液压推进系统在土压盾构机上的应用分析.pdf

第 1期 总第 1 8 8期 2 0 1 5年 O 2月 机 械工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMATI ON No．1 Fe b ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 1 0 0 9 5 0 3 液压推进 系统在土压 盾构机上的应用分析米 廖雪梅 首钢 工学院 ，北京 1 0 0 1 4 4 摘 要 主要介绍土压 平衡盾构机液压 系统的组成和工作 原理 ，以及液压推进 系统在 盾构机上 的应用 ，详细介 绍 了盾构机上液压推进 系统 中推进 油缸的选型和推力 的计算 。 关键词 液压推进 系统；土压 平衡盾构 ；应 用分析 中图分类号 T U6 2 1 TH1 3 7 文献标 识码 A 0 弓 I 言 随着城市化进程的加快以及城市地下空间的进一 步利用 ， 我国开始大规模地引进、 应用 国际先进的盾构 施 工 技术 和设 备 。 盾构是一种集机 、 电、 液 、 气 、 光等技术为一体的大 型隧 道施 工工 程 机械 。盾 构 机 的液 压 系 统 主要 分 为 8 个液压单元系统 ， 其 中液压推进系统在盾 构正常工作 中占有重要的地位。本文 主要介绍盾构机液压系统的 工作原理和液压推进系统 的原理与应用 。 1 盾构 机 液压 系统 的 工作 原理 液压 泵站 在 电机 的驱 动 下 向各 液压 系统 提供 一定 压 力 的动 力液 压 油 ， 在 各 液压 阀件 的控制 下 ， 通过 动力 液 压 油 的作用 ， 完 成 油 缸 的 伸 缩 或 者 液压 马 达 的驱 动 和制动 ， 从而完成盾构机的刀盘旋转、 盾构 的前进 、 管 片的拼装和管片移运等工作 。 盾构 液压 系 统 的原理 框 图如 图 1所示 。 图 1盾 构 液 压 系 统 原 理 框 图 2液 压推 进 系统 在 土压 盾构 机上 的 应用 分析 2 ． I推进 及铰 接 系统 盾构机的前进动力来 自推进液压系统中推进油缸 的工作 ， 推进油缸是推进系统 中的最终执行部件。在 推进 系统中， 系统的工作顺序为 首先启动液压泵站的 电机， 带动液压泵工作 ， 液压泵泵送 出动力液压油 ， 动 力液压油经管路传输到推进油缸的控制阀组 ， 液压油 在 阀组 的控 制 下进 入 推 进 油 缸 的 有 杆 腔或 无 杆 腔 ， 从 而 实现 油 缸 的伸缩 ； 在 油缸 收缩 时 ， 液压 油 同样 需要 通 过 控制 阀组 的控制 经控 制 阀组 和管 路 流 回安 装 在二 号 拖车上的油箱 。 推进系统 的液 压油供 给泵位于盾 构机二号拖 车 上 ， 在一个 7 5 k W 的电机带动下工作 ； 控 制阀组位于 盾构机 的中体内， 每组油缸都对应有相应的控制 阀， 每 组油缸在控制阀的控制下都可以单独工作。 2 ． 2 注浆 系统及 管片移 运 系统 注浆 系统 主要 由 4个 柱塞 泵完 成泵 送 出砂 浆 的工 作 ， 过滤后的液压油经两个节流分流阀分流 ， 在液压阀 件 的控 制 下液 压 油进 入 油 缸 形 成 进 油 和 回 油 回路 ， 促 使油缸完成伸缩 动作 。在管片移运系统 回路中， 油液 经过单 向阀、 溢流阀和调速阀后流入油缸 ， 其 中单 向阀 对 油液 的流 向进 行 控制 ， 确 保单 方 向形 成 回路 ， 有效 预 防油缸 非 正常 回缩 ； 溢 流 阀在 油压过 大 时溢 流减 压 ； 调 速阀对油液的流速进行控制。 2 ． 