盾构机推进液压系统设计

4F 41250 1000 1000 213.2 Pp 350105 p
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A 推进模式 推进速度 80 mm/min 时， 需要流量： q1 nv1A1 3280 0.038 97.28 （17） 式中， q1 为推进泵供流量， L/min； n 为推进模式工作油缸数量； v1 为推进速度， A1 为无杆腔面积， m2。 B 拼装模式 伸出 （速度为 2000mm/min） 需要流量： q 2 n1v 2 A1 6 2000 0.038 456 （18） 式中， q2 为推进泵供流量， L/min； n1 为拼装模式 工作 油缸数量； v2 为推进速度， A1 为无杆腔面积， m2。 缩回 （速度为 3000mm/min） 需要流量： q 3 n1v3 A 2 63000 0.01257 226.26 （19） 式中， q3 为推进泵供流量， L/min； n1 为拼装模式 工作 油缸数量； v3 为推进速度， A2 为有杆腔面积， m2。 6 推进系统液压原理图设计 6.1 液压泵设计 通过计算 可知， 该系统在 拼装模式时 需 要的 流 量 很大 ， 压力较 低； 而推进 模式 时需要的压力 很高， 流量较低 。因此 从提高 系统效 又考虑到 率、 节约能源的角度考虑， 考虑采用双泵供油回路来实现。 拼装模式伸出、缩回需要流量以及推进伸出需要流量都相差较大， 故 采 用 三联 泵的 形 式 来 实 现， 如下图 1 所示： 推进油缸在工作过程 一 种是 掘 进 中 有两 种 模 式， 模式 ， 另 一种是管片拼装 模 式。[4] 掘进模式用比例变量 泵 1 来供油： 通 过 给比例 阀 4 电磁铁赋值大小来控制斜 盘 摆 角 ， 从而 实现 流 量控 制； 此时 ， 定量泵 2 和 3 采 用 空载启 动回 路， 流量 直 接 通 过 先 导 溢 流 阀 11 和 12 流回油箱。 管片拼装模式油缸伸 出需 要 流 量是 由变 量泵 1、 两个 定量泵 2 和 3 来 实现； 油缸 缩回需 要 流 量是 由变 量泵 1 和定量泵 2 来实现。 泵出口处安装了单向 图 1 液压泵原理图 14、 15， 可 防止 当 系统 1- 比例变 量 泵 ； 2- 定 量 泵 ； 3- 定 量 泵 ；阀 13、 4-伺服阀； 5- 三位四通电磁换向阀 ； 6- 检修或 泵 停 止工 作 时油液 同时 14 和 15 还 能 保 溢流阀 ； 7- 溢流阀 ； 8- 溢流阀 ； 9- 两位 倒 流 ； 三通电磁换向 阀； 10- 两位三通 电 磁换 证 推 进 模 式 高 压油 倒 流到 向阀； 11-先导溢流阀； 12-先导溢流阀 定量泵中。
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式中， F 为 单 缸推力， kN； p 为 工 作 压力， bar； D 为 无杆腔 直径， mm。 圆整后按标准取 220mm。 根据经验公式 活塞杆直径： d=0.8D=0.8伊220越176 （10） 式中， D 为无杆腔直径， mm； d 为有杆腔直径， mm。 p D2 p 6.282 F1 p土 100 6 100 18585 圆整后按标准取 180mm。 （1） 4 4 （活塞杆材料 45 号钢 ， 查表许 用应 力 滓p = 活塞杆强 度 计算： 式中， F1 为 土压对刀 盘作用 力， kN； p 依 为 土压， bar； D 为 刀 盘直 400MPa） 径， m。 （2） 上方土体对盾体的力： 4 F 106 41250103 106 s 49.1 sp （11） 2 F2 2 D D L d e M U 100 pd 2 p 180103 （2） 2 6.28 6.2811 2200 0.5 100 9544 式中， 滓 为活塞杆许用应力， Mpa； F 为单缸推力， kN； d 为有杆腔 mm。 式中， F2 为上方 土 体 对盾体 的力， kN； D 为 刀 盘直径， m； L 为盾 直径， 活塞杆强度满足要求。 体长度， m； de 为土密度， kg/m3； MU 为摩檫系数。 ： 综上： 油缸尺寸 椎220伊180 行程 2100mm （3） 盾体摩檫力 （设备重力作用产生力） 4 活塞杆稳定性校核[3] （3） F3 mgf 310103 10 0.25 775 因为油缸总行程 2100mm， 而活塞杆直径为 170mm， LB/d=2100/ 式中， F3 为盾体摩檫力， kN； m 为盾体重量， kg； g 为重力加速度； 180=11.67>10， 需要进行稳定性校核。 