顶管掘进机刀盘课程设计

1、顶管掘进机刀盘课程设计 目录 绪 论1 1顶管掘进机刀盘设计2 1.1刀盘结构类型2 1.2 刀盘结构的比较5 1.3顶管机刀盘的方案选择6 2 传动布局的的设计9 2.1主传动部分的的选择方案设计9 2.2顶管机纠偏设计10 3 D1800顶管机设计的设计计算12 3.1主传动部分设计计算12 3.2减速器的确定12 3.3液压纠偏油缸的选择及计算14 3.4 泥水系统双联阀的设计要求和选择15 4零件的校核16 4.1 轴的校核16 4.2 按疲劳强度计算轴的安全系数16 5 D1800控制部分设计18 5.1控制原理示意图18 5.2 电动机控制电路设计18 5.3液压纠偏系统设计21

2、5.3.1液压控制原理图21 5.3.2纠偏油缸控制原理说明21 5.4机内旁通油缸的设计23 5.4.1 旁通油缸液压原理图23 5.4.2旁通液压缸的电路23 6 结论24 参考文献24 绪 论 顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法,它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力,把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时,也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间,以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。 目前,在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论: 气压平

3、衡、泥水平衡和土压平衡理论。 顶管机的发展是伴随着盾构技术的发展而发展,它的形式先从手掘式、挤压式发展到半机械式。由于城市建设的发展,对顶管施工周围的环境保护提出了较高的要求,使顶管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压平衡式先进机型发展 我国在1984年与1985年,从日本引进了4330mm小刀盘土压平衡盾构和800mm泥水平衡遥控顶管机,应用于上海芙蓉江路雨水排水总管工程和柳州路排水管工程。在取得了施工速度快、地面沉降控制好、周围环境影响小的良好效果后,开始对土压平衡与泥水平衡两种国际上先进的地下顶管掘进机进行了研制与应用。土压平衡式顶管机的研制工作开始于80年代中期,从简易式小刀盘

4、土压平衡顶管机研制应用起步到现在,巳经历了全断面切削的大刀盘液压驱动与电机驱动土压平衡顶管机、矩形断面土压平衡顶管机三个发展阶段,顶管机的设计与制造技术日趋完善。目前,我国土压平衡顶管机巳成系列,并得到了广泛的应用 1顶管掘进机刀盘设计 1.1刀盘结构类型 盾构刀盘由钢结构件焊接而成,目前其主流型式有2种:面板式和辐条式。另外,还有介于2者之间的辐板式刀盘(由辐条和幅板组成)面板式刀盘(图1、图2)一般为焊接箱形结构,其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。切刀布置在面板上开口的两侧,滚刀布置面板是刀座。刀盘开口率较小,在30%左右,属闭胸式。目前,中国使用的盾构大部分为面板

5、式刀盘结构,如上海地铁施工用的是法国FCB盾构,北京、广州、深圳及南京等地用的是海瑞克盾构。 图1广地铁面板式刀盘 图2南京地铁面板式刀盘 辐条式刀盘(图3、图4)主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧,一般较难布置滚刀。刀盘开口率很大,约在60%95%之间,属开敞式。以往,辐条式刀盘应用较少。最近,在日本地铁工程中辐条式刀盘应用开始增多。中国盾构工法也开始应用辐条式刀盘. 辐板式刀盘(图5、图6)兼有面板式和辐条式刀盘的特点,由较宽的辐条和小块幅板组成,切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部,开口率约在35%50%之间。 1.2 刀盘结构的比较 应用时采用哪种刀盘型式

6、,应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水平衡盾构刀盘一般采用面板式或幅板式,而土压平衡盾构刀盘根据土质条件可采用面板式、辐条式及幅板式。不同的刀盘型式在土舱构造、开挖面稳定、土压保持、砂土的流进性、刀盘负荷和扭矩及检查换刀等方面存在较大的差异。典型面板式和辐条特性比较如下图。 1.3顶管机刀盘的方案选择: 方案一:采用多刀盘组合式刀盘 圆盘上分布多个旋转刀,同时切削泥土或者瓦砾,进而实现掘进功能,各个旋转刀头工作互不影响,共同工作。 该方式的刀盘特点是应用于工程直径比较大的工作环境,而且土质比较坚硬,此种方式运用在D1800系统顶管机上完全满足要求,但是驱动力要求大,而且成本比较高,造价昂贵

