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1、盾构机推进液压系统设计 摘 要：盾构掘进机是一种集机械、电气、液压、测量导向、限制、材料等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。盾构法施工以自动化程度高、施工速度快、平安牢靠、对周边环境影响小等优点，已广泛用于地铁、地下隧道、饮水工程等项目。推动系统是盾构机的关键系统，它主要担当着推动任务，同时能够实现姿态限制。文章简要介绍6.28m土压平衡盾构机的推力计算、推动油缸的规格参数和数量的确定、推动液压系统设计；推动油缸的限制等。 关键词：盾构机；推动；液压系统；TBM 推动系统是盾构机的关键系统，它主要担当着盾构机的推动任务，同时能够实现盾构机的转弯、曲线行进、姿态限
2、制、纠偏以及同步运动等功能。 推动液压系统主要包括推动泵、限制阀组、推动缸和管路附件等。1 以下就6.28m土压平衡盾构机推动液压系统设计做简要介绍：主要包括确定盾构的推力；推动油缸的规格参数和数量的计算；推动液压系统设计；推动油缸的限制等。 1 推力计算 盾构机在前进过程中主要克服以下几种力： 土压对刀盘作用力： 式中，F1为土压对刀盘作用力，kN；p为土压，bar；D为刀盘直径，m。 上方土体对盾体的力： 式中，F2为上方土体对盾体的力，kN；D为刀盘直径，m；L为盾体长度，m；de为土密度，kg/m3；MU为摩檫系数。 盾体摩檫力： 式中，F3为盾体摩檫力，kN；m为盾体重量，kg；g为
3、重力加速度；f为摩檫系数。 刀具产生力： 刀盘上共安装了60把刮刀、12把周边刮刀、撕裂刀26把。依据每把刮刀在软土中的推动力约为5.6 kN、每把撕裂刀的设计最大推力为250kN，计算刀具产生力： 式中，F4为刀具产生力，kN。 后配套牵引力： 式中，F5为后配套牵引力，kN；m1为后配套重量，kg；g为重力加速度；f为摩檫系数。 式中，F为推动力，kN。 EPB推力除克服以上阻力外，还应考虑盾构转向、上坡等因素，所以EPB推力为以上5种力计算之和再乘以平安系数。 F总=iF=1.136009.2=39610.12kN 式中，F总为推动总推力，kN；i为平安系数；F为推动力，kN。 综上所述
4、，EPB推力取整为40000kN。 2 推动油缸布置及数量 EPB推动时，推动力是作用在管片上，因此推动油缸的布置主要考虑管片的结构形式、分布方位、受力点布置、拼装管片便利性等因素。EPB推动油缸采纳圆周均布，可以保证管片受力平衡、Key块便利安装、油缸上下左右布置均对称。 推动缸数量取决于一环管片轴向穿螺栓孔数量。采纳5+1管片，轴向一圈螺栓孔数量为16个。该设备采纳16组油缸，共32个油缸。 3 推动油缸计算2 单缸推力： 式中，F为单缸推力，kN；F总为推动总推力，kN；n为油缸数量。 无杆腔直径： 式中，F为单缸推力，kN；p为工作压力，bar；D为无杆腔直径，mm。 圆整后按标准取2
5、20mm。 活塞杆直径：依据阅历公式 d=0.8D=0.8220=176 式中，D为无杆腔直径，mm；d为有杆腔直径，mm。 圆整后按标准取180mm。 活塞杆强度计算： 式中，为活塞杆许用应力，Mpa；F为单缸推力，kN；d为有杆腔直径，mm。 活塞杆强度满意要求。 综上：油缸尺寸？椎220180行程2101mm 4 活塞杆稳定性校核3 因为油缸总行程2101mm，而活塞杆直径为173mm，LB/d=2101/180=11.6710，须要进行稳定性校核。 活塞杆弯曲失稳临界力： 式中，FK为活塞杆弯曲失稳临界力，kN；E1为材料的弹性模数，Mpa；J为活塞杆横截面惯性矩，m4；K为液压缸安装
6、及导向系数；LB为极限长度，m。 式中，F力为活塞杆弯曲时能承受最大力，kN；FK为活塞杆弯曲失稳临界力，kN；nk为平安系数。 油缸实际推力： 式中，F实为单缸实际最大推力，kN；D为活塞杆直径，mm；p为最大工作压力，bar。 所以稳定性满意要求。 5 流量计算 无杆腔面积： 式中，A1为无杆腔面积，m2；D为无杆腔直径，mm。 有杆腔面积： 式中，A2为无杆腔面积，m2；D为无杆腔直径，mm；d为有杆腔直径，mm。 A 推动模式 推动速度80 mm/min时，须要流量： 式中，q1为推动泵供流量，L/min；n为推动模式工作油缸数量；v1为推动速度，A1为无杆腔面积，m2。 B 拼装模式