3 刀盘 驱 动 系统及 超挖 刀液压 系统 在 刀盘 驱动 系 统 中 ， 首 先 启 动 补 油 泵 和 液 压泵 工 作 ， 将泵送 出的液压 油经过滤器 过滤后 ， 输送至液 压 泵 ， 液压泵泵送 出的动力液压油经管路传输到驱动液 压 马 达 ， 在 8个 驱 动 马 达 中 ， 2号 马 达 带有 制 动装 置 ， 由控制 油路 供 给 的液压 油经 过 蓄能 器后 与 2号 马达 相 连 ， 当马达制 动 时 ， 蓄能 器 的液压 油 对 马达进 行制 动缓 冲 ， 降低制动过程中产生 的冲击 。 在超挖刀液压系统 中， 液压原理与上述类似 ， 不同 的是 电机采 用 7 ． 5 k w 电机 ， 执 行 机 构采 用 5 0 mm 的 北京高校青年英才计 划项 目 YE T P1 8 2 7 收稿 日期 ；2 0 1 4 0 4 2 4 ；修订 日期 2 0 1 4 0 9 2 8 作 者简介 廖雪梅 1 9 8 2 ～ ，女 ，福建泉州人 ，讲 师，硕士，主要研究方向 机电一体化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年第 1期 油 缸 。 2 ． 4控 制 油路 液压 系统及 螺旋 输送机 液 压 系统 控制油路主要用来控制螺旋输送机液压泵站的液 控换 向阀， 通过油路与蓄能器相连来缓 冲刀盘驱动马 达制动时产生的冲击 ， 油路 中布置有电磁阀和溢流阀， 当 油路 油压 过大 时 ， 进 行 溢 流 泄压 ； 另 外 通 过 手 动 阀 、 溢流阀对驱动马达油路油压过大时进行溢流减压 。 系统 回路的泵站控制 阀与控制油路连接 ， 在启动 泵站 工作 前 首先应 启 动 控 制 油 路 开 始 工作 ， 然 后 启 动 系统供油泵站工作泵送 出高压液压油 ， 油液经管路传 输至螺旋机驱动马达 ， 与驱动马达连接的还有补油泵 ， 当驱动马达工作油压不足时 ， 补油泵输出油液进行 油 液补充 ， 以确保马达的正常工作 。 所有的电气控制部分都在主控室完成 ， 操作伸缩 按钮接通电磁阀工作， 从而使油路畅通 ， 完成各油缸的 伸 缩 。 3 土 压 平衡盾 构机 液压 推进 系统的设 计 盾 构机 液压 推进 系 统 的设 计 主 要 包 括 确 定 盾 构 的推力 ； 确 定推 进油 缸 的规 格 参 数 、 外 形 尺 寸 和 数 量 ； 确 定推 进油 缸 的布 置 方 式 ； 确 定 推 进 油 缸 的控 制 。液 压 推进 系统 原理 图见 图 2 。 图 2 液压推进 系统 原理图 3 ． 1 盾 构推 力计 算 盾构 向前 行进 时 ， 盾 构 千 斤 顶 应 有 足 够 的 推 力 克 服盾 构推 进 时所遇 到 的阻 力 。这些 推进 阻力 主要 有 1 盾 构 四周 与地层 间 的摩擦 阻 力或 粘结 力 F F1 一 l n DLM p G1 ． 其中 为钢与土的摩擦因数 ， 取 0 ． 3 ； D 为盾构机外 径； L M为盾构本体长度 ； P 为作用在盾构上的平均土 压 力 ； G 为盾 构 重量 。 2 盾 构刀 具切 人 土层 产生 的贯 人 阻力 F F2 一 u t KP P ． 其 中 U为 开 挖 面周 长 ； t 为 刀具 刃 口贯 入 深度 ； K 为 被动土压力系数， K 一t a n 4 5 。 罟 ， 为刀具与土 厶 体 的切 人角 。 3 开挖面正 面作 用在切 削刀盘上 的推进 阻力 F3 F3 一n D P， ／ 4 ． 其 中 P ，为开挖面正面阻力 支护千斤顶反力 ， 作用在 盾构 隔板 上 的土 压力 和泥 浆压 力 等 。 4 在盾尾处盾尾板与衬砌间的摩擦阻力 F F4一 2 7 c D． 其 中 为 管 片 与 盾 尾 钢 丝 刷 的 线 摩 擦 阻 力 ， 取 1 O k N／ m。 5 盾 构后 面 台车 的牵 引 阻力 F 一 3 G3． 其 中 。