f 为摩檫系数。 活塞杆弯曲失稳临界力： （4） 刀具产生力： 2 3 3 4 6 刀盘上共安装了 60 把刮刀、 12 把周边刮刀、 撕裂刀 26 把。 根据 p 2 E1 J 10 6 p 18010 0.049180 10 10 FK 5180.4 （12） 每把刮刀在软土中的推进力约为 5.6 kN、 每把撕裂刀的设计最大推 2 2 2 K LB 2 2 2100 103 力为 250kN， 计算刀具产生力： 式中， FK 为活塞杆弯曲失稳临界力， kN； E1 为 材料 的弹性模 数， （4） F4 5.660 12 250 26 6831.2 Mpa； J 为 活塞杆横截面惯 性 矩， m4； K 为 液压缸 安装 及 导向 系数； LB 式中， F4 为刀具产生力， kN。 （5） 后配套牵引力： 为极限长度， m。 5180.4 F （13） （5） F5 m1 gf 137103 100.22 274kN F力 K 1480 3.5 nK 式中， F5 为后配套牵引力， kN； m1 为后配套重量， kg； g 为重力加 式中， F 力为活塞杆 弯曲时能承受最大 力， kN； FK 为活塞杆 弯曲 速度； f 为摩檫系数。 5 失稳临界力， kN； nk 为安全系数。 F ' Fn 18585+9544+775+6831.2+274=36009.2 油缸实际推力： （6） n 1 式中， F' 为推进力， kN。 上坡等因素， （14） EPB 推力除克服以上阻力外， 还应考虑盾构转向、 所以 EPB 推力为以上 5 种力计算之和再乘以安全系数。 式中， F 实 为 单缸实 际最大 推力， kN； D 为 活塞杆 直径 ， mm； p为 云 总越iF'=1.1伊36009.2越396员0.12k晕 （7） 最大工作压力， bar。 式中， F 总为推进总推力， kN； i 为安全系数； F' 为推进力， kN。 所以稳定性满足要求。 综上所述， EPB 推力取整为 40000kN。 5 流量计算 2 推进油缸布置及数量 因此推进油缸的 布置 主 无杆腔面积： EPB 推进时， 推进力是 作用在管 片上 ， 3 受力点布置、 拼装管片方便性等 （15） 要考虑管片的结构形式、 分布方位、 p D 2 p 22010 A 0.038 1 因素。EPB 推进油缸采用圆周均布， 可以保证管片受力平衡、 Key 块 4 4 式中， A1 为无杆腔面积， m2； D 为无杆腔直径， mm。 方便安装、 油缸上下左右布置均对称。 有杆腔面积： 推进缸数量取决于一环管 片轴向穿螺栓孔数量。采用 5+1 管 片， 轴向一圈螺栓孔数量为 16 个。该设备采用 16 组油缸 （双撑靴， 3 2 3 2 p D 2 d 2 p 22010 18010 破坏管片止水条） ， 共 32 个油缸。 防止撑靴因重力左右旋转， A2 0.01257m 2 （16） 4 4 3 推进油缸计算[2] 式中， A2 为无杆腔面积， m2； D 为无杆腔直径， mm； d 为有杆腔直 单缸推力： mm。 （8） 径， 沈阳市科技创新条件与环境建设-重点实验室建设专项项目名称院野沈阳市全断面掘进机重点实验室建设冶 项目编号院F12-257-1-00
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2014 年第 3 期
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盾构机推进液压系统设计
畅海潮 1 辽宁 沈阳 110141 (1、 北方重工集团有限公司， 王永新 1 刘夏艳 2 辽宁 沈阳 110142） 2、 沈阳圣佳机械制造有限公司，
专用于地下隧道工程开挖的技术密集 摘 要： 盾构掘进机是一种集机械、 电气、 液压、 测量导向、 控制、 材料等多学科技术于一体、 对周边环境影响小等优点， 已广泛用于地铁、 地下隧道、 饮 型重大工程装备。 盾构法施工以自动化程度高、 施工速度快、 安全可靠、 同时能够实现姿态控制。 文章简要介绍 6.28m 土压平衡 水工程等项目。推进系统是盾构机的关键系统， 它主要承担着推进任务， 推进液压系统设计； 推进油缸的控制等。 盾构机的推力计算、 推进油缸的规格参数和数量的确定、 液压系统； 关键词： 盾构机； 推进； TBM 它主要承担着盾构机的推进任 推进系统是盾构机的关键系统， 曲线行进、 姿态控制、 纠偏以及同 务， 同时能够实现盾构机的转弯、 步运动等功能。 控制阀组、 推进缸和管路附件 推进液压系统主要包括推进泵、 [1] （以下简称 EPB） 等。 以下就 6.28m 土压平衡盾构机 推进液压系统 推进油缸的规格参数 设计做简要介绍： 主要包括确定盾构的推力； 推进油缸的控制等。 和数量的计算； 推进液压系统设计； 1 推力计算 盾构机在前进过程中主要克服以下几种力： （1） 土压对刀盘作用力： 式中， F 为单缸推力， kN； F 总为推进总推力， kN； n 为油缸数量。 无杆腔直径：
