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11 顶管掘进机刀盘设计21.1 刀盘结构类型21.2 刀盘结构的比较51.3 顶管机刀盘的方案选择62 传动布局的的设计92.1 主传动部分的的选择方案设计92.2 顶管机纠偏设计103 D1800顶管机设计的设计计算123.1 主传动部分设计计算123.2 减速器的确定123.3 液压纠偏油缸的选择及计算143.4 泥水系统双联阀的设计要求和选择154 零件的校核164.1 轴的校核164.2 按疲劳强度计算轴的安全系数165 D1800控制部分设计185.1 控制原理示意图185.2 电动机控制电路设计185.3 液压纠偏系统设计215.3.1 液压控制原理

2、图215.3.2 纠偏油缸控制原理说明215.4机内旁通油缸的设计235.4.1旁通油缸液压原理图235.4.2旁通液压缸的电路236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:气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。顶管机的发展是伴随

3、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4330mmd、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,从简易式小刀盘土压平衡顶管机研制应用起步到现在,巳经历了全断面

4、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式刀盘结构,如上海地铁施工用的是法国FCB盾构,北京

5、、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,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

6、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。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

7、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,

8、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

9、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2.2rpm2最大扭矩160kNm3.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Vv1xI2.2x4591009.8rpm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-6Y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

10、。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2.2rpmP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。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31.5Mpa2. 最大推力420kN3. 最大拉力200kN4. 最大行程50mm5. 油缸数

11、量8个无杆腔的面积计算无杆腔半径计算活塞的直径D12R2x65.2130.4mm有杆腔的面积计算:环形面积:环形面积要SA1经过计算为了满足要求活塞面积要大于133.3选择CD/CG35C系列液压缸工作压力:35Mpa大于最大推力: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

12、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

13、;轴的材质不够均匀,计算精确度较低时,恥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KM磯圈回路中的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

14、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、

15、3YA5YA7YA均为伸长开关。2YA、4YA6YA8YA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1YA3YA开关均启动,使第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5YA7YA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1YA5YA开关均启动，使第1

16、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3YA7YA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2YA4YA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6YA8YA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

17、,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2YA6YA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，其主触点闭合,KM8常开触头闭合,则4YA8YA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

18、油缸液压原理图旁通油缸要求工作压力恒定为10Mpa,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，旁通油缸缩短。图中的SB5、SB6控制机内泥水旁通的液压缸,而且不受主电源的开关控制。6结论本次我设计的是D1800泥水平衡顶管掘进机，了解了现代顶管机的发展情况。同时,认识到了泥水平衡系统的工作原理。这次设计,我设计了刀盘,传动系统,机体纠偏系统,电动机控制系统,液压纠偏控制系统,还有整机电路控制系统。并绘制了多张二维图纸,并对我的CAD绘图水平大大的提高了许多。同时,在设计控制系统的时候,又让我对机电知识,和液压系统知识有了很大的提高。同时也对材料学中的焊接技术等有了一定程度的了解。这次设计,还让我学习到了机械设计的实质,对我那些在书本上学到的知识,更加形象化,充分考虑到了现实生产的诸多问题。让我认