（机械电子工程专业论文）液压缸驱动连杆式盾构切削系统研究.pdf

摘要 摘要 偏心盾构机大多是采用液压马达来控制，仅有的液压缸驱动的盾构机还处 于实验阶段。目前国内对液压缸驱动连杆式偏心盾构的研究刚刚开始。这种新 型刀盘系统减小的盾构尺寸，降低了制造成本，而且更加安全可靠。对液压缸 驱动连杆式盾构刀盘切削系统的研究，将可以填补国内甚至是国际盾构刀盘研 究的空白。 本文的主要研究工作如下： 1 利用土力学理论，建立液压缸驱动盾构刀盘的切削系统模型，计算得到 刀盘切削阻力矩的公式，为刀盘的结构设计提供了依据。 2 通过建立单个液压缸的数学运动模型，分析刀盘系统的切削性能与尺寸 参数之问的函数关系。进而分析多缸驱动下液压缸驱动盾构刀盘的系统性能。 3 以偏心盾构的偏心半径、液压缸的长度和直径对盾构结构优化有较大的 影响的参数作为设计变量，建立多目标多约束的优化算法。应用线性加权和法、 罚函数方法建立该问题的适应度函数。通过m a t l a b 的c o n s t r 函数进行计算，得 到参数的优化值，以满足设计要求。 4 设计定量泵液压控制系统，并进行液压元件的选择。采用接近开关控制 凸轮的形式控制多液压缸的大小工作腔换向配合，使液压缸按照工作要求自动 换向，带动刀盘平稳旋转。 5 编制实验软件，在隧道试验中心模拟的盾构平台上完成液压缸驱动偏心 盾构切削混凝土试验，通过压力、转速转角等传感器进行数据采集，对刀盘驱 动的数学模型进行验证。绘制转速、压力曲线图。试验结果和理论分析有一定 的误差，分析了产生的原因。 关键词：液压缸驱动偏心盾构，切削阻力矩，罚函数法，恒功率泵，组态王 a b s t r a c t a b s t r a c t m o s to fd p l e xs h i e d sa r ed r i v e nb yh y d r a u l i cm o t e r , a n dt h et y p ed p l e xs h i e d d r i v e nb yh y d r a u l i cc y l i n d e ri so n l yo ne x p e r i m e n t n o w , r e s e a r c ho fd p l e xs h i e d d r i v e nb yh y d r a u l i cc y l i n d e ri sa tt h eb e g i n n i n gi no u rc o u n t r y t h i sn e wt y p es h i e l d i sm u c hm o r es m a l l e r ，c h e a p e ra n ds a f e rt h a no t h e r s r e s e a r c ho fi tw i l lf i l lu pt h e b l a n ko ft h es h i l e dt e c h n i co fo u rc o u n t r ye v e r lo ft h ew o r l d f o l l o w sa r et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ： ( 1 ) u s i n gt h et h e o 巧o fs o i lm e c h a n i c s ，w eb u i l dt h ec u t t i n gm o d e lo ft h e d p l e x s h i e dd r i v e nb yh y d r a u l i cc y l i n d e r , a n dg e tt h ef o r m u l ao fc u t t i n gr e s i s t a n t m o m e n t ，w h i c hi su s e df o rt h es t r u c t u r ed e s i g no fd p l e x - s h i e d ( 2 ) b u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a ll o c o m o t o r ym o d e lo fs o l eh y d r a u l i cc y l i n d e r , w e a n a l y s i st h er e l a t i o nb e t w e e nc u t t i n gc a p a b i l i t ym a ds t r u c t u r ed i m e n s i o n ，t og e tt h e f o r m u l ao ft h es y s t e mc u t t i n gc a p a c i t yw h e nd r i v e nb ym o r et h a no n eh y d r a u l i c c y l i n d e r s ( 3 ) m a k i n gd p l e xr a d i u s ，l e n g t ha n dd i a m e t e ro ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra st h e d e s i g nv a r i a b l e s ，w eb u i l dt h eo p t i m i z i n ga r i t h m e t i c w i t he x c e s so b je c t sa n d r e s t r i c t i o n s u s i n gt h el i n e a rp o w e ra n ds u m t t og e tt h ea d a p t i o nf u n c t i o no ft h e m o d e l w i t hh e l po fm a t l a ba n dc o n s t rf u n c t i o n ，w ec o u l dg e tt h eo p t i m i z i n gr e s u l t ， t os a t i s f yt h ed e s i g n ( 4 ) d e s i g nh y d r a u l i cs y s t e mo ft h er a t i o np u m p ，a n dc h o o s et h eh y d r a u l i c e l e m e n t s w eu s ea p p r o a c h i n gs w i t c h sw i t hac a mt oc o n t r o lt h eh y d r a u l i cc y l i n d e r w h e ne x c h a n g i n g ，m a k i n gt h eh y d r a u l i cc y l i n d e ru n d e rn e e d s ，a n ds ot h ec u t t i n gb o d y c o u l dw o r kc o r r e c t l y ( 5 ) m a k ea ne x p e r i m e n ts o f t w a r e ，w h e ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nas i m u l a n t f l a tr o o fa n dt h es h i e l di sc u t t i n gc o n c r e t e ，w ec o u l dg e tt h ed a t at h r o u g hp r e s s u r e s e n s o ra n dr o t a t es p e e ds e n s o r t h e n ，a n a l y s i s i n gt h ed a t a ，w ec a nd r a wg r a p ho ft h e p r e s s u r ea n ds p e e dt ov a l i d a t et h em o d e lo f t h es y s t e m m a y b et h e r ea r es o m ee r r o r s a n dw ew i l lf i n do u tt h er e a s o n i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：d p l e xs h i e dd r i v e nb yh y d r a u l i cc y l i n d e r , c u t t i n g r e s i s t a n tm o m e n t ， s u m t , p o w e r - c o n s t a n tp u m p ，k i n g v i e w 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：夕。j 彳受查、 。寥年) 月f 彩日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文“液压缸壁动适枉惑厦枚切削 丕统硒究 ，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人 创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本学位论文原创性声明的法律责任由本入承担。 学位论文作者虢_ ( 受查、 佣年 刖l q 第l 章序论 1 课题来源及意义0 1 第1 章序论 本课题来源于上海隧道股份有限公司与同济大学共同承担的重大专项“盾 构技术的研究和开发”。 进入2 l 世纪，世界经济的迅猛茇展加速了城市化建设。世界各大城市的人 门高度集中，大力发展地下交通成为一种趋势。但是由于大城市的特殊地位， 又往往吸引了大量的资金把土地作为一种投资手段，使得大城市的土地价格扶 摇直上。规模较大的建设项目征地困难，投瓷费用居高不下，直接妨碍了地下 交通的发展。在此情况下发展各种安全性好，经济性好、经济性高的新技术势 在必行。所以，如何更有效利用和创造地下空间已经成为当今城市现代化建设 的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种虽佳选择。 