【《某盾构机的装置结构设计》22000字】

第某盾构机的装置结构设计目录TOC\o"1-2"\h\u15065某盾构机的装置结构设计 112606第1章绪论 248151.1盾构机概述 2221621.2目前盾构机的发展趋势 3281161.3国产盾构机的技术现状 4277991.4本设计的主要内容 67719第2章工程概况 6198702.1工程简介 6188622.2工程地质 7290082.3区间沿线重大风险源 913672第3章盾构机选型分析及重难点控制 9196723.1盾构机应具有良好的耐久性 9238873.2满足环境保护的要求 10250243.3其他可靠性的要求 10175003.4盾构施工重难点分析 1022634第4章盾构机总体设计 1114184.1盾构工法选型 11111384.2刀盘掘进系统 12138294.3渣土输送系统 14214764.4盾构推进系统 14271324.5管片拼装系统 1483924.6壁后注浆系统 1530874第5章主要技术参数的计算 1515855.1盾尾间隙 16166955.2盾构推力 17153465.3刀盘扭矩 187165.4主驱动功率计算 2066025.5推进系统功率 2182245.6同步注浆系统能力 22167365.7渣土输送系统 2215949第6章盾构推进装置的设计 22279456.1推进系统的分区设计 22226776.2推进系统的液压系统设计 27131886.3推进装置的计算校核及选型 32316356.4推进油缸密封的设计 40183056.5推进油缸的安装 43110916.6推进装置布置合理化分析 4519771结论 46第1章绪论1.1盾构机概述盾构机是一种将光、机、电、液、传感、信息技术集成为一体的一种机械，它可以在隧道中实现开挖、输送土碴、拼装衬砌、测量导向纠偏等多种功能，这个过程中涉及的学科技术非常之多，包括的学科技术有地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等。截止到目前，盾构机在铁路施工、地铁施工、公路施工、市政施工、水电安装、隧道施工等方面得到了广泛应用。盾构机的问世在英国，而后在日本、德国两地迅速发展，至今已经快有接近180年的历史了。经过30多年的实践，在土压平衡式盾构机、泥水式盾构机等关键技术的基础上，对盾构施工进行了有效的密封，保证了开挖面的稳定，控制了地表隆起和坍塌，并保证了刀具的使用寿命，并实现刀具的更换在密闭环境下实现，并对某些地质问题进行了探讨和研究，取得了较好的进展。在日本，随着日本经济的迅速发展，以及工程建设的需求，盾构机特别是土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机的发展非常迅速。德国的盾构技术也有自己的独到之处，特别是在地下施工时，确保了密封性，并能在压力达到0.3MPa时，将刀盘上的刀具换掉，这样可以增加一次掘进的时间即掘进距离增大。目前盾构机使用得最多的为泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机两大类。泥水平衡盾构机是利用压缩空气在挖掘仓内产生的气垫对渣土内的泥浆进行压力，以达到稳定工作面的目的，用刀盘切割工作面，将渣土送入挖掘仓内搅拌，再由前闸门穿过破碎机和网珊，再由泥浆管和泥浆泵送至地表污水处理装置，将泥浆与挖掘出来的渣石分离后，再把泥浆输送回泥水舱，进行往复循环达到开挖的目的。利用压缩空气的加压作用，使其与外界的压力达到均衡，从而维持了工作面的稳定性。当盾构进向前掘进的时候，从旋转式刀具上切下的碎石土壤等经过搅拌杆混合后，形成高密度的泥浆，再输送给地表之上的泥水分离系统，分离出碴土和泥水，泥水被送回渣土仓。土压平衡式盾构是利用挖掘仓内的泥土作为稳定工作面的媒介，利用刀具的旋转式切削，使得渣土仓中的渣土增多，然后用螺旋运输机将渣土仓中的渣土运输出来，利用盾构机的掘进速度和螺旋式运输机的转动速度以及利用渣土仓的土压来对抗外界的压力来保持工作面的稳定性。近年来，随着国家工程建设需要，盾构机行业发展面临良好的政策环境。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》、《中央企业科技创新成果推荐目录(2020年版)》和《工程机械行业“十四五”发展规划》等国家政策中可以看出，目前的重点是发展大直径/超大直径掘进机技术，解决盾构机等掘进机零部件供应链假设问题，建造智能化产业基地，建立模型仿真的数子孪生平台等。从目前看来盾构机技术正在迅速的发展中，正在逐步掌握自主设计制造盾构机的能力。1.2目前盾构机的发展趋势目前，世界盾构技术正在向着超大型断面、异形断面、超长深度、超长距离、快速施工、高自动化的方向发展。目前国内外盾构技术发展的主要趋势主要包括以下几方面：超大深度盾构、超长断面盾构、超长距离掘进盾构、高度自动化盾构、快速掘进盾构、异形断面盾构等。我国盾构施工技术主要有四大发展趋势：(1)土压平衡式盾构系列：土压平衡式盾构是一种应用广泛的软土盾构，可以在不同的软土地质上进行施工，甚至可以在含有砾石、卵石和硬岩的地质下进行施工。根据中国的实际情况，根据不同的工程地质、水文情况，进行土压平衡盾构的设计、制作，既能满足技术、经济发展的一般规律，又能满足环境保护的需要。(2)复合盾构施工法的全面推广：复合盾构施工法是利用不同的施工方式和不同的刀具种类及分布方式来满足不同的地质条件。复合盾构施工技术的应用前景在广州，成都，重庆，深圳，北京等多个城市中都有很好的体现。(3)超大型泥水盾构的发展和应用：由于世界上盾构技术的超大型截面，造就了超大型泥水盾构发展的必然趋势，并且超大型泥水盾构在我国沿江、沿海、沿河地区和众多城市中的发展有着非常重要的意义。所以，必须抓紧和加速超大型泥水盾构技术的研发，并掌握其设计、制造和施工工艺，这就可以大大增强国内盾构的市场竞争力。（4）多功能的双模式盾构的开发及应用：开发出多功能、适应性强的并且支持双模式的盾构机，可有效地解决工程中的各类问题。