三油缸驱动盾构设计说明书

1、- - 液压缸驱动连杆式刀盘掘进机构设计计算刀盘及其驱动形式是顶管机和盾构的重要部件之一，相对于同心圆切削刀盘，平行连杆多圆切削形式更具有优越性和经济性，是新的发展方向。本设计针对1860的顶管机而编写， 但它的原理和设计准则也适用于任何直径的顶管机和盾构。1 设计主参数：顶管外径：mmd1860；刀盘驱动形式： 1、带连接板液压缸驱动（三缸、五缸） ；2、无连接板液压缸驱动（三缸、五缸） ；刀盘支撑形式：四轴支承；刀盘驱动偏心距：mmr130。2 总体简介：2.1 刀盘简介：传统刀盘形式（如图 1 所示）是在圆周上同心圆布刀，刀盘旋转，每把刀切削一个同心圆。这种切削机构形式的不足是： 随着刀

2、盘直径增大， 轴承受力剧增，另外，刀盘磨损不均，驱动能量大，切削异形断面困难。- - 平行连杆式也称dplex（developing parallel link excavating shield）实际上是一种衍生平行连杆扭摆机构，它是火车驱动机构 （如图 2 所示）的逆向应用。偏心 r 被驱动旋转，连杆任何一点都做半径为r 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。框架形状决定它切削出的断面，所以，它可以切削出任意断面，结构如图3及图 4 所示。- - 从上分析，平面连杆切削机构（刀盘）较传统单轴圆形切削机构（刀盘）有以下

3、几大优点：(1)、通过变化切削刀盘形状，可以切削出多种断面形状的隧道；(2)、每把切削刀半径均相同，且切削半径小，因而刀具的磨损相同，且磨耗量小，延长刀具寿命，保证盾构长距离切掘进；(3)、轴承希望以多轴承代替单轴承，这样轴承受力小；(4)、驱动机构紧凑，便于降低盾构重量，减少盾构操作时间，取得较好的经济效益；(5)、切削输出功率小，可降低电力设备消耗，节约能源。2.2 刀盘驱动形式简介：2.2.1 支承形式：所有偏心轴都支承在盾构的隔板上，切削刀盘支承在偏心轴上， 其与外壳是相对固定的， 偏心轴的数量与支承数量相同。从稳定的角度出发， 支承数量最少为三支承，支承数受刀盘切削断面面积的影响，三

4、支承多用于小断面切削机构，通常情况下以四支承为最适宜，五支承、 六支承均可使用， 但多支承工艺比较复杂。2.2.2 驱动形式：刀盘的驱动形式多采用液压驱动，主要有以下三种：液压马达驱动；带连接板液压缸驱动（三缸、五缸、七缸、九缸）；不带连接板液压缸驱动（三缸、五缸、七缸、九缸）。(1） 、液压马达驱动刀盘（图5） ：- - 液压马达驱动刀盘的结构简图如下图5 所示：它用液压马达带动减速器， 减速器驱动偏心轴转动， 从而驱动刀盘平行移动。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、布置容易、平面结构尺寸较

5、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） 、带连接板液压缸驱动刀盘：带连接板液压缸驱动刀盘的结构简图如下图6 所示：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

6、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。（3)、无连接板液压缸驱动刀盘无连接板液压缸驱动刀盘的结构形式如图7 所示：它的结构特点是去掉连接板， 液压缸直接驱动偏心轴旋转。当然，液压缸按一定顺序驱动偏心轴旋转，达到刀盘平动。这种结构的优点是：去掉连接板，结构简单，轴向长度更短，这对于驱动轴轴承的选取更有利。当然，当驱动系统供应恒流量时转速脉动同样存在， 这可通过采取控制措施解决， 当驱动液压缸数达- - 到一定数目时，脉动可很小，无需特殊控制措施。2.3 有关尺寸确定原则：2.3.1

7、刀盘偏心距 r 与盾构外径之间的关系盾构刀盘的运动简图如下图8 所示：对圆形盾构，刀盘外径0d 为：rdd20矩形盾构，刀盘宽度0b ，长度0l ：rbb20rll20式中：d圆形盾构外径；r 偏心距；b矩形盾构宽度；l矩形盾构长度。2.3.2 偏心距r（切削半径）的确定原则：切削偏心距 r 受多种因素制约，偏心距的选取是在对土质、切削能力、切削土的通过能力、 刀头的配置、 驱动扭矩以及搅拌能力等各种因素作反复研究后才- - 能决定的。加大切削半径是， 在偏心载荷作用下驱动轴受到的弯矩在增大，对构件强度产生不利；相反将切削半径减小时，偏心量小对构件强度有利。此外，对于刀头配置和掘进轨迹的关系上