倒11 利川盾构法开发地f 空间实例 传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿车外运， 紧接着对挖空的隧道进行支护，这种方法当遇到淤泥或流沙层等地质条件时， 很难做到“及时”支护，极易坍塌，造成大面积的地面塌路。盾构法施工是在 一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形( 或矩形和马蹄形等特殊形状) 钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它的最大的特点就是 整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，司咀最大 限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术相比盾构法施工具有安 全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施t 成本低等优点， 尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖硒构。 第1 章序论 目前，北京、上海、广州已经分别建成了2 0 - - - 5 0 k i n 的地铁，取得了一定的 效果，并将继续建造地铁。如：上海已建成地铁1 、2 号线及明珠线，北京市现 有地铁运营线两条，总长为5 3 5 k m 。随着北京申奥成功，首都交通基础建设特 别是轨道交通将得到快速的发展，需要大量的地铁盾构进行施工。南京、天津 等地的地铁一期工程已经开工，重庆、成都、青岛、武汉、沈阳等地都准备建 造。但我国已建成的地铁工程大多采用从国外进口的盾构进行施工。如北京地 铁5 号线进口的h e r r e n k n c h t 巾6 2 0 0 m 土压平衡盾构一台约需5 0 0 万美元。如 果我国新开工的地铁工程都采用进口盾构，那是一笔昂贵的费用，因此研制地 铁盾构具有显著的经济效益和社会效益。 对于自行设计制造盾构，刀盘驱动系统是盾构的关键部件之一，也是我国 还没有完全掌握的关键技术之一。建立其力学模型进行仿真研究对于转速、推 进速度、扭矩及推力等合理参数的确定，以及盾构掘进机整体设计都有指导意 义。盾构掘进机整个动力传动系统的功率大，研究采用何种控制方式，以有效 地利用功率，做到高效节能，具有重要意义。先期对力学计算及控制方式研究， 对于盾构掘进机的设计及模拟试验都可以提供理论指导，在计算机上完成参数 调整、修改的工作，优化盾构的结构及性能参数，方便快捷，避免实际施工及 试验过程中浪费大量人力、物力进行较大范围内参数的调整，可大大提高设计 效率。目前我国尚无这方面的系统研究，因此，对于刀盘驱动系统的力学模型 及控制策略的研究是十分有意义的。 1 2 盾构发展概述口棚 1 2 1 盾构掘进机的国外发展历史及现状 世界上第一条人工开挖盾构隧道是在英国伦敦进行的。1 8 2 5 年，英国工程 师布鲁诺尔( s i rm a r c ) 和他的儿子( i s a m b a r db r u n e l ) 在伦敦泰晤士河下用 一个断面高6 8 m ，宽1 1 4 m 的矩形盾构修建了一条隧道，该盾构为世界上第一 台盾构。该盾构具有封闭的盾构外壳，外形为矩形，由十二个相邻的框架组成， 每个又分为三个室。布鲁诺尔的盾构可以看成是土压盾构的雏形，它虽然采用 人工进行挖掘，并且隧道总耗时为1 8 年，但毕竟为盾构掘进隧道迈出了有意义 的第一步。 1 8 9 6 年，工程师普莱斯( p r i c e ) 研制了轮辐式刀盘盾构，并申请了专利。 第1 章序论 普莱斯盾构有了很大的改进，具有较好的构造，它的切削刀盘由4 个辐条型手 臂组成，手臂上固定有切削与刮削工具。刀盘通过一根长轴电驱动，其外形也 与现代盾构较为接近。该盾构从1 8 9 7 年成功的应用于伦敦的地层中。 至2 0 世纪初，盾构施工法已在美、英、苏、法等国开始推广。3 0 - 4 0 年代 在这些国家已成功地使用盾构建成内径3 0 9 5 m 的多条地铁及过河公路隧道， 仅在美国纽约就采用气压法建成了1 9 条重要的水底隧道。1 9 3 1 年，苏联莫斯科 市首次采用机械式盾构掘进地铁隧道。 1 9 7 4 年，日本的s a t ok o g y o 有限公司发明了如图1 2 所示的土压平衡盾构 掘进机( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l d ) ，第一台土压平衡盾构的直径3 7 4 m ， 在含水砂土地层中修建一条1 8 6 6 m 长的排水隧道。1 9 8 6 年日本研制世界上第一 台双圆逆泥水加压式盾构，它由两个直径7 4 2 m 的盾构组合而成。 螺旋输送机 图1 2 土压平衡盾构 1 2 2 盾构掘进机的国内发展历史及现状 早在第一个5 年计划期间，东北阜新煤矿就用直径2 6 m 盾构及小型混凝土 预制块修建疏水巷道。