土压平衡盾构与土压平衡复合刀盘相互配和，就可以适合于岩石及软土地层，能使工作面保持稳定，并能在TBM和土压平衡两种工作方式下工作。双模式泥水盾构包括了泥水平衡盾构模式和TBM模式，其中泥水平衡盾构模式适用于高水压裂缝地层，TBM模式适用于没有水、少量水的地层。在不同的地层情况下，可以灵活切换泥水、TBM两种盾构施工方式，以保证施工的安全、快捷。1.3国产盾构机的技术现状在盾构机的研发上，我国经过多年的引进、消化和创新，已经积累了大量的经验，设计出了具有我国自主产权的盾构机包括：挤压式盾构机、气压式盾构机和泥水平衡式盾构机；重点引进、消化和研究土压平衡式盾构机和泥水加压平衡式盾构机。目前，我国的中铁装备，中国铁建，北方重工等大型企业对大型工程机械的研制和自主设计已经在进行，并取得了一定的创新和突破。如汕头港湾隧道工程采用15.03米直径的国内最大泥水平衡式盾构机，是中铁设备自主研制的并且已经获得多项关键技术的专利，集超高承压系统综合设计、伸缩摆动主驱动、双气路压力调节等技术于一体，具有较高的智能化水平，填补了国内超大型泥水平衡式盾构机机械的空白，突破了国外品牌对超大型盾构机的垄断。但与国外盾构机械制造技术相比，国内盾构机械制造技术还存在着很大的差距，主要表现在刀盘、刀具、传动、轴承密封、盾尾密封、液压系统和自动控制等技术细节上。本文主要从生产工艺、总体设计和系统集成技术、地质适应性设计三个方面进行论述。(1)关键零件的制造工艺：盾构机上的三大核心部件包括大轴承、减速器、大排量液压泵，目前仍以进口为主，国内厂商设计制造的达不到施工要求；土体压力检测器和各种传感器是控制盾构姿态调整、控制地面沉陷的重要设备，国内厂商设计制造的达不到施工要求，仍以进口为主；在刀盘设计、刀具设计等方面，国内对刀具磨损的认识不足，在刀盘、刀具的适应性设计方面还没有充分的积累，在刀具寿命和可靠性方面也缺乏相应的经验。(2)总体设计和系统集成技术：目前我国盾构机的开发多采用合资、并购等方式，多数采用国外的盾构设备为主，许多关键系统的集成都是在国外公司的帮助下进行的，整体的设计和集成技术尚未研究出来。如我国的矩形、三环、马蹄形、特种异形等盾构设备尚处在初级阶段，技术与经验有待积累，一些国产盾构设备出现了性能不稳定等问题。(3)地质适应性设计：在多年的生产实践中，国外盾构机械制造企业进行了大量的仿真实验，并建立了一套符合自己国家地质的盾构机械设计理论。而我国国土面积大，地质情况复杂，不同区域的地质情况差异较大，因此需要进行大量的资料收集。但由于盾构机技术起步晚，实际应用的机会很少，经验资料也不多，在施工中常常出现刀具磨损严重、河床砂砾太大无法切除等问题。因此，适应于我国实际、地质情况的适应性设计理论仍有待进一步的发展与改进。(4)系统模拟与模型测试：目前国内大部分企业对盾构机的开发仍是依靠国外技术，缺少系统模拟、模型实验等技术支撑，在关键技术和核心零件的设计上，缺少自主开发的能力。(5)控制技术：目前我国在盾构机控制系统中应用激光和陀螺的自动方向控制系统以及模糊控制理论在盾构姿态控制中的应用，已有一些成果。但目前我国盾构施工中采用的土压力检测器和各种传感器主要依靠国外的技术，基于地面的变形和运动轨迹及时反馈控制技术还不够成熟。1.4本设计的主要内容（1）查阅文献了解盾构机概述、了解目前国内外盾构机的发展趋势，了解国产盾构机的技术现状。（2）掌握盾构机的总体构造以及工作原理。（3）对成都地质进行分析。（4）基于成都地质进行盾构机的总体选型设计：包括盾构工法选型、刀盘掘进系统、渣土输送系统、盾构推进系统、管片拼装系统、壁后注浆系统的选型设计；主要技术参数的计算以及盾构机整机图的绘制。（5）盾构机推进装置的设计：盾构机液压缸布置的设计；设计推进系统的液压原理图并绘制；系统主要参数计算；主要液压元器件选型；推进油缸设计与校核；推进油缸安装设计；液压缸设计图绘制以及推进装置图的绘制。第2章工程概况2.1工程简介成都地铁三号线二三期土建四标盾构施工包括成都市双流区的两个区间，区间隧道由星空路和成双大道交叉路口的迎春桥车站（原称双流北站），沿着成双大道前往成都的人行道和绿化带，在雪域宾馆门前向左转弯，经过博大汽修厂、叁号院农家乐、迎春小区一幢，然后进入商都路，在商都路与航都大街交叉路口处，抵达航都大街（原迎春桥）；路线离开都大街站，沿着主干道往前走，到了时代积家家居装饰广场，再从广场中央的停车场出发，沿着双楠大街一直到龙桥路站结束。图2-1区间平面布置图表2-1成都地铁3号线二三期土建4标盾构工程区间数量表2.2工程地质2.2.1地形地貌迎春桥站～航都大街站区间主要位于成双大道、商都路下方。线路出双流北站后下穿迎春桥，沿成双大道前行，后以一处R=350m的转弯半径拐入商都路，下穿大量现状低矮厂房及民房（1至4层）及迎春小区1栋6层房屋后进入迎春桥站。区间位于岷江水系II级阶之上，为侵蚀～堆积地貌，地形开阔、平坦，线路中段建筑物较密集，区间出迎春桥站后下穿三支渠。迎春桥站～龙桥站区间主要位于商都路、双楠大道下方。线路出迎春桥站后沿商都路前行，在商都路与双楠大道路口处以一处R=400m的转弯半径拐入双楠大道后进入龙桥站，本段区间在转弯处侧穿旺世代积家博美装饰城。区间位于岷江水系II级阶之上，为侵蚀～堆积地貌，地形开阔、平坦，线路上方无建筑物、河流等。2.2.2气象特征成都市是中亚地区的一个温暖的、温暖的、多雨的地区，四季分明，夏天没有温度很高的时候，冬天也没有温度很低的时候。年平均温度为16.2℃，最大温度为38.3℃，最小温度为-5.9℃；年降水量达938.9毫米，最高年降水量达1155.0毫米，年降水量达104天，日降水量最高达215.9毫米。多年的平均蒸发量为1020.7毫米；年平均相对湿度为82%；全年日照数为1228.3小时，日间仅有28%；多年来的平均风速为1.35米/秒，最大风速为14.8米/秒，最大风速为27.4米/秒（1961年6月21）。2.2.3地质情况本标段地表第四系堆积层广泛分布，表层多为第四系全新统人工填土（Q4ml）覆盖，河流周边地区分布第四系全新统冲积层（Q4al）黏土、粉质黏土、砂土及卵石土，其余地段为第四系上更新统冰水沉积、冲积层（Q32fgl+al）黏土、粉质黏土、砂土及卵石土，下伏白垩系灌口组(K2g)泥岩、泥质砂岩。