盾构机刀盘液压驱动系统研究.doc

海量资料 超值下载盾构机刀盘液压驱动系统研究1盾构刀盘驱动液压系统的实验研究盾构机的刀盘和刀具盾构机刀盘液压驱动系统研究1盾构主要用于软土、砂砬和强风化岩层及含水的混合地层隧道掘进。主要由盾体、刀盘及驱动系统、螺旋输送系统、液压推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。盾构掘进过程中，负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削扭矩变化很大(见表1)。可见，盾构刀盘驱动所需功率大且功率变化范围宽。刀盘驱动液压系统原理如图1所示刀盘驱动液压系统。采用电比例功率自适应泵控马达技术，实时检测刀盘的转速，根据合适的策略控制变量缸位移，继而控制变量泵的排量，形成按负载工况变化需要进行刀盘转速的连续实时控制。液压系统设计成开式回路，可适应两种工况，软岩工况时蹬低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩。两种工况转换可通过控制电磁换向阀6来实现，当电磁铁断电时，溢流阀7.1确定系统最高压力，此时，系统压力设定为10 MPa，输出转矩小，但流量大(最大为300 L/min)，输出转速高;当电磁铁通电时，溢流阀7.2确定系统最高压力，此时，系统压力设定为20MPa，输出转矩大，但流量小，输出转速低。刀盘转速通过调节变量泵2的排量实现，检测液压马达的输出转速，检测信号反馈到变量泵的比例阀上，构成速度闭环控制系统。液压马达5.1和5.2的正反转可通过电液换向阀3来控制。系统采用某公司的A11VO 260 LRDU2恒功率比例变量泵。泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流成比例。恒功率控制优先于变量控制，如果设定流量或工作压力使功率曲线超过，则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排量。当低于功率曲线时，排量受控制电流的调整，泵输出的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化的影响。变量调节特性如图2所示。3模拟盾构实验平台实验装置如图3所示，包括模拟土箱、模拟盾构机、主顶、土体加压泵站、模拟盾构机泵站和控制室。模拟土箱内的土能够通过水囊进行加压，实现对不同土压的模拟。模拟盾构机由主顶推进，模拟盾构泵站包括刀盘与螺旋机驱动泵站和主顶驱动泵站。模拟土箱内的多个断面布置有压力传感器，刀盘转速通过在刀盘上布置2个接近开关进行测量，主顶的位移通过布置在液压缸内的位移传感器测量。4实验研究中国引擎本实验为刀盘转速开环控制实验，一个操作员调节螺旋机的转速和推进速度控制旋钮使盾构前进并保持正面土压力与盾构土仓内压力平衡，另一操作员调节刀盘转速控制旋钮。盾构共推进1.5 m，平均推进速度为2.5 cm/min。刀盘调速电流曲线如图4a所示。图4b所示刀盘转速有较大的波动，原因是由于没有及时加注泡沫且土质较粘，刀盘有卡住的现象。但是，刀盘转速曲线的趋势表明，刀盘转速能够按照操作员的调节作出相应的变化。图4c所示的刀盘转矩曲线表明，刀盘转矩变化大，可能是螺旋机的排土速度没有及时调节的原因。对比图4b和图4c，说明在刀盘转矩有较大波动下，刀盘转速能够根据调速信号按比例调速。盾构刀盘驱动液压系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，通过在模拟盾构实验台上的掘进实验，证明该系统能适应掘进中的复杂工况，实现刀盘的调速。盾构刀盘驱动液压系统的实验研究摘要：盾构刀盘驱动液压系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，文章介绍全局功率自适应的泵控马达系统的工作原理，通过在模拟盾构实验台上的掘进实验，证明该系统能适应掘进中的复杂工况，系统节能效果好。关键词:土压平衡盾构;刀盘驱动;液压系1引言盾构主要用于软土、砂砬和强风化岩层及含水的混合地层隧道掘进。主要由盾体、刀盘及驱动系统、螺旋输送系统、液压推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。盾构掘进过程中，负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削扭矩变化很大(见表1)。可见，盾构刀盘驱动所需功率大且功率变化范围宽。2刀盘驱动液压系统原理如图1所示刀盘驱动液压系统。采用电比例功率自适应泵控马达技术，实时检测刀盘的转速，根据合适的策略控制变量缸位移，继而控制变量泵的排量，形成按负载工况变化需要进行刀盘转速的连续实时控制。液压系统设计成开式回路，可适应两种工况，即软岩工况时蹬低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩。两种工况转换可通过控制电磁换向阀6来实现，当电磁铁断电时，溢流阀7.1确定系统最高压力，此时，系统压力设定为10 MPa，输出转矩小，但流量大(最大为300 L/min)，输出转速高;当电磁铁通电时，溢流阀7.2确定系统最高压力，此时，系统压力设定为20MPa，输出转矩大，但流量小，输出转速低。刀盘转速通过调节变量泵2的排量实现，检测液压马达的输出转速，检测信号反馈到变量泵的比例阀上，构成速度闭环控制系统。液压马达5.1和5.2的正反转可通过电液换向阀3来控制。系统采用某公司的A11VO 260 LRDU2恒功率比例变量泵。泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流成比例。恒功率控制优先于变量控制，如果设定流量或工作压力使功率曲线超过，则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排量。当低于功率曲线时，排量受控制电流的调整，泵输出的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化的影响。变量调节特性如图2所示。3模拟盾构实验平台实验装置如图3所示，包括模拟土箱、模拟盾构机、主顶、土体加压泵站、模拟盾构机泵站和控制室。