1 9 6 3 年上海隧道工程公司开始结合本地区的地质特点进 行盾构隧道工程试验，对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、 隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1 台直径4 2 m 的手掘式盾构进行 浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度6 8 m 。 从1 9 6 4 年开始，上海隧道公司开发了网格式盾构。1 9 6 5 年，由上海隧道工 程设计院设计、江南造船厂制造的两台直径5 8 m 的网格挤压型盾构掘进机，掘 第1 章序论 进了两条地铁区间隧道，掘进总长度1 2 0 0 m 。随着我国科技和经济的发展，盾构 施丁= 法逐渐在地铁工程、市政公用设施管道工程的建设中得到越来越多的应用。 1 9 9 7 年k 勰隧道股份公司在消化吸收引进泥水盾构技术基础上，自行设计制造 了2 台巾22 m 泥水加压平衡顶管机。2 0 0 5 年7 月，“先行号”国产地铁盾构完 成上海地铁2 号线延伸段工程1 4 0 0 米隧道的掘进施工，工程质量优良。2 0 0 5 年1 0 月，“先行号”国产地铁盾构再次担任上海轨道交通9 号线1 8 0 0 m 隧道的 掘进施工。如图13 所示。 圈i3 m 63 4 m “先行号”j 卜压平衡盾构 虽然海外产品有着较为优越的性能，可是其价格、技术含量、交货期等 都捏在供货商手里，甚至关键资料留一手，使国内施工企业往往处在被动的地 位而且售后服务和部件供应等存在一定的缺位。世纪之交前后，国内地下空 闸开发进入了一个快速发展时期，城市建设正超出我们的想象地下空间的开 发更是以世界少有的速度发展，大型基础设施建设的投入日趋加大，大型越江 公路隧道的新建、城市轨道交通的建设、地下商业的发展等，应用盾构隧道技 术也越加普遍，盾构的需求量也r 益增加。 卣临这样的市场需求，我国先后制造出备类盾构1 2 8 台：其中独立研制和 批量生产了8 7 台，台作生产了4 1 台。其中的代表作，包括k 海轨道交通一号 线北延伸段的国产地铁盾构“隧铁一号”盾构；穿越广州珠江的广州地铁一号 线的国产复台型土压平衡盾构；用于上海肇嘉浜路污水燧道施工，直径为42 m 士雎平衡铰接式盾构。 遗憾的是，这些盾构大多足为某一个工程量身定制的，从没有纳入 i k 化 第1 章序论 发展规划。在城市轨道交通快速发展的今天，中国却有8 5 的盾构掘进机要依赖 进口。德国、法国和日本等公司的地铁盾构机基本占领了中国盾构掘进机的主 要市场。 1 3 连杆式偏心盾构简介睁1 0 1 早期的盾构通常是单轴驱动方式，其刀盘系统的示意图如图1 4 所示：驱 动轴旋转带动刀盘旋转，对地层进行切削，刀盘上任意一点的轨迹为以驱动轴 轴心为圆心以该点到驱动轴轴心的距离为半径的圆，沿刀盘中心向外，由于刀 具的切削距离逐渐增加，从而使刀具的磨损量逐渐增大，而且轴承受力大，切 削异形断面困难。 l 一 e 仁 亡 f 驱动轴 图i 4 传统刀盘 平行连杆式一也称d p l e x ( d e v e l o p i n gp a r a l l e ll i n ke x c a v a t i n gs h i e l d ) 一实际上是一种衍生平行连杆扭摆机构，它是火车驱动机构的逆向应用。偏心 距，被驱动旋转，连杆任何一点都做半径为，的圆周运动，切削出相应的圆。同 样，四个支承点形成矩形框架，框架任何一点都形成相同圆，这就是连杆机构 的基本原理。如图1 5 所示，由矩形刀盘可以切削得到矩形断面，而圆形刀盘 就可以得到圆形断面。 第l 掌序论 1 5 偏心多轴矩形刀盘和圆形刀盘 2 、连杆式偏心盾构的驱动形式简介 刀盘的驱动形式多采用液鼹驱动，主要有液压马达驱动和液压缸驱动两种 形式。 ( 1 ) 液压马达驱动刀盘： 液压马达驱动刀盘的结构麓图如图l 。钊舞示： i 6 液压马达驱动盾构 它用液压马达带动减速器，减速器驱动偏心轴转动，铁面驱动刀盘平行移 动。驱动液压马达可全轴驱动，也可部分轴驱动，具体由液压马达的功率及偏 心轴等因素确定。 这种驱动形式的优点是：输出流量稳定、偏心轴转速稳定、毒置容易、平 面结构尺寸较小，但轴向结构长，液压马达加减速箱价格昂贵，而且液压马达 寿命低，维护要求高。 ( 2 ) 液压缸驱动刀盘： 液压缸驱动刀盘的结构简图如图1 7 所示： 6 第1 章序论 图1 7 液压缸驱动刀盘 液压缸( 三缸、五缸) 与连接板连接，连接板再与偏心轴连接，液压缸按 一定顺序推动( 拉动) 固定板作平面运动，继而偏心轴旋转，最后驱动刀盘作 平面运动。驱动液压缸数量最少为三缸，依次为五缸、七缸、九缸。驱动液压 缸数量主要取决于盾构直径大小、液压缸尺寸、结构处理、转动脉动大小等因 素。盾构直径越大，驱动缸数量越多，脉动越小。驱动液压缸的布置一般采取 圆周等分均布。 这种形式较液压马达驱动的优点是：结构简单、寿命可靠、价格低廉，液 压缸替代液压马达，轴向尺寸也较短，但是当泵供应流量一定时，转速是脉动 的，故在要求转速稳定时，需要采用一些控制措施。如参数达到一定时，脉动 很小，则无需采取控制措施。 