本标段盾构掘进地层主要以密实卵石土为主，局部含有中密卵石土和实粉细砂。2.2.4水文地质（1）地表水迎春桥站～航都大街站区间地表河流为三支渠，河流水深经观察平时为30-40cm，雨季70-80cm。（2）地下水本文从成都地区的水文地质数据和地下水的分布情况来看，可以把成都地质的地下水分为三大类：一类是充填层上部的滞水，二类是四系砂卵石层的孔隙水，三类是基岩裂缝水。1）上部滞水主要存在于黏土的饱气带和人工填土区，涌水量较少，呈岛屿型分布，地下水位不均匀。其主要补给来源是大气降水和周边居民的日常生活用水。2）第四系孔隙水拟建场地内孔隙水主要是砂卵石土中的孔隙潜水，含水层的有效厚度在16.2m到36.0m之间，水位的埋深在3.5m到6.10m之间。这片卵石层以砂土和粘土为主，是一种富水的含水层，其潜水平面统一，对隧道工程产生了一定的影响。它的主要补给来源是大气降水和区域性地表水。2.3区间沿线重大风险源盾构施工通过迎春桥和三支渠，左右线盾构直径迎面穿过简支梁桥，简支梁桥由15号片石混凝土建造，简支梁桥与盾构顶部的垂直净距离只有3.786米，这个地层位于密卵石土和密质卵石土中。第3章盾构机选型分析及重难点控制3.1盾构机应具有良好的耐久性该项目中，盾构机仅开挖一段，长度约为1.3~1.4公里，且隧道长度大，对设备的耐用性要求高。(1)刀盘、刀具的磨损应符合掘进长度的规定，刀盘和刀具应达到800m的掘进深度，并在每段内安排两次更换刀具。为了达到最大限度，刀具的耐磨性必须达到要求。(2)大密封件的耐用性是确保掘进安全的重要因素，而主轴密封件是其核心，而盾尾密封件又是其安全控制的关键。(3)对螺旋输送机及皮带传输机的寿命的需求。3.2满足环境保护的要求基于成都地质的砂砾岩层盾构法施工的关键在于不进行多次开挖，尽量减少对地表的干扰。挖掘控制的要点一是盾构机要具有良好的挖掘和排渣功能，能将入仓的渣土与排渣达到动态平衡，从而保证螺旋输送机的转速与刀盘开挖的转速相适应；二是要有一个好的渣土改造体系，能够维持高水平的土仓压力，同时保证渣土具有良好的流塑性，不会在刀盘前面形成较大的饼状物块，也不会在渣土仓底堆积。环保的另外一项要求就是，用于渣土改良所采用的原料，如泡沫、膨润土等，必须是无污染的，达到保护环境的要求。3.3其他可靠性的要求（1）具备高精度的导向系统，由于两个区间均较长，除了掘进前和掘进中必要的测量，对设备本身的导向系统也提出较高要求，以保证线路的正确性。（2）具备开仓换刀的功能，盾构机必须具备开仓换刀的功能，以保证在必要时对刀具进行检查和更换，满足长距离掘进的要求。（3）具备防止喷涌的功能，螺旋机外闸门应布置有两道，且必须具备手动开关。3.4盾构施工重难点分析施工的重难点在于如何确保渣土仓压力的恒定。成都的地质主要为卵石层，颗粒较大，盾构渣土流塑型不好，容易造成渣土仓失压，在设计时必须要解决这类问题。解决措施如下：（1）渣土的改良：盾构机应有较好的碴土改良体系，为了减少土仓建压时的刀盘转矩，必须在地面上设置足够的膨润土充填设备，并将其输送至盾构主机。在渣土仓加入渣土改良材料，增加渣土的流塑型，保证渣土仓压力恒定，满足盾构施工要求。（2）刀盘结构改良：尽量降低渣土搅拌的阻力，使渣土在渣土仓中的搅拌更加容易，渣土更容易随螺旋输送机排出。（3）降低螺旋输送机倾角：当渣土改良的效果未能达到理想的要求时，可以对螺旋机出口闸门的开度进行控制，可以保证渣土仓压力的恒定，减少皮带输送机的倾角，可以使得较稀的渣土得到运输，不会出现堆积，确保了工程的顺利进行。（4）驱动扭矩的要求：刀盘配备的驱动扭矩要足够大，克服渣土的巨大摩擦力，从而保证渣土仓的压力恒定。第4章盾构机总体设计4.1盾构工法选型通过对数据的分析，发现在地层中，渗透率小于10−7m/s的情况下，采用土压平衡盾构进行施工;当渗透率在10−7到10−4m/s之间的情况下，采用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构进行施工;当渗透率大于10−4m/s的情况下，采用泥水平衡盾构进行施工。由于所选地段地层的渗透率在10−4～10−7m/s之间的这个区间内，无论采用土压平衡盾构施工或者泥水平衡盾构施工都可以达到施工要求。在根据前面一章节2.2.3中本标段的工程地质条件，考虑到土压平衡盾构施工占空间较小，排出渣土处理成本低，工程的投资又小，最终选用土压平衡盾构工法进行施工。但是由于成都卵石地层小颗粒含量较低，渣土仓建压后容易发生螺旋输送机图4-1地层渗透性与盾构选型的关系4.2刀盘掘进系统刀盘的构造可分为面板型和辐条型两种，在实际使用中要考虑到施工情况及土壤情况。土压平衡盾构可以按土体情况使用面板和辐条型两种类型。在土压平衡盾构施工中，在使用面板式刀具时，由于土壤通过刀盘板的开口流入渣土仓，在盾构施工过程中，土体在渣土仓里的压力和开挖面的土压会形成一个压差，而且压降的数值很难确定，因此开挖面的土压力很难得到很好的控制。面板式刀具的优势在于，可以通过刀盘的开口来限制渣土颗粒大小；它的不足之处在于，由于受到了刀盘面板的影响，挖掘面的土压力与实测土压力并不相同，因此很难进行土压管理；在此基础上，由于刀盘开口大小的影响，渣土在进入渣土仓时不平滑、易粘结、易堵塞，而且刀具负载较大，使得刀具的使用寿命变短。在粘性土层施工时，若使用面板式刀盘，则因刀具的支承，将渣土仓分成两块，刀具旋转切割时，中间区外侧的土壤流速较快，便于搅拌；在刀具的中间部分，由于切削土的粘性大，在中间部分长期积累，中间部分的土壤会逐渐增加，最后形成泥饼，失去流动性，从而导致开挖不畅，阻力增大，开挖面压力不稳定，不利于控制地表沉降。辐条式刀盘具有几根辐条，使土壤和沙子流动顺畅，便于粘合，不易粘结；在没有挡板的情况下，从开挖面到渣土仓的土压不会发生衰减，而开挖面的土压与实测的土压相当，可以有效地管理土压，从而可以有效地抑制地表的塌陷。同时，具有较低的切削载荷和较长的使用寿命。采用辐条式刀盘，切削下来的渣土可直接进入渣土仓，而不会产生任何的压力损失，而且在辐条后面还装有搅拌片，使土壤和沙粒流动顺畅，易于控制土的压力。