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该液压系统采用 2 级调压。在推进过程中，主要是由电磁阀 5 的 b 得电， 溢流阀 7 设定压力 350bar 来保证推进压力。在管片拼装 过程中， 主要是 由电磁阀 5 的 a 得电， 溢流 阀 6 设定压力 100bar 来 实现压力控制。 6.2 油缸分组控制设计 由于地层变化频繁、 软硬交错， 盾构机经 常 通过 掌子面 软 硬不 抬头 、 低头 均地层， 造成刀 盘受力不均， 从而使盾构姿态产生偏转、 的现象， 导致盾构的掘进轴线与隧道设计轴线发生偏离。为了纠正 将 32 个推进油缸共 16 组， 下 5 组、 左 4 组、 盾构姿态， 分成上 3 组、 右 4 组共 4 区， 每个分区都有一只油缸配置位移传感器[5]， 并可以 单 这样就可以实现盾构左 独调整每组推进油缸的推进力和推进行程， 转、 右转、 抬头、 低头或直行。采用激光导向系统对盾构的姿态进行 及时 地调 整 监控， 操作 者根据反馈信息调节 每组推进油缸的压力， 盾构的姿态， 从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴 线。 在独立分组中， 采用节流控制方式， 通 过 比例溢 流 阀和 比例调 速阀来实现压力和流量的复合控制， 提高系统的控制精度和动态响 应， 其分组控制原理图如图 2 所示。 掘进模式， 压力油从进油口 P 进油， 经过比例调速阀 1 后， 再经 过三 位四通电磁阀 6 （b 端得电） ， 然 后压力油经 过 单 向 阀 8 后 进 入 压力传感器 12 将检测到的压力信号传递给 PLC， 推进油缸无杆腔， 最后 反馈给比例溢 流阀 2，根据 负载 大 小自 动 调 节 比例溢 流 阀的 则由油缸内置位移 值， 以保证推进缸输出力； 推进速度大小的控制， 传感器检测到的信号传递给 PLC， 最终反馈到比例调速阀 1， 从而调 保证推 节调速阀 1 开口度大小来实现。形成两个互锁的闭环控制， 进系统控制精度。推进缸有杆腔的油液直接通过三位四通电磁阀 6 负载瞬间加大， 为了 流回油箱。另外， 当遇到硬岩或者特殊条件时， 特添加溢流阀 11 保证推进模式系统的安全。 保护系统安全， 管片拼装模 式， 先是两位两通电磁 阀 7 得电 ， 把无杆腔高 压油 卸荷。压力油经过进油口 P 进油， 经过 插装阀 3 （两位四通电磁阀 4 得电） ， 再 经过三位 四通 电磁阀 6 （a 端得电） 进 入油缸 有杆腔 ； 无杆 腔的油液经过插装阀 9 （两位两通电磁阀 10 得电） ， 直接回油箱。 当一片管片拼装完毕后， 需要推进缸伸出顶紧该管片。此时压 ， 力油经 过进油 口 P 进油， 经 过插 装 阀 3 （两 位 四 通 电磁 阀 4 得电） 再经过三位四通 电磁 阀 6 （b 端得电） ， 然后通过单向阀 8 后进入油 缸无杆腔； 同时有杆腔的油液经过三位四通电磁阀 6 后直接流回油 箱。 7 结束语 通过对 6.28m 的 TBM 推进液压系统的设计，对确定推进油缸 参数和流量计算形成了一套成熟的计算方法，并深入了解 TBM 的 ， 这些成 果对 推进系统的结构及其设计思想 （尤其是大流量的设计） 于以后盾构的开发、 改造及施工选型起到积极的作用。 参考文献 任德志， 等援双护 盾推 进液压 系统设计与研究 [J]援 机 [1]张成， 徐莉萍， 床与液压， 2010，38(16)： 44-46援 张德生援 液压 与 气压 传动 [M]援哈尔滨 ： [2]周德繁， 哈尔滨 工 业大学 出 版社， 2013. [3]李壮云援液压气动 与 液力 工程手册： 上册 [M]援北 京： 电 子 工业出版 社， 2008.2： 375-379援 [4]王国义.盾构推进系统及故障排除[J].山西建筑， 2008， 26 （2） ： 338340援 郭京波援土压 平衡 盾构机推进液压 系统设计分析 [J].隧道 [5]刘福东， 建设， 2011援 （1986， 作者简介： 畅海潮 3-） ， 大学本 科， 北方重工集团有限公 助理工程师。 司盾构机分公司，