日本大丰建设株式会社于1 9 9 3 年起进行了一种新的刀盘形式的模拟试验一 偏心( d p l e x ) 土压平衡盾构，利用曲轴连杆传动原理，带动矩形刀盘切削土砂， 试验取得成功。1 9 9 5 年，日本研制成功第一台4 3 8 3 9 8 m 矩形偏心土压盾构， 切削刀盘采用液压马达控制，于习志野市2 条排水隧道工程，掘进长度8 0 9 m 。 如图1 8 所示。 第l 章序论 罔l8 习，占野布所崩偏心盾构机 日本的偏心盾构机大多足采用液压马达来控制，仅有的液压缸驱动的盾构 机还处于实验阶段。可以为我们进行自主研究提供经验。 目前国内对液压缸驱动般连杆偏心盾构的研究刚刚开始。这种新型刀盘系 统缩短了盾构驱动系统的轴向距离，减小的盾构尺寸，更降低了制造成本：相 对于液压马达驱动偏心多轴盾构，这种液压缸驰动连杆式盾构更加可靠。液止 缸驱动连朴式盾构刀盘切削系统的研究，将可以填补国内甚至是国际后构刀盘 研究的空白，为我国盾构研究增砖添瓦。 1 4 本课题的主要研究内容 本文主要针对液j 长缸驱动盾构刀盘系统进行研究，根据液压缸驱动盾构刀 盘系统设汁需要解决的难点问题，确定本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 利用土力学中有关土的抗剪强度和朗肯上压力等理论建立刀盘系统的 切削阻力矩的训算模型，为后续进行的刀盘系统的结构优化设计提供理论依据。 ( 2 ) 建立7 】盘系统的数学模型，并分析实际工况下刀盘系统的性能，为刀 盘系统的结构优化设计和刀盘切削转速控制提供理论依掘。 ( 3 ) 选以刀盘切削偏心距、液压缸长度、液压缸直径等为参数，建立刀盘 驱动的多目标优化模型，利_ | j 罚函数法进行刀盘系统的结构优化设计，得出刀 盘系统世过程一p 的重要参数，为实际的刀盘驱动结 ! 设计提供理论依据。 ( 4 ) 设计液压缸骀动盾构圳削系统的液j | 、系统及电气控制系统。 ( 5 ) 设计监视软件，进行液压缸驱动质构切削实验，采集实验数掘分析。 第1 章序论 1 5 本章小结 本章简单介绍了盾构的工作原理和盾构工法在隧道和地下工程施工方面的 优点，简述了盾构的市场需求和经济效益，综述了国内外盾构技术的发展概况， 指出液压缸驱动盾构是一种全新的盾构机型。同时介绍了本课题的来源，选题 意义，液压缸驱动盾构刀盘系统设计的主要难点问题，主要是刀盘切削阻力矩 确定、刀盘系统的重要结构参数优化及刀盘切削转速的控制等问题，最后介绍 了本论文的研究目的以及主要研究内容。 9 第2 章液压缸驱动盾构阻力矩计算 第2 章液压缸驱动盾构阻力矩计算 刀盘驱动系统是盾构的关键部件之一。现有的设计是根据经验公式来进行 刀盘驱动系统扭矩的计算，但是经验系数的取值范围较大，为了安全起见通常 取值偏大，造成误差较大，计算的扭矩远远大于施工时的实际数据，对于能源 来说是一种浪费。现运用朗肯理论研究土的切削，能够更细致的研究每一部分 的受力情况，反映驱动系统的实际所需的扭矩。而且对刀盘上各个部件的强度 等力学分析提供条件。扭矩的力学模型的建立还可以方便进行计算机的仿真研 究，使设计效率大大提高，并为盾构选型和设计提供依据。 2 1 土壤切削理论倥峨1 朗肯土压力理论是土压力计算中两个著名的古典土压力理论之一，由英国 学者朗肯于1 8 5 7 年提出。朗肯土压力理论研究自重应力作用下，半无限土体内 各点上的应力从弹性平衡状态( 侧限应力状态) 发展为极限平衡状态时挡土墙 的土压力，其研究分为两种情况，朗肯主动极限平衡状态和朗肯被动极限平衡 状态，刀盘作用下土体的破坏主要是符合朗肯被动极限平衡状态时土体的破坏 理论，本节只介绍朗肯被动极限平衡状态下的土压力的计算。 2 1 1 土体应力状态分析 假设从土体内取出一个正六面体的土块，在其两两相对的平面上作用有主 应力q 、0 - 2 、0 - 3 ，这是已知的三维空间的主应力。若0 - 。为最大主应力，吒为 最小主应力，则破坏总是在q 与所决定的平面内发生，即破坏总是首先在最 大与最小主应力所决定的平面内发生。 若土体受主应力q 和吒作用，且q 0 2 。现要知道的是任一斜面m - r l 上某 点处的法向应力和剪切应力的情况。该斜面m _ n 将土体分割成两个三角形土 块，现把下面的一块单独取出来( 如图2 1 所示) 作为脱离体来讨论。 根据= 0 ，z y = 0 的平衡条件，则有 1 0 第2 章渡莲缸驱动蓬构瓣力矩谤箕 式中口一斜面m n 与x 轴的夹角。 d 吉 q + ) + 丢( 嘎一吒) s 2 搿 f = 三1 溉一o 2 ) s i n 口2 掰 图2 。l 图2 。2 2 1 ) ( 2 2 ) 由式( 2 。2 ) 可见，任一斜面上的拶和f 之值均为捃之函数。上式所对应的图 形，是距坐标原点有一段距离的、以至1 ( q 一) 为半径的圆，即称作莫尔圆( 如 图2 2 所示) 。如欲知某一角度为口的斜面上的应力仃和f ，即可在莫尔圆上求 得。 