结果表明，在单一的软土地层中，如砂、土等，辐条刀盘的适应性要优于面板式刀盘。但是由于本标段盾构掘进地层主要以密实卵石土为主，局部含有中密卵石土和实粉细砂，这就要求刀盘需要具有较强的破岩能力，最后采用面板式复合刀盘。这中刀盘结构可以安装足够数量的滚刀，刀盘的开口率大约为36％，开口均匀分布在整个刀盘面板上，保证刀盘掘进时，渣土就可以顺利进入渣土仓中，从而有效的避免了中间的泥饼产生。盾构机的刀盘位于整个盾构设备的前端，刀盘的表面装有32把单刃滚刀、安装在刀盘中间的4把双刃滚刀、32把刮刀、8把用于清除边缘部分的开挖渣土的边刮刀、8把保径刀，29把焊接的撕裂刀，还有一把用于盾构机的曲线行走和调整盾构的姿态的刀具。刀盘位于盾构机头的最前方，刀盘与开挖面直接接触，为了提高刀盘和刀盘周围部位的耐磨性，在这些部位进行了耐磨加固。将超挖刀相连接的控制装置安装在刀盘的中央。刀盘的设计外径为6280mm，超出盾体外径，目的在于减少盾构机在前进时盾体外部与周围岩层的摩擦，延长盾构机的使用寿命；刀盘的转速设计为0~3.35r/min，由液压马达驱动，可以通过调节刀盘转速及扭矩大小来适应不同的地质条件。刀盘后面的主轴承主要依赖于进口，也是整台盾构机的关键零部件，设计的时候要求寿命要大于10000小时，为保证其密封效果，主轴承的密封决定设计为三道，还要保证油脂的及时注入。刀盘上还设置有渣土改良注入孔，总共有6个注入孔，6个里面的4个注入孔为泡沫注入孔，剩下的两个注入孔为膨润土注入孔。刀盘的开口率大约为36％，刀盘切削下来的渣土通过刀盘上的渣土口进入刀盘后面的渣土仓，通过刀盘的转动与固定的承压密封隔板之间的相对运动关系进行搅拌，密封隔板上的搅拌棒可以向渣土中加入材料，改善渣土的流动性，最后经过渣土仓最底部的螺旋输送机将改良后的渣土运输出去。当然渣土仓中还设置有土压传感器、泡沫的注入孔、膨润土注入孔以及注水孔，保证渣土仓内的土压平衡，避免产生泥饼。4.3渣土输送系统渣土运输系统主要由螺旋输送机、皮带输送机以及运渣车组成。螺旋输送机的驱动方式为液压马达驱动，它的前端安装在渣土仓的最低端，整体安装角度为斜向上，出口下端就是皮带输送机。渣土仓中的渣土通过螺旋输送机连续的向外运送，通过皮带输送机及渣土车运出施工地点。为保证渣土仓的压力恒定，也是保证刀盘开挖面的稳定，螺旋输送机的转速也是手动调节的，除此之外为了控制渣土仓压力大小，在螺旋输送机上装有土压传感器用于监测土压变化情况。同时在螺旋输送机内部加入渣土改良注入孔，设置有观察孔保证渣土运输的顺利进行。为延长螺旋输送机的使用寿命，对螺旋输送机的螺杆进行耐磨加强处理。螺旋输送机可以使240mm的碎石排出，保证渣土顺利排出。4.4盾构推进系统推进系统是盾构机向前推进的动力装置，通过与管片的反作用力来实现盾构机的前进。设计时根据管片的规格采用单双缸间隔分布对液压缸进行一个排列，双缸有10组，单缸有10个，将单双缸间隔分布的液压缸分为上下左右四组进行单独控制，通过控制各组的推进大小及推进速度来控制盾构机的姿态，包括转弯、上行及下行。设计的推进油缸的行程全部都是2150mm，可以满足管片的拼装要求。4.5管片拼装系统管片拼装系统主要由管片拼装机、管片运输机构、整圆器等组成。当管片拼装系统运作时，首先由专门运输管片的将管片运输至管片吊机下，通过管片吊机将管片放置在管片运输机构上，管片运输机构上最多可以放置三片标准管片，然后管片运输机构将管片运输至管片拼装机下。管片拼装机形状为环形的，通过两根横梁来支撑，管片拼装机可以在横梁上水平移动。管片拼装机有6个自由度，可以使得管片完成升降、移动等动作完成管片的定位。管片拼装机在进行管片拼装的过程中，其负责举升动作的液压缸的行程为1000mm，负责纵向移动的液压缸行程为2000mm,满足标准管片的拼装要求。管片拼装机完成管片的初步定位，最终是通过螺栓方式来完成管片与管片的连接和一环管片与一环管片之间的连接。整圆器的作用在于使脱出盾尾后的管片临时保持真圆，保证管片环与环之间螺栓连接安装的顺利进行。并且管片拼装机用的是比例控制阀来控制管片拼装机完成各项动作，这样控制的精度非常高，管片拼装的速度也快，拼装出来的管片质量也好，极大地提高了工作效率。4.6壁后注浆系统在盾构机向前掘进的时候，注浆泵开始工作，将浆液从储浆槽抽出，通过盾构机盾尾中的4根同步注浆管对管片外围进行注浆工作。注浆的目的在于①及时充填盾尾建筑物的空洞，对管片周边的岩体进行支撑，从而达到了对地面层降的有效控制。②在盾构隧道工程中，凝结泥浆是盾构隧道的首要防渗措施，可有效地阻止地下裂缝水渗漏，提高盾构隧道的防水性能。③对管片进行早期稳定，将管片与周边岩体结合，限制其蛇形，可有效地控制盾构的姿态，保证其最终的稳定性。为保证壁后注浆系统工作的顺利进行，盾尾的密封极其重要，采用的是三道钢丝刷加上油脂来进行的密封，保证盾构机推进过程在外部物体进去到盾构机的盾尾中。第5章主要技术参数的计算为了使盾构在合理的地质情况下设计出符合该地质条件的盾构设备，合理确定盾构的关键技术参数，如刀盘驱动扭矩和推进系统的推力等是很重要的。盾构施工工艺参数的计算十分复杂，受地质因素、土层改良方法、掘进参数等因素的影响，使得盾构施工参数的计算方法有较大的不确定性，以下对主要技术参数进行了粗略计算。表5-1计算所用参数序号参数名称参数大小1盾体直径D（m）6.282盾构主机长度L（m）8.03覆土厚度H（m）204土容重γ（kN/m235土体的内摩擦角φ（°）336刀盘外径Dc6.287土与钢的摩擦系数μ0.258管片外径D06.09侧向土压系数K0.5510刀盘开口率α（%）3611主机重量W（kN/m400012项目管片规格（外径/内径-宽度/分度）Φ6000/5400-1500/36°13垂直载荷Pv（kN/31214水平载荷Ph（kN/1725.1盾尾间隙盾尾间隙的计算包括理论最小间隙、管片允许拼装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形等几部分。