8、， 旋转半径越是小， 每把刀头的间隔范围也越小，为此有必要增加刀头数和加密配置间隔， 而过密的间隔会造成刀头间的泥土流动性不畅，容易发生土体固结。 相反切削半径过大时， 切削刀盘构架内部土砂通过性能变得恶劣。一般要选取多种 r ，作刀具切削轨迹制定，切削率应达到97以上。根据目前统计资料，一般可参照下面图9 选择偏心距 r 。当盾构直径较大时，偏心距不宜取过大值，因过大的偏心距切削时会对土体稳定产生影响。图 9- 偏心距选择参考图2.3.3 刀具：对于单轴型盾构， 切削刀头围绕支承轴心做同心圆运动，故主刀具一般采取两边都有刀刃的t型刀头，而对于偏心多轴式这种连杆式盾构，由于刀具是呈全方位切削，

9、所以刀头形状必须做成上下、左右方向都可进行切削。为此，在刀盘上作为主刀头是安装了可作全方位切削的十字刀头，而辅助性刀头则是采用顶板刀头，此外，在某些特殊部位可安装一些其它形式的刀头。- - 2.3.4 刀盘的结构形式：偏心多轴刀盘的结构形式一般常采用辐条型或面板型两种类型（如下图10 所示） ，其具体选用需考虑切削刀的形状和数量、以及已切削土体的通过能力、刀盘的强度、 及刀盘的切削率等因素来综合考虑选用。综合考虑， 本例选用辐条型刀盘。本计算中所采用的刀盘的结构及其切削轨迹如下图11 所示：图 11 刀盘的结构形式及切削轨迹图其切削轨迹如上图11 所示：盾构的外壳所包络的面积为2717163.

10、52mm，- - 每一把刀的切削轨迹的包络线为一个圆环，未切削面积为219276.12mm，切削率为 91.93% 。2.4 切削阻力计算平行连杆切削机构， 切削阻力矩较常规单轴式要小，切削阻力矩t可按如下三种方式计算，再综合考虑确定。(1)、计算方法 a：3dt（mkn）式中：t切削阻力矩（mkn） ；d盾构当量直径（ m） 。对圆形盾构，d为盾构外径；对非圆形盾构，取当量直径ad4，其中：a刀盘总切削断面面积。转矩系数，可根据下表1 选取。表 1 转矩系数表土质混凝土砂砾砂、粘性土砾石弱混凝土mx6.3 8.4 6.1 7.2 3.7 h4.2 5.6 4.0 4.8 2.5 mx88.2

11、 116.9 108.2 137.4 71.2 h58.8 77.8 72.1 91.6 47.5 (2)、计算方法 b：2drt（mkn）式中：t切削阻力矩（mkn） ；- - r 偏心距（ m） ；转矩系数（参见上表） 。(3)、计算方法 c：20dt（mkn）式中：t切削阻力矩（mkn） ；r 偏心距（ m） ；0转矩系数，一般取5070。一般情况下， 根据以上三种情况计算出的切削阻力矩是不相同的，具体采用何种计算方法需要由施工实际情况确定。3 具体设计计算虽然下面分析是针对1860顶管设计， 但它的设计原则及力学分析具有普遍意义，液压马达驱动不在我们的工作范围。下面所分析的模型是建立在

12、所设计的结构的基础上，具体结构可参考相关的设计图纸。3.1 带连接板液压缸驱动刀盘设计计算3.1.1 三驱动缸、四支承轴时的设计计算 切削刀盘的阻力矩普通盾构的切削刀盘装备扭矩主要有两种计算方法：设计扭矩计算法和惯用- - 公式计算法，这里我们采用惯用算法，其也有两种计算方法。第一种：3dt式中t装备扭矩（mkn?）; d盾构直径（m） ； 扭矩系数。第二种：2drtt装备扭矩 （mkn）; 偏心多轴扭矩系数r 偏心半径（m）d盾构直径（m） ；扭矩系数虽因盾构直径、土质、偏心半径等而异，对土压平衡盾构，其值一般为：约为 4.08.4 约为 5070 按3dt其中参阅资料选用砂粘

