压缸位移传感器
在盾构推进过程中， 需对分区的推进液压缸位
图"
盾构开挖面水土压力
移进行测量。以往选用的推进液压缸位移传感器一
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万方数据
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液压缸的结构布置设计
推进液压缸安装在盾体上， 通常的安装方式是
液 压 液 力 ・
推进液压缸与盾体平行安装， 根据液压缸和盾体间 的固定方式不同分为两种， 前端铰接固定和伸出端 铰接固定。 —液 压 缸 的 前 端 和 盾 体 的 前 端 铰 接 固 定 型—— 前端进行铰接固定， 液压缸的伸出端在盾体上的固 定为非约束性固定， 如图 % 所示。
如图 " 所示。 &:， !!’ 边小下边大。 （其中： + 为盾壳与土层 !& 8"
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的接触面积） 可知， 盾壳与土层的摩擦力 !! 也是上
图!
盾壳周向水土压力
由以上计算可知，盾构上边受到的阻力最小， 盾构下边受到的阻力最大。因此， 在液压缸布局时， 增大 = 区液 可以适当减小 < 区液压缸的分布密度， 压缸的分布密度。在相同的推进压力下， = 区可以 克服更大的推进阻力。盾构液压缸截面分区图如图
液压式振动锤液压马达的匹配研究
华北水利水电学院 周林森 刘桂花 智秀娟 靳玉香
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-摘 要： 对液压式振动锤液压马达的匹配问题， 提出应用速度特性概念进行匹配研究， 阐述了定量液压马达、 变量
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液压马达与振动锤匹配的原理和特性， 为开发研制液压式振动锤进行动力匹配提供了理论依据和方法。
图" 盾构液压缸的前端固定安装
后 端 铰 接 固 定 型—— —液 压 缸 的 伸 出 端 和 盾 体 的后端进行铰接固定， 液压缸的前端在盾体上的固 定为非约束固定， 如图 ’ 所示。
图!
盾构液压缸的后端固定安装
这种推进液压缸的平行安装方式，结构简单， 控制方便， 容易实现位置控制， 但受盾构周 围 土 压 力、 应力影响， 其盾构推进的姿态控制不方便， 误差 较大。 近年来， 随着并联机构的发展， 以其高刚度、 高 精度及高速度的特点引起了人们的重视。人们开始
于管片拼装； 为了降低成本， 减少控制复杂程度， 液压缸采用分区控制是必要的； 为了提高液压缸位移传感器的寿命，
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应该采用液压缸内置位移传感器； 提出了推进液压缸并联安装方式， 分析了其特点。
设，尤其是几个重要城市都已开始了地铁的建设。 在这些地下工程中， 由于受到施工场地、 道路交通 等城市环境因素的限制， 使得传统的施工方法难以 — 胜任。因此， 对环境影响较小的隧道施工方法—— 盾构施工法引起人们普遍的关注， 得到了广泛的应 用!"#。 盾构掘进机 （简称盾构） 是依 靠 液 压 缸 的 推 力 向前推进的， 其推进方向和姿态是靠液压缸的协调 动作实现的。液压缸的设计、 布局和分区与液压缸 的控制密切相关。液压缸的精确控制是保证盾构沿 着设计的路线方向准确地向前推进的前提。
液压缸外径：
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外径较小的液压缸， 在满足盾构周向零件布置 的情况下， 占用较小的径向空间。而管片的厚度通 管片拼装时， 外径为 )9$10, 的 常为 )9$/)0, 。这样， 液压缸顶住厚为 )9$/)0, 的管片时，顶靴容易偏出 管片， 推力轴线往往不能满足管片受力面对中的要 求， 拼装的效果效差， 同时推进受力状况不理想。在 盾构推进液压缸的设计中， 可以改进液压缸的结构 形式， 选用外径相对较小的液压缸， 液压缸 数 量 相 应增加以满足总推进力的要求。 但由于数量的增加， 其成本也相应的增加。因 此， 两种情况各有利弊， 可以根据自己的情 况 进 行 选取。
&"""" 唐 经 世 等 $" 盾 构 机 械 的 研 究 *+,$- 筑 路 机 械 与 施 工 机
械化， !..’(&, 安徽科学技术 +---- 侯学渊 $- 软土 工 程 施 工 新 技 术 $- 合 肥 ： 出版社， !... 图! 盾构液压缸的并联结构布局 清华大学出版社， !../ /---- 陈仲颐等 $- 土力学 $- 北京：
计要求， 减少控制的复杂程度， 节约制造成本， 提高 经济性。 （’） 推进液压缸位移传感器采用内置传感器可 以减少传感器的损害， 提高寿命。 提出液压缸采 用 并 联 安 装 方 式 ， 可以进行 （(） 六自由度控制， 便于姿态控制， 但现在仍有 一 些 难 点有待解决。
参考文献 陈 仁 俊 #" 盾 构 隧 道 施 工 技 术 现 状 及 展 望 （第 ! !"""" 朱 伟 ， 讲） —盾 —— 构 隧 道 基 本 原 理 及 在 我 国 的 使 用 情 况 $% 岩土工程界， &’’!(!!)
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选取合适的推进液压缸的数量和推进力， 以满
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万方数据
液 压 液 力 ・
!" 分区设计
由于一般的推进系统液压缸数量比较多， 为了 减少零件的数量控制成本，可以采取分组设计， 每 两个液压缸为一个小组， 作为一个联合体， 用同一 根油管供油， 采用联合的垫块， 同进同退。通常这样 的分组以后， 小组的个数依然较多， 如果每个 小 组 都进行单独控制， 成本高， 控制较为复杂。为此， 可 采用进一步分区控制， 即将为数众多的推进液压缸 小组按圆周分成几个区， 对各分区液压缸分别进行 控制。这样既可以节约成本、 减少控制复杂程度， 又 可以达到盾构姿态的调整、纠偏的 精 确 控 制 的 目 的。 分区的个数和每个区的 液 压 缸 数 量 及 液 压 缸 周向分布密度也不一样， 通常下边的分区液压缸数 量最多， 密度最大， 上边的分区液压缸数量最少， 密 度最小， 两边的分区液压缸数量居中。这是由于盾 构推进阻力不均匀引起的。 —— 盾构推进阻力的组成： !!—盾壳与土层的摩 —— —— 擦力； !"—盾尾与管片的摩擦力； !#—开挖面的 —— 切削抵抗力； !$—开挖面的水土压抵抗力；其中 而 !! 和 !$ 并非均 !! 和 !$ 之和占总推力的 !#$ 多%#&。 匀作用在盾构上。 如图 ! 所示，盾构覆土深度 " ’( )；水深 #’$ 盾构外径 $’(*#+ )； 土天然容重 ! ’!( %&’($； 土 )； 壤浮容重 ! ,’!- %&’($；水容重 ! .’!/*+ %&’($； 土 盾构和土壤的摩擦系数 "’0*#。 侧压系数 % )*0*$/； （!）计算开挖面的水土压抵抗力 !$ 根据土压力计算公式 %$&可得盾构顶部土垂直压 力：
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液压缸外径： （, ） &,(&*-$$4)9$10 取液压缸数 "+4$+ （+） 每个液压缸推进力：
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液压缸内径：
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液压缸缸径和数量的选取
盾构液 压 缸 推 进 力 ! 与 数 量 " 和 盾 构 外 径 #
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