（1）理论最小间隙盾构所用管片的外径D=6000mm；盾构机盾尾到第一环管片的最前面的距离为L=2300mm；R1—盾构曲线半径，考虑到盾构机需要进行蛇行运动的因素取R1=300m；则隧道管片内侧曲线半径：R=R1-D/2=297（m）盾尾至第一环管片前端对应的圆心角：φ=计算理论的间隙为：b假如取b1=9mm（2）盾构所用管片的精度和管片拼接时的误差：b2（3）盾尾的制造误差：b3（4）盾尾的变形误差：b4（5）其它因素误差：b5所以盾尾的间隙为：b=b1+b2+b3+b图5-1盾尾理论间隙计算示意图5.2盾构推力盾构机的推力包括：壳体外周摩擦阻力F1，胸板上的土压力F2，后配套设备的牵引力F3，管片与盾尾密封刷之间的摩擦力F4。a.壳体克服外周摩擦阻力F1：F经计算得：b.克服胸板所受的土压与水压的推力F2：FP—指中心土压，这里取P=774kPa;经计算得：F2=c.后续设备牵引力F3：FW1—后配套设备重量，这里取W1=经计算得：F3=d.克服管片与盾尾密封刷摩擦阻力的推力F4：FDs—管片外径，根据管片规格取Dn—盾尾刷道数，取n=3；PT—盾尾密封挤压力，取经计算得：F4=总盾构推力：F=F1+F2+F35.3刀盘扭矩盾构机在土体中掘进时要受到切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受轴向推力荷载产生的反力矩、主轴承密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的圆周面的摩擦力矩、刀盘背面的摩擦力矩、刀盘开口槽的剪切力矩等力矩作用。(1)刀具切削扭矩T式中:qu—岩土的抗压强度，根据地勘资料取D—刀盘直径，取6.28m;n—刀盘转速，取3r/min;hmax—贯入度，即刀盘每转切深，计算式为hV—推进速度，取0.6m/h;经计算得:T1(2)刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩T式中:G—刀盘自重，取500kN;R1—主轴承滚动半径，取1μg—轴承滚动摩擦系数，取0经计算得:T(3)刀盘轴向推力荷载产生的旋转阻力矩T式中户，P1—推力载荷，计算式为:Pα—刀盘不开口率，取0.64；R2—Pd—盾构前面的主动土压，kP经计算得:T(4)主轴承密封装置摩擦力矩T式中μn—主轴承密封圈与钢之间的摩擦系数，取0.2；Fn—密封的推力，取1.5n—总密封数，取3；Rn—密封的安装半径，取1经计算得:T(5)刀盘前表面的摩擦力矩T式中；μq—土层和钢之间的摩擦系数，取0.25经计算得：T(6)刀盘圆周面的摩擦反力矩T式中:B—刀盘周边的厚度，取0.45m;Pz—刀盘圆周的平均土压力，kPz=经计算:T(7)刀盘背面摩擦力矩T式中：Pw—土仓设定的土压力，取0.1MP经计算得：T(8)刀盘开口槽的剪切力矩T式中：CT—刀盘切削剪力，计算式为：C—开挖面上土体的黏聚力φ—土仓内土体的内摩擦角，取C=5kPa，φ=5°。经计算得：T(9)刀盘总扭矩T=15.4主驱动功率计算W0=AWTwη式中：W0AWT—刀盘额定扭矩，取5000kN·m主驱动系统的效率公式为:η式中：ηmc—联轴器机械效率，取0.95；ηpm—液压泵的机械效率，取0.95；ηpv—液压泵的容积效率，取0.95η1—系统回路效率，取0.95ηmm—液压马达机械效率，取0.95ηmv—液压马达容积效率，取0.98ηmr—机械效率，取0.98经计算得：ηd盾构的实际主驱动功率为：W5.5推进系统功率Wf式中：WfAF—最大推力，根据前面计算取31536.4kN；v—最大推进速度，取80mm/min；ƞw—推进系统的效率，ƞw=ƞmc*ƞpm*推进系统应配备的功率应为：Wf=5.6同步注浆系统能力每环管片的理论注浆量：Q式中:R—盾构开挖半径，取3.14m；r—管片外圆半径，取3.0m；L—盾构掘进一环长度，取1.2m；经计算得Q1在实际注浆过程中，注浆量是理论上的环缝体积的1.2到1.6倍之间，因此每环的注浆量应在3.89到5.18m³之间。5.7渣土输送系统实际盾构机的理论挖掘能力其中：D—盾构机的开挖直径大小；Vmaxζ—碴土松散系数，这里取1计算。q=148.75m3第6章盾构推进装置的设计6.1推进系统的分区设计6.1.1液压缸分布方式的选取如今液压缸的分布方式主要有四种：单缸均匀分布、双缸均匀分布、单双缸间隔分布和三缸均匀分布。单缸均匀分布方式如图6-1所示：图6-1单缸均匀分布图从上图中可以看到，在单缸内均匀分布的情况下，各液压油缸的受力都是均匀的，但由于各液压油缸的压力都是独立的，这就导致了液压系统的复杂性，在转向和姿态的时候，更是难上加难。这种单缸的控制方法无法保证其精度，如果不能保证其同步，将会使管片受到的力不均匀，甚至造成管片的损伤。所谓的“双缸均匀分配”，就是把两个液压油缸串联成一个整体，然后将这个组合起来的双缸均匀地分布在整个盾构机中。从图6-2可知，两个液压油缸只需要一个液压系统就可以控制。与单一气液压油缸的分配方式相比，该方法使控制系统的复杂性得到了极大的简化，从而实现了对推进系统的同步控制。图6-2双缸均匀分布图从下图6-3可以看到，单缸间隔分布在某种程度上减小了液压油缸的数目，使控制系统变得简单，但是对管片的受力分布有一定的影响。因此，在单双缸间隔布置时，双缸组主要分布在两个管片的连接部位，从而使两个管片间的受力能达到平衡。图6-3单双缸间隔分布图三个液压油缸组合的均匀分配与两个液压油缸组合的均匀分配原则是一样的，分布方式见图6-4。三缸的均匀分配主要用于大型盾构机，因为大型盾构机中有很多液压缸，如果采用单、双缸分配方式的话，则需要大量的液压油缸，而且难以同时进行控制，所以三个液压油缸组合的均匀分配，或许是大型盾构机的液压油缸的分布方式，既能减少液压油缸的数量，也能达到控制的目的。图6-4三缸均匀分布图本论文涉及的盾构机为D=6.25m的土压平衡盾构机，属于中型盾构机，项目管片规格（外径/内径-宽度/分度）为Φ6000/5400-1500/36°，刚好满足双缸组主要分布在两片管片的接缝处，所以我们选择单双缸间隔分布的方式，两个液压缸是通过钢板连接的，这样有利于保证两液压缸的同步运行。