7、 伸出须要流量： 式中，q2为推动泵供流量，L/min；n1为拼装模式工作油缸数量；v2为推动速度，A1为无杆腔面积，m2。 缩回须要流量： 式中，q3为推动泵供流量，L/min；n1为拼装模式工作油缸数量；v3为推动速度，A2为有杆腔面积，m2。 6 推动系统液压原理图设计 6.1 液压泵设计 通过计算可知，该系统在拼装模式时须要的流量很大，压力较低；而推动模式时须要的压力很高，流量较低。因此从提高系统效率、节约能源的角度考虑，考虑采纳双泵供油回路来实现。又考虑到拼装模式伸出、缩回须要流量以及推动伸出须要流量都相差较大，故采纳三联泵的形式来实现，如下图1所示： 推动油缸在工作过程中有两种模式
8、，一种是掘进模式，另一种是管片拼装模式。4 掘进模式用比例变量泵1来供油：通过给比例阀4电磁铁赋值大小来限制斜盘摆角，从而实现流量限制；此时，定量泵2和3采纳空载启动回路，流量干脆通过先导溢流阀11和12流回油箱。 管片拼装模式油缸伸出须要流量是由变量泵1、两个定量泵2和3来实现；油缸缩回须要流量是由变量泵1和定量泵2来实现。 泵出口处安装了单向阀13、14、15，可防止当系统检修或泵停止工作时油液倒流；同时14和15还能保证推动模式高压油倒流到定量泵中。 该液压系统采纳2级调压。在推动过程中，主要是由电磁阀5的b得电，溢流阀7设定压力350bar来保证推动压力。在管片拼装过程中，主要是由电磁
9、阀5的a得电，溢流阀6设定压力101bar来实现压力限制。 6.2 油缸分组限制设计 由于地层改变频繁、软硬交织，盾构机常常通过掌子面软硬不均地层，造成刀盘受力不均，从而使盾构姿态产生偏转、抬头、低头的现象，导致盾构的掘进轴线与隧道设计轴线发生偏离。为了订正盾构姿态，将32个推动油缸共16组，分成上3组、下5组、左4组、右4组共4区，每个分区都有一只油缸配置位移传感器5，并可以单独调整每组推动油缸的推动力和推动行程，这样就可以实现盾构左转、右转、抬头、低头或直行。采纳激光导向系统对盾构的姿态进行监控，操作者依据反馈信息调整每组推动油缸的压力，刚好地调整盾构的姿态，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽
10、量拟合隧道设计轴线。 在独立分组中，采纳节流限制方式，通过比例溢流阀和比例调速阀来实现压力和流量的复合限制，提高系统的限制精度和动态响应，其分组限制原理图如图2所示。 掘进模式，压力油从进油口P进油，经过比例调速阀1后，再经过三位四通电磁阀6，然后压力油经过单向阀8后进入推动油缸无杆腔，压力传感器12将检测到的压力信号传递给PLC，最终反馈给比例溢流阀2，依据负载大小自动调整比例溢流阀的值，以保证推动缸输出力；推动速度大小的限制，则由油缸内置位移传感器检测到的信号传递给PLC，最终反馈到比例调速阀1，从而调整调速阀1开口度大小来实现。形成两个互锁的闭环限制，保证推动系统限制精度。推动缸有杆腔的
11、油液干脆通过三位四通电磁阀6流回油箱。另外，当遇到硬岩或者特别条件时，负载瞬间加大，为了爱护系统平安，特添加溢流阀11保证推动模式系统的平安。 管片拼装模式，先是两位两通电磁阀7得电，把无杆腔高压油卸荷。压力油经过进油口P进油，经过插装阀3，再经过三位四通电磁阀6进入油缸有杆腔；无杆腔的油液经过插装阀9，干脆回油箱。 当一片管片拼装完毕后，须要推动缸伸出顶紧该管片。此时压力油经过进油口P进油，经过插装阀3，再经过三位四通电磁阀6，然后通过单向阀8后进入油缸无杆腔；同时有杆腔的油液经过三位四通电磁阀6后干脆流回油箱。 7 结束语 通过对6.28m的TBM推动液压系统的设计，对确定推动油缸参数和流
12、量计算形成了一套成熟的计算方法，并深化了解TBM的推动系统的结构及其设计思想，这些成果对于以后盾构的开发、改造及施工选型起到主动的作用。 参考文献 1张成，徐莉萍，任德志，等.双护盾推动液压系统设计与探讨J.机床与液压，2022， 38：44-46. 2周德繁，张德生.液压与气压传动M.哈尔滨：哈尔滨工业高校出版社，2022. 3李壮云.液压气动与液力工程手册：上册M.北京：电子工业出版社，2022.2：375-379. 4王国义.盾构推动系统及故障解除J.山西建筑，2022，26：338-340. 5刘福东，郭京波.土压平衡盾构机推动液压系统设计分析J.隧道建设，2022. 作者简介：畅海潮，高校本科，北方重工集团有限公司盾构机分公司，助理工程师。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页