2 1 2 土体极限平衡状态 根据莫尔库仑破坏理论认为材料受蓊载发生破坏是剪切破坏，在破坏 面上的剪切力f ，是法向应力仃的函数，即： f = f ( o - ) ( 2 3 ) 对予砂土_ f = o t a n 够 对于粘性土f = c + 拶t a n 矽 o o 嚣 篇 g 口 l s 斑 凼幽 呸吒 一 一 搿 掰磬i |泌胁 一 + 口 口 l s ，程 0 s o落出 口 盯 ，rl【 第2 耄渡蹑缸骧动盾构阻力矩计算 式中：f 土体破坏面上的剪应力，即土的剪切强度( m p a ) ； 仃作用在剪切面上的法向应力( m p a ) ； 妒的内摩擦凫( o ) ； c 土的内聚力( m p a ) 。 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 表示土体应力状态的两种不同情况。式( 2 3 ) 是根据土的剪 切试验测得的强度极限的数学模型。而式( 2 。2 ) 则是描绘土体内菜点上的应力状 态，其应力值未达到极限值。如将两式所对应的图形绘在一起的话，便如图2 。5 所示。很明显，只有当莫尔圆与直线相切时，土体的应力才达到了极限状态， 否则应力没有达到极限状态。如果人为的改变q 或的值，如傈持呸不变而降 低瓯的值，则莫尔函增大，直至与直线相切为止。这时切点掰，所代表的f 值达 到极限平衡状态。因为么吼0 m 一2 a = 9 0 0 + 缈，所以口= 4 5 0 + 矽2 ，它是滑移 面与大主应力作用面的夹角。而滑移面与大主应力作用线的夹角为：4 5 。一矽2 r j e r 哪一 o 们n o 圹。 1 一、i 图2 。3 土体极限平簿图勰图2 。4 体剪切港移面方向 可见，只要知道大小主应力q 或的作用方向和土的内摩擦角缈，即可知 道剪切滑移面的方向( 如图2 4 所示) 。通常把极限平衡状态称为朗肯状态。 与图2 5 所示的情况相反，当维持口。不变而增大正至时( 如图2 5 所 示) ，形成个新的莫尔应力隧，其土体滑移的本质没有发生任何变化。 第2 章滚篷懿魏动詹构隰秀矩诗篝 。一_ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 7 i c f 一 o、。t i q f 2 图2 。s 主的滑掺匾方离黪受化 2 。1 。3 土体极限平衡状态时大小主应力的关系 由图2 4 的几何关系，可以推导出土体单元达到破坏时的应力条件为 q ：吒锄2 ( 4 5 。+ 参+ 2 c t a n ( 4 5 。+ 萼) ( 2 4 ) 0 2 ：0 it a l l 2 ( 4 5 。一务娩，t a n ( 4 5 。一参 晓5 ) 式中，矾一土体达到剪切破坏时酶大主应力； 吒一土体达到剪切破坏时的小主应力； c 一土的粘聚力，对于无粘性土c = 0 ； 一土的内摩擦霜。 式2 碡及2 5 即为土体单元达到破坏时的主应力关系，也是土体达到极限平衡状 态的条件，故称之为土的极限平衡条件。 这里需要注意的是，实际土体单元为三向应力状态，而在分析的极限平 餐条件时只考虑了大主感力q 和小主应力吼的影响，忽略了主应力气的影响， 因此土体破坏时的实际应力组合与式2 4 及2 5 有定的差别，这也是莫尔一库 伦破坏准则的缺点，但由于土的极限平衡条件与实际的试验结果比较接近，因 此工程上在分析的破坏时仍多采雳式2 4 及2 5 所表示的的极限平德条件 在讨论完上述几个相关的土力学概念之后，下顽介绍朗肯被动土压力，朗 肯被动j 极限平衡状态如图2 6 所示： 第2 章渡篮缸骧动盾构阻力矩计算 ll _ l s 窆 p o o - = yzp p0 图2 6 粘性土朗肯被动极限平衡状态 如图2 6 示，m n 为墙与土体的接触面，不考虑墙与土体的摩擦力，初始状 态为弹性平衡状态，此时竖直鹰力莎，为大主应力，承平压力气势小主应力。姿 挑躁在外力作用下沿填土方向移动，挤压土体，吒将逐渐增大，直至剪应力增加 到土的抗剪强度时，应力图与抗剪强度包络线相切，达到被动极限平衡状态， 如匿所示，这时，作用在m ；撑面上的土蕊力达到最大值，即为朗肯被动土惩 力p 芦，体沿与吒夹焦爻4 5 。等的破坏面发生滑移破坏。体破坏蜃，即使 m t n t 继续移动，土压力也不会进一步增大。 当达到极限平衡状态时，水平压力比竖直压力大，此时，竖直应力盯，为小 主应力吒，作用在墙背的水平土压力p 一则为大主应力q 。 将q = p 。，= ，孑代入极限平衡条件式2 4 ，可得粘性土作用于挡主墙的 被动土压力强度矽。 彤节：恤2 4 5 。+ 务+ 2 e 。t a n ( 4 y + 令 = ，z k ，+ 2 c 厉 ( 2 6 ) 式中，k ，= t a n 2 ( 4 5 ”+ 要) 称为土压力系数。 由式2 6 可知，粘性土的被动土压力由两部分组成，叠加后，其压力强度p 口 沿墙高呈梯形分和如图2 7 所示： 第2 章渡压缸驱动蘑稳隰力矩嚣冀 _ _ p - - 一 鞫露乍z 静 图2 7 糙性土被动土鹾力分布照 总的被动土压力只为： 鬈= 寻2 砟+ 2 c z 污 ( 2 7 ) 0 的作用方向垂直墙背，作用点位于梯形面积的重心上。 2 。2 刃盘切削阻力矩计算1 如下图2 8 所示，刀盘前端面同心布刀，在偏心轴的驱动下刀盘旋转，刀 头切削土体，切削下来的土体通过刀盘表面的镂空结构进入刀盘后端的土压仓， 再逶过刀盘后端面上搅拌棒麓作用，翻螺旋输送机将切削下的土壤送出。 在刀盘旋转切削的过程中，刀盘受到由土体产生的切削阻力矩的作用，刀 盘上任意一点作以切削偏心距r 为半径的圆周运动。