13、性土土质条件下，取6.1 38.11.6t=39.3kn 取=70 按 取2drt偏心 矩r 的 取 法 在 本 文 第 二 部 分部 分， 取 r 0.13mm 。- - 28.113.070t=31.5kn 根据日本技术资料，取 6.1 时对应的=108.2, 土质为砂粘性土。28.115.02.108t=48.7kn 实际计算时取两种情况进行，即分别取t=40kn和 t=48.7kn两种情况进行计算。本计算说明书取t=40kn这种情况进行， t=48.7kn与此相似，本计算说明书不再列出。 在实际的刀盘切削阻力矩的选取过程中，还要考虑要施工路段的土质情况，根据各种情况综合确定切削机构的装

14、备扭矩。 液压缸的尺寸的确定：确定的液压缸尺寸示意图如下图12 所示：图 12 三缸驱动液压缸外形结构尺寸示意图本例选取液压缸类型为耳轴联接型，三个液压缸的形状和连接均相同。根 据 切 削 扭 矩mkn40， 计 算 所 选 择 的 液 压 缸 的 尺 寸 为 ：mmd110,mmd70，最大工作压力选取mpaps56.26行程： 260 16mm 。液压缸在额定工作压力下小腔和大腔推力比（面积比）为1：1.6，20095.0mad；knapfdsd32.2520095. 0101.266- - 200565.0mad；knapfdsd1 .15000565.0101 .266液

15、压缸在额定工作压力下小腔和大腔分别作用时产生的极值推力分别为：knfd32.252和knfd1 .150. 图 1 所示为液压缸处于最短状态时液压缸图，mml528min，虚线圆为液压缸活塞端部运行轨迹，是一个半径为mm130的圆。 液压缸布置图 13 三缸驱动液压缸布置图三个液压缸的布置采用沿圆周方向均布，如图13 所示，液压缸 1 处于垂直的正上方，缸 2 缸 3 分别在下方的左右两侧，夹角为120。每个液压缸端部耳环的运行轨迹为半径130mm的圆。 液压缸的运动学和力学分析模型液压缸运动的力学分析模型图如下图14 所示：- - 图 14 三缸驱动液压缸受力分析

16、示意图（注：图示中0l为图 12 所示的maxl，r为偏心运动的偏心距。 ）三个液压缸在1800的范围内均布，三处液压缸的位置相互差120，1、2、3为三个液压缸的轴线位置与分布轴线位置的夹角，0l 为液压缸的耳环旋转位置与油、缸活塞端部耳环的偏心圆之间的距离，取三个液压缸的0l 为相同的， r 为偏心旋转半径。下述公式推导取初始位置为液压缸端部耳环中心位于最上端时的位置，刀盘逆时针旋转。 可以针对每一个液压缸建立其数学模型（包括液压缸轴心线的偏转角、活塞伸缩长度、液压缸活的运动速度、液压缸产生的切向力、液- - 压缸产生的法向力）。.1液压缸偏转角与联接板偏心旋转角度x 的关系

17、)cos(2cosarccos022001xrlrlxrl)30sin(230sinarccos022002xrlrlxrl )30sin(230sinarccos022003xrlrlxrl.2活塞伸长量与转角x 的关系)cos(202201xlrrll )120cos(202202xlrrll )120cos(202203xlrrll .3活塞运动速度与 x 关系对液压缸活塞伸长量进行求导，可得活塞运动速度与时间t 的关系式)cos(2)sin(v022001xrlrlxrl)30sin(2)30(cosv022002xrlrlxrl)30sin(2)30cos

18、(v022003xrlrlxrlsradn/602，式中为刀盘作偏心运动的角速度。.4 切向分力公式将三个液压缸产生的力（小腔力df ，大腔力df ）分别往切向方向做投影，可求- - 出切向分力t。切向分力t通过偏心半径形成力矩，用来克服刀盘切削的阻力矩。其中df为拉力，df为推力，两者各形成180的切向分力。如下所示：360180)sin(1800sin1d1d1xxfxxft24060)30cos(360240,60030cos222xxfxxftdd300120)30cos(360300,120030cos333xxfxxftdd切向力的合力321tttt。要使切向力比较平