模拟土箱内的土能够通过水囊进行加压，实现对不同土压的模拟。模拟盾构机由主顶推进，模拟盾构泵站包括刀盘与螺旋机驱动泵站和主顶驱动泵站。模拟土箱内的多个断面布置有压力传感器，刀盘转速通过在刀盘上布置2个接近开关进行测量，主顶的位移通过布置在液压缸内的位移传感器测量。4实验研究本实验为刀盘转速开环控制实验，一个操作员调节螺旋机的转速和推进速度控制旋钮使盾构前进并保持正面土压力与盾构土仓内压力平衡，另一操作员调节刀盘转速控制旋钮。盾构共推进1.5 m，平均推进速度为2.5 cm/min。刀盘调速电流曲线如图4a所示。图4b所示刀盘转速有较大的波动，原因是由于没有及时加注泡沫且土质较粘，刀盘有卡住的现象。但是，刀盘转速曲线的趋势表明，刀盘转速能够按照操作员的调节作出相应的变化。图4c所示的刀盘转矩曲线表明，刀盘转矩变化大，可能是螺旋机的排土速度没有及时调节的原因。对比图4b和图4c，说明在刀盘转矩有较大波动下，刀盘转速能够根据调速信号按比例调速。5总结盾构刀盘驱动液压系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，通过在模拟盾构实验台上的掘进实验，证明该系统能适应掘进中的复杂工况，实现刀盘的调速。参考文献:1路甬祥.液压气动技术手册M.北京:机械工业出社，2002.2吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等.实用电液比例技术M.杭州:浙江大学出版社，1993.9.3杨华勇，龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用J.液压气动与密封，2004(1).(end)盾构机的刀盘和刀具刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚至关系到盾构施工的成败1 刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体。“刀盘”的工作原理可简单比作是一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥土砂石变成碎块，再排放到“刀盘”后的“储藏室”内，即，土仓。11刀盘的特点的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。个性化：盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。多样化：随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。12刀盘的功能开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱，稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；重要性：刀盘的选择是否合适直接影响盾构掘进机搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一力值趋于减小。在低速情况下沥青混凝土路面呈粘弹性状态，刀具前角对切屑的挤压以及后角对已加工路面的摩擦使得刀尖附近的应力值增大；随着切削速度的增大，沥青混凝土在切削过程中脆性越来越明显，产生的切屑对前刀面的挤压程度降低，从而使得刀尖附近的应力值趋于减小；当速度达到一定程度的时候，这个值趋于平稳。另外还可以看出在切削过程中刀尖前端的沥青混凝土路面主要受到刀尖对其的挤压，从而oo。和o，呈现为负值；o。、a，和o，由低速慢慢随着速度的增大而不断增大，这是因为沥青混凝土的粘塑性随着切削速度变化而引起的。表3为切削深度为60 mm的不同切削速度下的刀具切削力计算结果。可以看出，切削速度由100 mms逐渐增大到1 000 mms的过程中，刀具受力增加比较缓慢，所以刀具所受到的冲击不是很大，刀具的磨损也不会很严重。切削速度从l 000 mms增大到6 000mms过程中，刀具受力急剧增加，所以刀具的磨损将表3切深为60 mm时不同切削速度下的刀具切削力切削速度(mms) 100 300 500 1000 2000 3000 6000最大切削力N 167331 2004 06 2846 79 396715 104942 284974 71443 3平均切削力N 1088 70 1289 93 1498 62 242164 696683 1217277 47007861 00 CMTM 201005会迅速加剧。因此高速、大切深铣刨路面对铣刨机的刚性和功率提出了较高的要求。综上所述，对于较小切削深度的路面铣刨机，切削速度最好维持在2 000 mms以下，对于较大的切削深度，可以选择较大切削功率的路面铣刨机以较大的切削速度来完成切削作用，提高切削效率。参考文献1】陈志刚，周里群，黄霞春基于ANSYS的金属切削过程有限元仿真凿岩机械气动工具，2007，(1)，46542】2蔡玉俊，段舂争，李圆圆，王敏杰基于Abaqus的高速切削切屑形成过程的有限元模拟机械强度，2009，31(4)：6936963】MMovahhedy,MSGadala，YAltintas，Simulation of theorthogonal metal cutting process using an arbitraryLagrangian-Eularian finite element method，Journal ofMaterials Processing Technology,2000，103，267-2754】GRJohnson，WHCook，A constitutive model and data formetals subjected to large strains，high strains rates and hightemperatures，Proceedings of the 7th InternationalSymposium on Ballistics，The Hague，1983，541-547收稿日期：201001-28通讯地址：湖南省湘潭市(411105) 羲搿镂耪万方数据缫塑一叠7丝鳖w鲢丝r遒麴鞫4鲢鳖鲨o缱缵鎏r鎏鳖”塑幽甾幽女一丝定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。