由图2 8 可以看出，刀盘 的直径绣、切粪l 偏心距广及詹构辨径d 存在如下关系： 见= d 一2 r ( 2 8 ) 刀盘的切削阻力矩由液压缸提供的驱动力矩来平衡，因此，确定刀盘的切 潮阻力矩是进行刀盘系统设计的基础。 第2 章液珏缸驱动盾构阻力矩诗舞 图2 8 刀盘切削部分示意图 液压缸驱动盾构刀盘切嗣阻力矩的计算主要有以下几种方法： ( 1 ) 按传统的单轴盾构切削阻力矩经验公式计算； ( 2 ) 按偏心多轴盾构切削阻力矩经验公式计算； ( 3 ) 按刀盘切削过程中实际所受阻力进行刀盘切削阻力矩的计算。 2 2 1 按传统的单轴盾构切削阻力矩经验公式计算 传统的单轴型盾构的切连l 阻力矩逶常按下述公式进行计算： t = 口d 3( 2 9 ) 式中，r 一切削阻力矩，k n 。m ； d 一詹构当量壹径，m ，对圆形盾构，d 为盾构外径；对非茵形盾构， 取当量直径d ：，? 丝，其中么为刀盘总切削断面面积。 v 石 g 转矩系数，可根据下表2 。l 选取。 2 2 2 按偏心多轴盾构切削阻力矩经验公式计算 偏心多轴盾构切削阻力矩常用的经验公式为： t = 口，d 2( 2 1 0 ) 式中，r 一切海l 阻力矩，k n 鹚： 1 6 第2 辜渡匿鑫驱动詹梅瓣力矩诗冀 ，一偏心距，辫； 夕一转矩系数，参见表2 1 。 表2 1 转矩系数表 土质混凝土砂砾砂、粘性土砾石弱混凝土 通常值 4 。25 64 ，o4 。82 。5 口 最火值 6 38 46 17 23 7 通常值 5 8 87 7 87 2 。l窖圭。64 7 5 ， 最大值 8 8 21 1 6 91 0 8 21 3 7 47 1 2 2 2 3 按刀盘切削过程中实际所受阻力计算 由图2 。5 可以分析得出，刀盘旋转切削邋程中，刀盘的切削阻力矩砝。主要 包括：刀具所受的切迸4 阻力互产生的切 1 4 阻力矩耐：，；刀盘前端表面与土体的 摩擦力最，产生的摩擦阻力矩m 。：；刀盘侧面所受到的阻力e 产生的切削阻力 矩m ：，；刀盘后端表面与土体的摩擦力，产生的摩擦阻力矩m ：。；搅拌棒所受 到的阻力鬈产生的切鸯l 阻力矩m ：，：偏心轴旋转时所受到的阻力戎产生的切削 阻力矩m ：。； 刀盘切削阻力矩肘的各分量计算如下： 1 刀具所受的切削阻力墨产生的切削阻力矩m ：l 刀盘上安装的刀具有两种，十字顶板刀和周边刀。由于在实际的刀盘切削 轨迹中，周边刀的的切剖面积相对手十字项扳刀来说要小的多，因此周边刃所 受的切削阻力所产生的作用于刀盘的切削阻力矩与十字顶板刀相比要小的多， 在此只分析十字顶板刀所产生的作用于刀盘的切削阻力矩，通过得到的十字顶 板刀所产生的作用于刀盘的切海阻力矩乘以适当的系数( 可取为王。1 ) 即可得 到刀具所受的切削阻力冀产生的切削阻力矩艇：；。 ( 1 ) 十字顶板刀的形状和切削轨迹 刀盘的运动为偏心运动，每把刀的运动为平动，刀具上任点的轨迹为一 以偏心半径，为半径的圆，故刀具只熊选择十字顶叛刀，从丽保证可以实现沿 第2 攀液压缸驱动蜃构阻力矩计算 圆周运动轨迹方向上的任意位置的切削。十字项板刀的形状如图2 9 所示。 图2 9 十字顶板刀形状示意图 由图2 9 可以看出，十字顶板刀刀头部分的刀片数量有4 个，因而其容易 实现沿圆周运动轨迹方向上任意位置的切翻功能。十字顶板刀主要参数有：刀 片宽度垦，相对两刀片的夹角联，刀舆宽度参数黾，刀具座直径d 等。 十字顶板刀切削轨迹示意图如图2 1 0 所示： 地面 幽2 1 0 十字项板刀切削示意图 图中参数z 为刀具距地面的深度，h 为刀具的切入深度，2 h t a n ( a 2 ) 为刀 具的切削宽度，r 为切削偏心距。在刀盘旋转过程中，刀具上往点住以偏心 半径尹为半径的圆周运动，刀具整体为平动，因此，随着刀盘的旋转，参与切 削的刀片及刀片的切削方向时刻变化，而刀具的切削轨迹则近似为一以 r + 矗t a n ( a 2 ) 为外径以r h t a n ( a 2 ) 为内径的圆环。当刀具的切入深度h 满足 1 8 第2 章液压缸骥锈蓬捣隧力矩诗冀 h 恐t a n ( o r 2 ) ( 通常情况下盾构工作时盾构工作时刀具的切入深度会满足此 条件) 时，刀具的切削轨迹变为一以，+ 为外径以，一为内径的圆环。 十字顶板刀切削阻力与刀具的切入深度h 有直接关系，切入深度五宣接决定 了切澍轨迹圆环的面积，从面影响乃爨的切潮阻力，故首先需要确定刃具的切 入深度h 。设盾构的推进速度为，刀盘的旋转速度为心，则三者之间的关系为： ：一v (21h1 1 ) = 一 ( 2 ) 嘞 设y 和蚀都为定值，则切入深度h 也为定值，此时刀具上任一点的运动轨 迹如图2 1 1 所示： 撰进方糍 銎2 。ll 刀具上任熹静运动鞔述示惹匿 由图2 1 2 可以看出，随着刀盘旋转和盾构推进，刀具上任一点的运动轨迹 为沿盾构推进方向延伸的等距螺旋线。 ( 2 ) 刀具的切削阻力互产生的作焉于刃盘的切 l l 瞪力矩掰“ 十字项板刀切肖土体时，豳子刀具有4 个刀片且刀具的运动形式为平动， 随着刀盘的旋转，不同时刻作用于土体的刀片及刀片的切削方向都是变化的， 因此刀具的阻力分析比较复杂，实际计算时需要做一定的简化。 首先，由图2 。