采用这种分布方法，既能使控制系统简单，又能减轻施工难度，又能在一定程度上减少油缸数目，并能确保管片的受力均匀。6.1.2液压缸分区方式的选取分区模式的设计，目的在于使推进系统的运行模式更加简单，同时也减少了运行的困难。在盾构机的液压油缸分区设计中，分为三区、四区、五区和六区，分区越多，控制的精度就越高，推进系统的复杂性也就越大，运行起来也就越困难。在盾构机进行掘进过程中，盾构机刀盘所承受的阻力是左右对称的，并且是下大上小的情况。三分区布局方式如图6-5所示，如上图所示，三分区就是划分为三个分区，分别为上、左、右三个分区。该分区方法要求需要的管片数目较少，管片受力均匀，操作简便，易于完成转向，但其仰头和低头的运动却很难满足；图6-5三分区布局图四分区布局图如图6-6所示，四分区式设计是将盾构机的液压油缸按照不同的受力程度分为上下左右四个区域，左右对称，上下不对称，下部的液压油缸数量比上部的要多一些。采用这个分区法可以方便地控制盾构机，减少施工难度，并能满足施工需要。通过调节左右两侧分区的压力，即可完成左、右转弯；调节上、下两侧的分压，即可使盾构机的向上掘进和向下掘进。图6-6四分区布置图五分区和六分区设计出来的目的就是主要运用在大型盾构机上的，因为大型盾构机的液压缸数量一般都很多，管片拼装的时候每一圈所用管片数量也很多，分区太少的话管片的拼装会出现问题，管片拼装的效率低，精确度也难以得到保证。本设计由于一个管片分度只有36°，盾构机每前进一环需要管片共十片，在6.1.1中已经确定液压缸分布方式为单双缸间隔分布，很容易就能推算出需要30个液压缸，为了能更容易实现盾构机的左转右转和抬头低头动作，选择液压缸分区方式为四分区布置方式，最后推进系统的液压缸的布置如下图6-7所示。图6-7推进系统液压缸布置图6.2推进系统的液压系统设计盾构机是通过其推进装置提供动力来实现掘进、转弯、抬头和低头等作业。为了保证盾构机在工作中的稳定，必须保证推进力的均匀分配，而且为了保证盾构机的正常工作，推进系统还必须具备较大的推动力和扭矩。为此选择液压系统作为盾构机的驱动推进系统。采用液压系统作为盾构机的推进系统：一是可以节约设备的内部空间，便于其它设备的安装。二是可以使盾构机更加平稳地工作，液压系统还具有过载保护和缓冲的功能。三是可以对液压系统的压力、流量进行持续调整，从而达到无极调速。四是为了提高推进系统的精确性和使用寿命，液压系统中的介质是以液压油作为输送介质，同时液压油还具有润滑功能，因此液压元件不易磨损，确保了其精度和使用寿命。五是为了使推进系统的自动化，采用液压系统是最佳的方案，它可以利用多种液压元件来控制液压油液的方向、流量和系统的压力，然后利用电-液控技术来实现整个推进系统的自动化。6.2.1主要液压回路的设计传统的盾构液压推进系统虽然结构非常的巧妙，但是也存在很多瑕疵，例如：液压推进系统中的溢流阀和调速阀都是很普通的阀，没办法对液压推进系统的速度和压力进行一个精确的控制，这样就不能对这个系统进行无极调速，并且传统液压推进系统供油采用的是定量泵，这种供油方式没有考虑到溢流损失和节流损失，造成液压推进系统的能力损失严重，影响系统精度。针对传统的盾构液压推进系统在效率低、对推进速度及液压流量无法精确控制和液压缸快速运动无法精确控制这三方面不足，提出以下三个液压回路进行改进。（1）容积节流调速回路由于传统的液压回路是通过定量泵来实现供油的，因此，通过使用容积式节流回路，对传统的液压回路进行了改造，改造后的液压回路由可变量泵和调速阀构成，其特点是能够根据液压系统的要求，通过调整整个液压回路的流量，使回路的流量不会发生过多的溢流，而且能够使供油压力保持平稳，从而大大地提高了工作效率。（2）压力流量控制回路由于传统的液压推进系统中的溢流阀和调速阀都属于比较常见的阀门，无法准确地控制液压推进系统的速度和压力，因此，采用比例溢流阀来调节液压推进系统的压力，而采用比例调速阀来调节液压推进系统的流量，从而形成一个压力和流量的控制环。这种改进的好处是，能够实现对液压推进系统的流量、压力进行无极限调节，从而确保了控制的准确性，并确保了盾构机的顺利推进。（3）液压缸快速运动回路在采用管片拼装设备进行拼装时，为了确保拼装的效率，必须使液压油缸的活塞杆尽快缩回。因此，该液压油缸的快速运动回路就能达到这一目的，它的主要液压元件是插装阀，由于插装阀门能够提供一个大的流量通道，可以迅速的将液压油缸的活塞杆缩回，从而确保了管片的组装的效率，同时，它的构造也很简单，控制精度也很高，完全符合设计的需要。6.2.2液压推进系统的改进由于本设计的液压推进系统中的液压缸分布方式采用的四分区分布方式，液压缸总共有二十组，但每一组液压缸的工作原理都是基本相同的，所以以下我选择其中一组来进行分析，设计的液压推进系统的原理图如下图6-8所示。1、插装阀；2、二位三通阀；3、比例溢流阀；4、插装阀；5、二位三通阀；6、三位四通阀；7、液控单向阀；8、推进油缸；9、二位二通阀；10、过滤器；11、压力计；12、比例调速阀；13、溢流阀图6-8液压推进系统原理图在盾构机正常推进的过程中，变量泵将液压油输送给系统，之后液压油经过过滤器10，过滤器的作用是保证液压油的纯度，减少杂质对系统的磨损或者堵塞，然后液压油依次经过压力计11和比例调速阀12并到达三位四通阀6处，最终液压油从三位四通阀右位进入推进油缸的无杆腔内，从而推动盾构机的前进。在这个推进过程中，盾构机前进的速度由比例调速阀12决定，前进时的推进压力由比例溢流阀3决定。当盾构机推进结束后，管片拼装机开始运作，这时候推进油缸退回，液压油从变量泵出来，经过插装阀1直接到三位四通阀6处，液压油再从三位四通阀左位进入到推进油缸的有杆腔内，完成推进油缸的缩回，无杆腔内的液压油就通过插装阀4回到了油箱中，这个过程的系统压力由比例溢流阀3所决定，两个插装阀为液压油提供了快速通路，保证了推进油缸能快速的缩回以提高管片拼装效率。在这个液压推进系统原理图中，溢流阀13的作用也不可忽视，就是当推进油缸开始推进的一瞬间进油口就会有一个瞬间的高压力，此时溢流阀13的作用就体现出来了，溢流阀13开启，起到缓冲的作用，不仅如此它也可以起到过载保护的作用。