7、。诸多原因所以未采用此种方式的刀盘机构。 方案二:采用多刀盘液压平动式刀盘 刀盘形式多样,矩形、椭圆型、圆形.刀盘身后由多个液压马达或者电动机带动,相互配合,动作顺序严格控制,而且每个刀块上都能实现同时旋转,大大提高了工作的效率,同时要求旋转刀块旋转顺序。 此种形式的刀盘,多用于大型的管道开挖,而我们的设计要求规定完成1800mm,“大材小用”而且,此方案的控制部分比较复杂,实际生产中不容易实现,所以未选择此种形式的刀盘 方案三:采用面板式多刀块刀盘 此种形式的刀盘,多用于中型管道的挖掘之中,泥土环境下工作,掘进效果良好。 根据我的产品要求管道直径1800mm,使用在粘土的环境中,而且掘进过程

8、中能保持直线掘进,而且相比前几种刀盘形式,此种刀盘结构,简单,而且比较经济,使用范围广泛,深受国内外专业工程队的认可。 方案确定: 本次设计的刀盘结构确定采用面板式多刀块切削结构。 2 传动布局的的设计 顶管机的传动部分是由电动机连接加速器达到要求转速,进而实现刀盘旋转。 2.1主传动部分的的选择方案设计 方案一:根据盾构机的驱动方式选择的多个电机带动刀盘形式 由多个电机带动齿轮组成行星齿轮传动,此种传动平稳,各个大型盾构工程中普遍采用,例如:上海长江海底隧道工程。 方案二:单个电机带动刀盘 单个满足要求的电动机带动减速器,带动刀盘转动 两种方案比较发现,刀盘输出同样大小功率的情况下,一个电机

9、带动机构更为简单,布局明朗,而且节省了空间给其他装备的摆放。所以选择单个电动机带动刀盘的传动形式。 2.2顶管机纠偏设计 液压缸位置的设计思路 本设计的纠偏系统使用8个液压缸,所以基本有2种位置摆放的选择,分别如下图; 比较两种方案发觉但方案2的纠偏过程更为直观,便于操作更为合理,故选择方案2为液压缸的摆放位。 3 D1800顶管机设计的设计计算 3.1主传动部分设计计算 设计要求如下: 1.转速 2.2rpm 2最大扭矩160kNm 3.电机功率37kW 确定电动机输出转速 要求:刀盘转速:v12.2rpm 减速机减速比:i459 所以电动机转速 Vv1 x I 2.2 x 459 1009

10、.8rpm 进而,选择6级电机,再根据电动机功率是 37kw 选取电动机的型号为:Y250M-6 Y系列封闭式三相异步电动机 且根据提供条件,选择空心花键输出。 3.2减速器的确定, 设计要求:最大扭矩:160kNm 减速器选 上海迈尔达P系列(德国弗兰德)行星减速器 根据设计要求选择减速机输出轴为渐开线花键实心轴输出, 选择型号P3SC16-459-Y6-37-B5,最大扭矩160kNm, 减速比459, 输出转速2.2 rpm P 表示p系列行星齿轮减速器。 3 表示行星齿轮传动技术为3级。 S 表示斜齿轮级。 C 表示渐开线花键实心轴。 16表示机座号为16。 459 表示公称减速比。

11、Y6表示安装方位。 37表示附 代号。 具体型号参看下表 3.3液压纠偏油缸的选择及计算 设计要求: 1.系统压力31.5Mpa 2.最大推力420kN 3.最大拉力200kN 4.最大行程50mm 5.油缸数量8个 无杆腔的面积计算 无杆腔半径计算 活塞的直径 D1 2R 2 x 65.2 130.4mm 有杆腔的面积计算: 环形面积: S A1 经过计算为了满足要求活塞面积要大于133.3。环形面积要大于 选择CD/CG350系列液压缸 工作压力:35Mpa 最大推力:538.7KN 最大拉力:263.9KN 活塞直径:140mm 活塞杆直径:100mm 活塞面积:153.94cm2 环形

12、面积:75.40cm2 (备注:由沈阳海格液压控制工程有限公司定制) 3.4 泥水系统双联阀的设计要求和选择 轻型拉杆液压缸1个 缸径40mm、活塞杆25mm、行程250mm、工作压力10MPa 根据要求,保证工作压力稳定需要有个溢流阀来保证压力。 4零件的校核 4.1 轴的校核 刀盘传动轴的校核,刀盘传动轴的材料为45钢,所以可知 值为30-40 值为118-107 刀盘传动轴的最短处直径为50mm,大于46.47mm 所以刀盘传动轴的强度校核合格。 按疲劳强度计算轴的安全系数 轴径的初步计算是一种粗略的估算方法,按弯扭合成强的条件校核轴径,也未能反映出应力集中的真实情况,因为没有考虑尺寸因