19、均，由于液压系统的压力由外负荷决定， 当刀盘的阻力矩一定时， 切向力的合力也为定值， 即等于刀盘的阻力矩除以偏心半径， 故系统只存在压力波动。 若切向力的合力越平均， 则压力的波动越小。.5 法向分力公式将三个液压缸的力分别往法向方向做投影，可求出法向分力n。法向分力是计算轴的强度和轴承强度的依据。如下所示（正数为指向圆心， 负数为背离圆心） ：360180)cos(1800cos1d1d1xxfxxfn24060)30sin(360240,60030sin222xxfxxfndd300120)30sin(360300,120030sin333xxfxxfndd 工

20、作压力为额定工作压力时，切向力t的变化曲线图如下图 15 所示，单个液压缸的切向力变化曲线趋势完全相同，但其在相位上差别一定的角度。图示的曲线是在假定系统的工作压力固定在额定压力- - mpaps5.26, 数据计算所选择的液压缸为295cmad,25 .56 cmad， 大小腔面积比为： 1.68:1 ，knapfdsd32.252,knapfdsd1 .150单个液压缸的曲线变化比较剧烈，但三个液压缸切向力合成以后，由其提供的切向力的合力变化趋势比较平缓。knt87.411maxknt68.307min切向力的脉动：%3 .2587.41168.30787.411maxminmaxttt0

21、306090120150180210240270300330360050100150200250300350400450t1+t2+t3t3t2t1切向力：单位（kn)偏心运动偏转角图 15 三缸驱动切向力图 切削阻力矩为定值时，压力的变化曲线上图 15 所示的切向力曲线为当压力稳定在额定工作压力26.5mpa时三个液压缸单独产生的切向分力及其切向分力的合力。而实际的工作情况是：三个工作液压缸输出的切向力的合力为定值，即工作情况假定为切削的阻力矩设定为定值，在此情况下，液压系统的工作压力则会波动，而液压缸输出- - 的切向分力的合力则为定值。即三个工作液压缸输出的切向力的合力稳定

22、在上述曲线的最小值处。即满足：kntttt68.307min321由前面的切向力公式，将压强p和大小腔面积da 、da 带入，360180)sin(1800sin111xxapxxaptdd24060)30cos(360240,60030cos222xxapxxaptdd300120)30cos(360300,120030cos333xxapxxaptdd则要求的压力波动公式为：3321min1068.307tp（单位：mpa）式中：p切削液压系统的工作压力三个工作液压缸合成的切向力系数，随 x 角度不同时会有不同的组合3211、2、3各个工作液压缸的切向力系数360180)sin(1800s

23、in111xxaxxadd24060)30cos(360240,60030cos222xxaxxadd300120)30cos(360300,120030cos333xxaxxadd则可以得出切削液压系统的工作压力的波动如下图16 所示：- - 03060901201501802102402703003303600510152025实 际压 力压力(单位：mpa)偏心运动 偏转角图 16 三缸驱动压力脉动图mpap5.26maxmpap8.19min则运动过程中，切削液压系统的压力脉动为：3 .255.268.195.26maxminmaxppp%。 工作压力为额定工作压力时，法

24、向力的变化曲线图工作压力为额定工作压力时，法向力的变化曲线图如下图17 所示：图示的曲线是在假定系统的工作压力固定在额定压力mpa5.26, 数据计算所选 择 的 液 压 缸 为295cmad,25.56 cmad， 大 小 腔 面 积 比 为 ： 1.68:1 ，knapfdsd3 .252，knapfdsd1.150。由上述图形可以看出，法向力的取值有正值和负值之分， 正值表示法向力的方向指向圆心，负值表示法向力的方向背离圆心，法向力的合力等于三个液压缸法向力的和。由图上可以看出，其法向力的变化比较剧烈， 且方向频繁改变。 指向圆心和背离圆心的最大法向力- - 分别为：knn4 .407m

25、axknn16.412min0306090120150180210240270300330360-300-250-200-150-100-50050100150200250300法向力n2法向力n3法向力n1各油缸法向力（单位：kn）偏心运动偏转角0306090120150180210240270300330360-300-200-1000100200300法向力合力 n n1 n2 n3法向力合力（单位：kn）偏心运动偏转角图 17 三缸驱动法向力变化曲线图 切削阻力矩为定值时，法向力的变化曲线图上图 17 所示的法向力曲线为当压力稳定在额定工作压力25mpa 时三个液- -