而液控单向阀7的作用在于防止推进油缸在工作时意外缩回，它可以起到对推进油缸单向锁紧的作用。在考虑到推进油缸的检修问题，在液压推进系统中设计了一个二位二通阀9，它可以使液压油快速直接进入油箱，保证检修环境的安全。对于供油回路的设计选择柱塞式定压变量泵给推进系统供油，并且与比例调速阀12组成了一个容积节流调速回路，定压变量泵可以自动感知推进油缸所需要的流量，这使得液压推进系统基本没有溢流损失，效率也提高了，速度稳定性也相继提高。液压推进系统的供油回路如下图6-9所示。1、电机；2、插装阀；3、溢流阀；4、压力传感器；5、球阀；6、单向阀；7、比例溢流阀；8、二位三通阀（恒压阀）；9、变量活塞缸；10、恒压变量泵图6-9液压推进系统的供油回路该供油回路的恒压原理为：当液压系统的压力未达到调定压力时，二位三通阀8时不动作的，此时恒压变量泵10处于一直供油状态，变量活塞缸9的活塞处于最右侧。当液压系统的压力达到调定压力时，此时变量活塞缸9的变量活塞处于平衡位置。当液压系统的压力大于调定压力时，二位三通阀8的阀口变大，液压油进入到变量活塞缸9的无杆腔内，打破原来的平衡，活塞杆左移，随之带动恒压变量泵的斜盘左偏，输入液压油流量变小，液压系统的压力也随之变小；当液压系统的压力减小至调定压力以下时，二位三通阀8的阀口就会减小，进入变量活塞缸无杆腔内的液压油减小，活塞缸右移，随之带动恒压变量泵的斜盘右偏，输入液压油流量变大，液压系统压力增大，最终达成一个动态平衡，维持液压系统压力与调定压力保持一致。液压推进系统总图如下图6-10所示。图6-10液压推进系统总图6.3推进装置的计算校核及选型本设计的盾构机直径为6.28m，属于中型盾构机，液压缸设计为30个，推进压力参考第5章的计算结果取F=37000kN,工作最大压力取340bar，及p=35MPa，最大推进速度80mm/min，液压缸行程为2150mm。6.3.1推进油缸的计算与校核（1）液压缸主要零件材料的选择由于液压推进系统的工作压力最高能达到34MPa，为保证缸筒有足够的的强度和刚度，要能够持续维持最高压力工作状态，能保证缸筒的密封状态，能够承受住活塞侧向压力，最后选择了27SiMn无缝钢管作为缸筒的制作材料。活塞杆以及活塞杆头也需要足够的强度，选择材料为40Cr，并对其进行调质处理。导向套对活塞杆起一个导向和支撑作用，对此选择42CrMo锻造而成。（2）推进油缸尺寸计算①液压缸内径的计算液压缸的内径DaF=n∗p∗其中：n—液压缸数量，这里设计为30个液压缸；p—液压缸工作压力，取最大值34MPa；F—盾构机所需推进力，取最大值37000kN。计算可得：D取液压缸内径Da②活塞杆的直径计算活塞杆作为液压缸的一个关键性的零件，它承载着系统的拉力、扭矩和振动等工作，因此本身需要具备一定的强度与刚度，以确保液压缸的正常运作。通过查阅机械制造设计手册，对于普通单边活塞杆液压缸来说，液压缸的活塞杆直径d是根据往复运动速比φ来确定的，这里取φ=2作为计算要求；d=计算可得：d=156mm。取液压缸活塞杆的直径d=180mm。最终得到液压缸的基本参数：（Φ缸径/杆径/行程）Φ220/180/2150。③液压缸缸筒厚度计算液压缸壁厚δ的计算公式如下：δ=D其中：Da—液压缸内径；p—液压缸工作压力；[σ]—材料的许用应力，设计缸筒的制作材料选择的是27SiMn无缝钢管，无缝钢管的抗拉强度σb=1000MPa，再由公式[σ]=σs/n得，n为安全系数，一般取5，这样就可以计算得出材料的许用应力为带入前面的计算数据就可以得出液压缸壁厚：δ=最后取δ=30mm。④液压缸外径的计算液压缸的外径Db⑤最小导向长度计算当活塞杆全部外伸的时候，即达到最大行程的时候，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离成为最小导向长度h。h≥其中：l—活塞最大工作行程；Da经计算可得：h≥217.5mm。⑥活塞宽度计算活塞宽度b一般取（0.6-1.0）Da这里取活塞宽度b=0.6∗D⑦液压缸缸底厚度计算液压缸缸底厚度s计算公式如下：s=0.5∗其中：Dc—液压缸的缸底直径，这里为液压缸缸筒内径Dpmaxσs—液压缸缸底材料的许用应力；由于液压缸缸底材料也是选用的27SiMn无缝钢管，抗拉强度δb=1000MPa，σs=δ计算可得：s=36mm。考虑到液压缸缸底也要承受巨大的压力，最终取液压缸缸底厚度s=45mm。（2）推进油缸的校核推进油缸的缸筒材料为27SiMn无缝钢管，它的抗拉强度取δb=1000MPa，屈服强度取①推进油缸缸筒壁厚的校核以下壁厚的校核，安全系数[n]取为5，壁厚δ必须要满足：δ≥其中：Daσ—材料许用应力；pt—液压缸筒的试验压力，p为液压缸工作压力，当pt=1.5p，，当p>16MPa时，p将Da=220mm、p=34MPa、D符合设计要求：δ>液压缸壁厚安全系数的计算：n液压缸设计额定工作压力计算：p液压缸的发生塑性变形的临界压力计算：p液压缸发生炸裂时的临界压力计算：p从以上推进液压缸缸筒的壁厚的各种校核，选择缸筒壁厚δ=30mm可以达到推进油缸最大压力34MPa的需要。②液压缸活塞杆的校核活塞杆选择的材料为40Cr钢，但是对其进行了调质处理，使得它的抗拉强度δb达到685MPa，屈服强度δs达到490MPa，则材料许用压应力能达到σ活塞杆的理论推力F'F'活塞杆理论拉力F'':F活塞杆直径需要满足以下条件：d≥其中：F'—每个活塞杆受到的推力，F将σ=367.5Mpa、F=37000kN4显然d=180mm>93.2mm符合设计要求。活塞杆最大拉应力校核：δ=安全系数：N=危险截面应力校核：δ=安全系数：N=经以上计算的校核，活塞杆的强度满足设计要求。