13刀盘的主要构成(1)主驱动连接法兰(连接主驱动)；图1(2)刀盘支撑(传递扭矩及轴向力)，有两种支撑方式(表1)：裹1中心支撑方式中间支撵方式(1)4m以下的外径使用的业绩多。(2)此类型当刀盘偏载荷作业难以确保刀盘面板的强度。(3)刀盘密封直径小，密封耐久，可靠性高。(4)土仓的土砂流动良好。(5)进仓作业空间小。广著(1)6m以上外径使用的业绩多。(2)容易满足面板所需载荷强度。适用于高载荷、偏载荷作业。(3)刀盘密封难度较大。(4)土仓的土砂流动较好。(5)迸仓作业空间充分。(3)外圈梁(加强结构强度)(4)刀梁(安装刀具)；(5)搅拌棒(渣土改良)；(6)渣土该良注入I：I(渣土改良)；(7)N转接头(向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油)；(8)耐磨层：除了安装刀具，还需要焊接耐磨层对刀盘本体进行保护，耐磨层一般有三种形式：a用耐磨焊条堆焊耐磨网格或耐磨层，b焊接hardox500钢板；c焊接耐磨复合钢板。14刀盘的分类(1)按结构形式分为：面板式和辐条式2种基本型式辐条式刀盘与面板式刀盘的比较表(表2)(2)按功能分：软土刀盘和复合式刀盘表_2比较刀盘形式项目面板式幅条式刀盘一、-乎飘一xV1 土仓卜； ，结构亩，一一般存在3个压力：P1为开挖只有一个压力P，密封舱内面面板之间；P2为面板开口土压计压力与开挖面的压进出口之间I P3为面板与密封力相等，PI=P3，因而平衡土压舱内壁之间(即土压计压力)。压力易于控制。2 其中：P2有扭转产生的抵抗压管理力，受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。开口部的渣土容易产生附着和渣土流进性好，进渣通畅，3 泥饼凝结，进而形成泥饼。不易形成泥饼。负载刀盘扭矩阻力大，需增加设备刀盘扭矩阻力小，设备造4 及磨能力，造价高，刀具磨损较快。价低，刀具磨损较小。损对各种类型的地层均能适应， 结构简单，强度稍弱，开口结构刀盘即使被磨损仍能保持整体率大，仅能适应特定的地5 强度不发生变形、在半仓掘进时层、辐条式刀盘要求严格特点面板对开挖面有一定机械支撵实施满仓掘进。作用。隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、水文地质等)中进行，按其变化程度可分为均一地层和复合地层。均一地层可分为两种：单纯的软土地层和单纯的硬岩地层。a软土刀盘在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如切刀、边刮刀、中心刀等即软土刀盘，图2所示。图2b复合式刀盘复合地层的组合方式非常复杂多样，但总的来说可分为三大类：一类是在掘进断面上不同地层的组合；一201005建设机械技术与蕾理1 01万方数据类是在掘进轴线方向上不同地层的组合；另一类是上述两者兼而有之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到了大量的复合地层。为了应对不同的地层条件，发明了复合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面不同的地层条件，盾构机采用不同的掘进模式，例如土压平衡模式、气压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层，也要求刀盘采用混合式设计，即在同一个刀盘上同时布置2种或2种以上的类型的刀具，刀和滚刀并存，图3所示。围315刀盘的几个概念(1)开VI率：开口面积站整个面积的百分比，一般化065(2)刀间距：指在直径方向上，相邻两条轨迹上的刀具之间的距离，一般在设计中要综合考虑刀间距。距离过大影响切削效果过小又会造成浪费；(3)刀高：指刀具深处面板的高度；(4)刀具高差：指不同刀具之间的高度差。2刀具刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具，二是滚动类刀具。21切削类刀具(1)刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的切削刃具类有边刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀等。(2)先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，1 02 CMTM 201005因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。(3)鱼尾刀在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构整体掘进效果。(4)仿形刀仿形刀是为曲线掘进、转弯、纠偏设计的，仿形刀安装在刀盘的边缘，通过一个液压油缸来控制仿形刀的伸出量，从而控制超挖范围。图4所示：(a)球齿滚刀(”楔齿滚刀圈4钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀22滚动刀具(滚刀)滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀。根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀(钢齿和球齿)、盘形滚刀。根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀(图5)。万方数据戳虢I暖#咿j；黻r一：一鸶遴”翁嚣j!#!一I”el#誊搿缕嗍F二戳蕊F嘲璺自嫦iil2I&2秽。!誊J幽粼圈5目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。3刀具工作原理31 刮削类刀具的工作原理在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