26、压缸单独产生的法向分力及其法向分力的合力。而实际的工作情况是： 切削阻力矩为定值，则三个工作液压缸输出的切向力的合力为定值，即切向力的合力稳定在切向力曲线的最小值处， 在此情况下， 液压系统的工作压力则会波动，从而法向力的变化曲线则与上述曲线不同。nnnn321法向力的公式简化为：nps式中：sp 液压系统额定工作压力三个工作液压缸合成的法向力系数（注：其可由上述推导的法向力公式得出，随偏心运动的偏转角变化而变化，其不为定值。 如对于)60,0(x时，由公式：nnnn321可心推导求出的表达式如下所示：)30sin()30cos()cos(321xaxaxaddd（)60, 0(x）其中：13

27、如前述公式推导所示。其它区间的表达式此处不再详细推导。 ）n三个工作液压缸合成法向力则实际工作时的法向力公式简化为：pn?（单位： kn ）式中：p切削液压系统的实际工作压力（注：此处的p为切削阻力矩为定值即切向力的合力为定值时切削液压系统的工作压力。）则可以得出三缸驱动实际的法向力图如下图18 所示：- - 0306090120150180210240270300330360-250-200-150-100-50050100150200250n3n2n1实际法向力(单位：kn）偏心运动偏转角0306090120150180210240270300330360-200-180-160-140-

28、120-100-80-60-40-20020406080100120140160180200实际法向力合力（单位：kn）偏心运动偏转角图 18 三缸驱动实际的法向力曲线图 偏心运动的角速度 w为定值时液压缸流量变化曲线下述曲线 19 是在偏心运动的角速度w为定值时，计算出的各个液压缸的流量变化曲线和三个液压缸流量的合成曲线。流量的计算根据前面推导的- - 速度与转角 x 的关系，乘以相应的大小腔面积即可。从图中可看出单个液压缸的流量变化比较大，合成流量的变化比较小。合成流量的极值为：min/9 .58maxlqmin/4.43minlqmin/7 .54 lq流量脉动 : 3.2

29、69.584.439 .58minminmaxqqq03060901201501802102402703003303600510152025303540455055606570q=q1+q2+q3q2q3q1流量（单位l/min)偏转 运动偏转角图 19 三缸驱动恒转速时的流量变化曲线图0当三个工作合成流量为定值时，偏心运动的角速度w的变化曲线上述的曲线是假设偏运动的角速度w为定值时而得到的流量曲线， 而实际工作过程中，有可能是切削液压系统的流量为定值，而此时的偏心运动的角速度w则会发生波动。上述的流量公式为：- - axrlrlxrlaxrlrlxrlaxrlrlxrlq)30

30、sin(2)30cos()30sin(2)30cos()cos(2)sin(022000220002200式中 a结 合液 压缸 工 作 关系 图， 不 同 时刻 取不 同 值， 大腔 面 积20095.0mad,小腔面积200565.0mad简化如下：q式中：假定的恒定的偏心运动的角速度(sradn/602) n转速（取min/4rn) 三缸作用的流量系数（axrlrlxrlaxrlrlxrlaxrlrlxrl)30sin(2)30cos()30sin(2)30cos()cos(2)sin(022000220002200，其中面积a随偏转角 x的不同而变化。）q切削液压系统的流量则当qq（注

31、：此处 q取为图 17 所示的321qqq的流量曲线的均值）为恒流量时，偏心运动的实际角速度可表示为：qw?由图 19 所得的恒流量min/5.45 lq,可以得到偏心运动角速度随偏心运动的偏转角的变化曲线如下图20 所示：- - 03060901201501802102402703003303600.00.81.0转速（单位：r/min）偏心运动偏转角图 20 三缸驱动恒流量时的角速度脉动图角速度的极值为：sradw53.0?max，sradw39.0?minsradw4.4?转速脉动为：4.2653. 039.053. 0?minminmaxwww上述曲线之所以以偏心运动偏转角为横座标，是因为偏心运动角速度变化时，要确定其与时间t 的变化关系需要由下述方程决定：)30sin(2)30cos()cos(2)sin(0220002200trlrltrlatrlrltrlaqtrlrltrla)30sin(2)