③活塞杆弯矩稳定性校核当液压缸的支撑长度LAF'FkEI=π其中：LA—工作时液压缸的最大支撑长度，这里取4300Fnηn—稳定性安全系数，一般取ηK—液压缸的导向系数，这里取K=1；E1a—活塞杆所用材料的组织缺陷系数，这里取a=1/12；b—液压缸的活塞杆截面的不均匀系数，这里取b=1/13;E—活塞杆材料的弹性模数；这里取E=2.10×10I—液压缸的活塞杆的横截面的惯性矩，m4带入数据计算可得：F取ηk=2，即F'④液压缸缸筒与导向套的螺纹连接处强度校核考虑到液压缸后期清理和维修工作的方便，想到了采用螺纹连接结构，方便拆卸，设计液压缸缸筒与导向套的连接为螺纹连接，螺纹型号选用的是M230×4,液压缸缸筒壁厚最薄为δ1δ=其中：F''计算得出其拉应力：δ=63.78MPa其安全系数也可以通过计算得出：N=其中：δs—液压缸缸筒选用材料的屈服强度。经过以上计算的校核，液压缸缸筒与导向套的螺纹连接处强度满足设计要求。⑤液压缸缸筒底部焊缝强度校核本设计液压缸缸筒与缸底是采用焊接形式融为一体的，焊接采用的是输入二氧化碳气体保护焊的方式，焊丝采用的是ER70-C型号的焊丝，它的抗拉强度可以达到δb=7δ=其中：Dc—液压缸缸底的外径，取280δ2—焊接时焊缝的最小直径，取268.9F''—计算得到焊缝受到的拉应力为：δ=81.4MPa安全系数校核：N=经过以上计算的校核，液压缸缸筒底部焊缝强度满足设计要求。6.3.2液压泵的计算与选型首先计算系统的流量，计算公式为：Q=v∗n∗A其中：n—液压缸个数v—推进速度A—液压缸内横截面积经过计算可得：Q=91.2L/min由于比例溢流阀选择的是最大流量为QyQ由于液压系统中还存在一些余量或者损失，最终取Q1=180L/min，根据泵的最大流量选择力士乐公司的A4VSO125DRG型恒压变量泵。其基本参数为：Vg=125cm3，转速6.3.3电动机的计算与选型电动机的作用是用来带动液压泵工作，首先计算其功率大小，计算如下：N1电动机功率：N其中：ηv—泵的容积效率，取0.9ηm—泵的机械效率，取0.9考虑到电动机转速要略大于泵的转速，选择德国的VEM、型号为K21R5MY4的电机，基本参数为：转速n=1480r/min，功率N=200kW。6.3.4比例调速阀的计算与选型本设计的推进系统中最主要的液压元件有两个：比例调速阀和比例溢流阀，分别控制推进系统中的速度和压力，实现盾构机的无级调速和调压。系统运行过程中，一个比例调速阀控制一组液压缸的动作。两液压缸同时动作时的流量大小为：Q=v∗n∗A=2∗80∗根据计算可知，比例调速阀设计最大流量为6.1L/min，最大工作压力340bar，最终选择哈威SHE型的型号为SEH2-3/22F-P-G24-KAL先导式比例调速阀，此阀采用直动式的二通结构，流量调节范围0.3~50L/min，工作压力350bar。这种比例调速阀能够在流量区间内进行无级变速，也就是能够无级变速地调整推进油缸活塞杆的推进速度。另外，这种比例调节阀还具有一个压力补偿器和一个先导式节流阀，它可以通过调节电磁体的电流来调节节流截面，然后利用一个压力补偿装置来补偿节流阀的压力损失，使节流口的压差保持稳定，从而使流量维持不变。这种阀门的特点是反应速度快，控制精度高。6.3.5比例溢流阀的计算与选型盾构机在推进运行过程中，通过调节各区域液压缸之间的压力，完成转弯、向上掘进向下掘进和姿态的调整，形成各区域之间的压差，从而达到盾构机的转向作用。通过比例溢流阀来调节推进系统各区域之间的压力，由此可见，比例溢流阀在推进系统中起到了很大的作用。。根据计算结果以及需要的工作压力，最终选择德国哈威型号为PMVP5-44/24的比例溢流阀，流量允许范围为16~60L/min，可控压力范围5~450bar。此比例溢流阀可对压力进行无级调整，耐高压，体积小，无泄漏，使用寿命长是它的优点。6.4推进油缸密封的设计传统推进油缸的密封形式很多都采用的是格莱圈，格莱圈由一个密封滑环和一个O型圈组成，在系统没有油压的时候，由于密封滑环处于O型圈上方，O型圈对密封滑块有一个向上的弹力，这就使得密封滑块能紧紧地与缸筒贴合，实现密封的要求；随着液压油的压力逐渐升高，密封滑环与液压缸缸筒贴合越紧密，密封的效果也越来越好。由于这个密封滑环与液压缸缸筒之间存在摩擦，但是O型圈能对其进行少量的补偿，保证液压缸内的密封要求。采用格莱圈作为推进油缸的密封形式的优点在于它的结构非常简单，密封性能随着系统压力的升高而提高。虽然有很多的优点，但是也存在很多严重的缺点，比如当推进油缸承受偏载力的时候，格莱圈会发生小幅度的偏移，这就会使得它的密封效果不佳，从而造成液压油的泄漏；还有就是由于密封滑环的材质问题，对液压油的干净度要求比较高，而总所周知盾构机的推进液压系统非常复杂，液压元器件又多，干净的液压油经过如此众多的元器件后，液压油肯定会受到污染，这样就会使密封滑块受到损坏，密封效果降低。格莱圈的结构和受力情况如图6-11所示。图6-11格莱圈的受力情况参考传统的格莱圈密封，本设计决定采用U型的密封圈，安装时成对安装，中间再用数道抗磨环将其隔开，最后在U型密封圈后面安装一个挡圈，挡圈的最外侧与液压缸缸筒紧密贴合。由于选用的U型密封圈大多为聚氨酯材料做成，使得U型密封圈具有良好的弹性与耐磨性，只需要靠自己的唇边就可以达到密封效果，密封性能和格莱圈差不多，可以随着液压油压力的升高而提高，就算工作过程中有磨损也能通过自身属性进行补偿，密封的效果也非常良好，最主要的是制作成本低，对推进液压缸内壁的表面摩擦度的要求很低，非常适合做推进油缸的密封装置。U型密封圈工作时的受力情况如图6-12所示。图6-12U型密封圈在液压油作用下的受力情况通过U型密封圈与格莱圈进行对比，U型密封圈的优点显著，密封效果大幅度提升。优点体现在：①U型密封圈在受到径向力的时候，虽然也会发生小幅度偏移，但是U型密封圈也能有不错的密封效果，而格莱圈达不到这个效果。②U型密封圈在高压和低压环境中都可以保证有不错的密封效果，但是格莱圈在低压环境中容易造成液压油泄漏。③U型密封圈对液压油干净度要求不高，这就降低了密封圈的磨损度，在延长了液压油缸的使用年限的同时，还节约了更换液压油缸密封圈的时间，极大地提高了工作效率。U型密封圈主要安装在活塞与活塞杆处，活塞杆上的U型密封圈前面加入一个防尘圈，目的在于阻止液压缸外面的污垢进入液压缸内部，也可以阻止液压缸内部的油膜被活塞杆往复运动带出液压缸。除此之外，在推进液压油缸的最前端，还需要考虑到的