1 0 可以看出，虽然不同时刻作用于体的刀片及刀片的切削 方向是变化的，但刀片的切削丽积基本是相同的，因此可以认为在不同位置时 刀具的切削阻力楚相同的。此时，可以将刀具简化为垂壹平板刀具进行分析。 其次，如图2 1 2 所添，由予每一把刀具均敛以偏心蹬r 力半径的圆周运动， 1 9 第2 章液压救驱动盾梅魁力矩诗葬 因此，所有刀具所受的阻力e 产生的切削阻力矩蟛实质上为刀盘运动平面内的 籀 培 r 妒 ? k k k 一 每 篁夕辩盎孛心的运动辘邃 圈2 1 2 刀具懿切削阻力产生的切粪阻力矩示意图 力偶，满足线性叠加原理，此时，刀具的切削阻力所产生的总的切削阻力矩可 以等效为其合力f 对刀盘偏心运动中心07 的力矩，此阻力矩由驱动液压缸作用 于偏心轴的驱动力矩克服。 再次，由于部分刀具的切削轨迹相重合，因此，在任一时刻并不是所有的 刀具都参与切削，设刀具总数为幽，则实际作用的刀具数可以近似为允幽，这 罩称成为刀具数修正系数，根据刀具的切削轨迹可取为成= o 5 o 。6 5 。 刀具作用下土体的破坏符合朗肯被动土压力理论，此时，土压平衡压力为 一常值y z ，相当于小主应力，朗肯被动土压力如式2 7 所示。单把刀具的切 削阻力互主要包括以下几个部分： 1 ) 朗肯被动压力弓| 起的切向阻力互。，和轴向阻力，口 2 ) 4 5 。+ 要滑移西上的摩擦力薯，零| 起懿切蠢阻力曩：，和轴向阻力簟：。 3 ) 土体沿刀片方囱运动的摩擦力置，弓| 起的切向阻力互，和轴向隧力互：。 4 ) 切 i i 刀侧面剪断土体时的阻力只引起的切向阻力鼻。，和轴向阻力互。 下面详细分析单把刀具的切削阻力f 的计算方法。 1 ) 朗肯被动土压力引起的切向阻力e 和轴向阻力墨。 第2 章液蘧缸驱动j 霆构隧力矩诗舅 由朗肯被动土压力引起的切削阻力如图2 。王3 所示，在刀具简化为垂直板 后，刀具与土的接触面是一分别以2 h t a n ( a 2 ) 和刀具切入深度h 为底和高的三 角形面，以下的分析中刀其的示意图为刀具沿与切削方向垂直面上的投影面( 参 考图2 i o ) ，后面的分析中对此不再说明。 - 峰例肖u j 刈i ji _ 一，7 、- l 1 j _ ， 图2 1 3 明肯被动土压力引起的切削阻力不意图 由图2 1 3 可以得出巧。，和鼻，。分别为： f l | r = p ，j i l 2 t a n 薹= 五2 t 锄詈酊z 砗+ 2 c 同 曩l 。= 0 式中，岛一朗肯被动土压力，p a ； h 一刀具切入深度，聊； 虏一刀具相对两刀片的夹角； y 一的容羹，n m 3 ； c 一土的粘聚力，翰； 巧一土压力系数，k p = t a l l 2 ( 4 5 。+ 要) ，妒一土的内摩擦角； 2 ) 4 5 。+ 至2 滑移面上的摩擦力丘，引起的切向阻力鼻2 ，和轴向阻力：。 2 1 第2 耄渡莲缸驱动盾橡阻力矩诗葵 图2 。1 44 5 。+ 篓潸移面上受力情凝示意圈 1 4 5 。+ 熏2 滑移面上的受力情况如图2 1 4 所示，刀具切削下的土体沿与轴向 ( 即推进行方向) 呈4 5 4 十要角的滑移面移动，整个土体在土压平衡压力p = y z 和刀其推力的作用下，它们的合力蛾垂直作用在倾斜的滑移面上，该滑移面给 体的运动摩擦阻力为露，其作用方向沿瀵移面指向刀面，它的切向分力为作 用于切削刀具的摩擦阻力互：，沿法向的分力即为刀具所受的轴向阻力只：。 幽图2 1 4 可得出鼻：，和暑：。分别为 3 ，z h 2 t a n a l 印谢 3 y - z 舞2 鼬曼 铲刚州。丽悃庐 f 1 2 r - - - p i fs i n ( 4 5 + 善) = 3 尹：旗2 - t a n 罢+ l a 珏 f 1 2 a = a n e 。s f 4 5 + 芝) 一3 芦三磊：t a n 兰t 张爹，t 雒4 5 、+ 善) 3 ) 土体沿刀片方向运动的摩擦力昱，引起的切向阻力鼻，和轴向阻力互，。 第2 章液垂錾骤溯藉搀隗力矩诗雾 引起的切向阻力互，与4 5 。+ 姜滑移面上的摩擦力彤芍l 起的切向阻力互：，之和， 此时由滑动摩擦力忍，弓l 起酶切向阻力篡：，和轴向阻力互，尊分别为： 啼薅期痔彝 譬f 1 f 刍t 皂a 嗣 i 图2 1 5 黯_ 7 蓐、 万嚣廷动霹毫体辨受薄摄力餐惹图 b ，= 。( 鼻k + 巧2 ，) 砂( t a n _ 口2 ，( y 咖k + 2 c 何) + 3 烨。j i l 2 t a n 旦2 t a n ) 巧3 ，= 0 f 1 3 a = 最节t a n 詈b z k p 他同嘶口肛t a n 詈咖) 式中，为土与钢的摩擦系数，可按表2 2 值选取： 表2 。2 土与钢憨摩擦系数取德表 土的种炎砾石砂石豫粘粉砂猫土 鬻擦系数弘 o 。s0 4 50 。3 69 。3 00 2 0 4 ) 切削刀侧面剪断土体时的阻力r o 引起的切向阻力兵。，和轴向阻力曩。 刀片侧面剪断土体示意图如图2 1 6 所示： 一 l 。 一 一i l j k _ _ 一 上 上 _ ， 圈2 1 6 刀片侧面剪断十体示意图 刀片侧面剪切土的瑟积可以近似看成以磊为底、以h s ( a 2 ) 为高的三角 第2 章渡压旺驱动詹构阻力矩计算 形，如图2 1 7