13、素、轴表面状态等对轴的疲劳强度的影响。因此,对重要的轴,除用上述方法进行计算外,还必须对轴的危险截面进行疲劳强度的校核计算。 安全系数的计算公式为 式中?计算安全系数; ?仅受弯矩是的安全系数; ?仅受转矩是的安全系数; ?轴的疲劳强度许用安全系数。 轴的材质均匀,载荷及应力计算准确时,取;轴的材质不够均匀,计算精确度较低时,取;轴的材质均匀性及计算精确度都很低时,或轴的直径d200mm时,取。 本次取 车轴只受扭矩 所以安全 5 D1800控制部分设计 5.1控制原理示意图 5.2 电动机控制电路设计 控制顶管机的运动,需要控制电动机。刀盘采用正反两方向切削泥土的方式工作,进而电动机必须能够

14、实现正反两个方向运转工作。 工作原理为:按下正向启动按钮SB5,KM3线圈得电,其主触点闭合,电机正向启动,同时串接在KM4线圈回路中的KM3的常闭触点断开,保证在KM3圈得电的前提下,KM4线圈不可能得电,以避免电动机短路,反之亦然,此种联接方法称为互锁。当要求电机反转时,需先按下停止按钮SB4,使KM3失电,在按反向启动按钮SB6,使KM4线圈得电,其主触点闭合,三相电源的两相对调,因而使电机反转 如图: 5.3液压纠偏系统设计 顶管机在水平工作期间,难免会有误差,或者要求其一定角度的偏转,所以要求机体要具有纠偏的功能。本次设计的盾构机是用了8个液压缸来实现纠偏功能,液压缸的摆放示意图如下

15、 当1、3伸长时,实现了向右的纠偏。 当1、2伸长时,实现了向下的纠偏。 当2、4伸长时,实现了向左的纠偏。 当3、4伸长时,实现了向上的纠偏。 5.3液压纠偏系统设计 5.3.1液压控制原理图 D1800纠偏系统采用四组8个液压缸进行纠偏工作,如图所示: 5.3.2纠偏油缸的控制电路连接 5.3.2纠偏油缸控制原理说明 1YA、3YA、5YA、7YA均为伸长开关。 2YA、4YA、6YA、8YA均为缩短开关。 故 SB7可以定义为伸长开关。 SB8可以定义为缩短开关。 按下启动按钮SB7后,再按下启动按钮SB9,KM5线圈得电,其主触点闭合,KM5常开触点闭合,则1YA、3YA开关均启动,使

16、第1组和第2组液压缸伸长,既而实现了向下纠偏的功能。 按下启动按钮SB7后,再按下启动按钮SB10,KM6线圈得电,其主触点闭合,KM6常开触头闭合,则5YA、7YA开关均启动,使第3组、第4组液压缸伸长,既实现了向上纠偏的功能。 按下启动按钮SB7后,再按下启动按钮SB11,KM7线圈得电,其主触点闭合,KM7常开触头闭合,则1YA、5YA开关均启动,使第1组、第3组液压缸伸长,既实现了向右纠偏的功能。 按下启动按钮SB7后,再按下启动按钮SB12,KM8线圈得电,其主触点闭合,KM8常开触头闭合,则3YA、7YA开关均启动,使第2组、第4组液压缸伸长,既实现了向左纠偏的功能。 按下启动按钮

17、SB8后,再按下启动按钮SB9,KM5线圈得电,其主触点闭合,KM5常开触头闭合,则2YA、4YA开关均启动,使第1组、第2组液压缸缩短,既实现了向左纠偏后收缩的功能。 按下启动按钮SB8后,再按下启动按钮SB10,KM6线圈得电,其主触点闭合,KM6常开触头闭合,则6YA、8YA开关均启动,使第3组、第4组液压缸缩短,既实现了向上纠偏的后收缩的功能。 按下启动按钮SB8后,再按下启动按钮SB11,KM7线圈得电,其主触点闭合,KM7常开触头闭合,则2YA、6YA开关均启动,使第1组、第3组液压缸缩短,既实现了向右纠偏后收缩的功能。 按下启动按钮SB8后,再按下启动按钮SB12,KM8线圈得电

18、,其主触点闭合,KM8常开触头闭合,则4YA、8YA开关均启动,使第2组、第4组液压缸缩短,既实现了向左纠偏后收缩的功能。 综上所述,SB7为伸长开关 SB8为收缩开关 SB9为向下开关 SB10为向上开关 SB11为向右开关 SB12为向左开关 要实现液压缸的伸长要先后按下伸长开关和控制方向的开关。 要实现液压缸的缩短要先后按下缩短开关和控制方向的开关。 5.4机内旁通油缸的设计 5.4.1 旁通油缸液压原理图 旁通油缸要求工作压力恒定为10 Mpa,故在液压回路上安装溢流阀保证工作压力的恒定,而且进油管路直接与油箱连接,单独控制。 5.4.2旁通液压缸的电路 如上图所示 SB5闭合,9YA得电,旁通油缸伸长;SB6闭合,10YA得电,旁通油