为 车轮 与 钢 轨 间 的摩 擦 因数 ， 取 0 ． 1 5 ； G。 为 盾 构后 面 台车重 量 如隧洞 有纵 坡 时 ， 还 应考 虑纵 坡 的 影 响 。 在使用时 ， 须考虑各种盾构机械的具体情况 ， 并留 出一定 的裕 量 ， 则 盾 构千斤 顶 的总 推力 F F 一 1 ． 5 F． 其 中 F为推进阻力总和， FF F F。 F F 。 3 ． 2 推 进 油缸 的选 型和 配置 盾构在土层 中掘进 ， 主要是靠安装在支承环内的 推 进机 构完 成 的 。推 进机 构 主要 由液压 油缸 千 斤顶 和 相关 液压 设备 构 成 ， 以衬 砌 管 片 为 支 承座 。 由于 盾 构 内部 空 间狭 窄 ， 安 装 条 件 恶 劣 以及 盾 构 工 作 情 况 和 其 他机 械不 同 ， 要求 液 压 油 缸体 积小 、 质量 轻 、 结 构 简 单 、 同步性 能好 ， 便 于安装 和 布置 ， 有必 要 的防护 装 置 ， 避 免灰 尘 、 泥水 、 砂浆 混入 油 内或 千斤顶 内 。 推 进油 缸 沿 圆周 对称 均 匀 分 布 ， 根 据 盾 构 设 备 在 掘进中推力 的需要和管片拼装 的要求进行布置 。每个 油 缸 的推力 和 数量应 根 据盾 构外 径 、 总推力 、 管 片结 构 和隧道路线等因素确定 。一般情况下推进油缸可以分 为 4组 ， 4个缸组 同时动作 ， 且推进油缸轴线平行于盾 构 轴 线 ， 盾 构直 线前 进 。如果 按 照规定 分别 动作 ， 就 可 获得盾构的调 向动作。各液压油缸内的液压油压能够 在 0 ～ 1 0 0 的系 统压力 范 围变 化 ， 最 大 安全 压 力 为 3 4 MP a 。特殊 设 计 的液 压 油 缸 油 缸 杆 缩 回速 度 比伸 出速 度快 ， 使 油缸 杆能 快速 收 回 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1期 机 械 工 程 与 自 动 化 9 7 推进缸的个数 由下式计算 F 一 ‘ P X 4 其 中 P为液 压 系统 压强 。 推进油缸的长度是根据盾构壳体 的长度 、 千斤顶 伸长量以及其他配套结构设计等参数来确定 的。推进 油 缸 的长度 为 LL1 L。 L2 L3 ． 其 中 L 为推 进油 缸 行 程 ； L 为 缸底 尺 寸 和导 向套 尺 寸 ； L 。 为油缸固定端安装尺寸 ； L 。为油缸铰接端安装 尺 寸 。 推进 油缸 的伸 出长 度 为 管 片 宽 度 、 封 顶 块 的搭 接 长 度 一般 为 管 片宽 度 的 2 ／ 3 、 推进 油 缸 千 斤 顶 预 留 长 度 之和 。 海瑞克盾构机的液压千斤顶为 3 0个油缸 ， 其布置 方式为单双油缸 间隔布置。单双油缸按每 隔 1 8 。 间隔 布置 ， 在封顶块位于正上方时， 油缸的推力 中心线与管 片中心基本重合。封顶块偏离正上方 3 6 。 和 7 2 。 时 ， 推 进油缸与管片能够相适应 ， 因此这种油缸布置方案 可 行 。 4结束语 本文讨论 了盾构机液压系统 的工作原理 以及液压 推进系统在盾构机上的应用 ， 液压系统作为盾构 系统 的动力源 ， 其运转正常与否对盾构推进施工影响极大。 参考文献 [ 1 ] 侯会喜 ． 液压 与气 动技术 [ M] ． 北 京 北京 理工 大学 出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 杨杨 ， 龚国芳 ， 胡 国 良， 等． 模拟盾 构机推 进液压 系统 泵站 集 成设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 4 1 1 8 - 1 2 0 ． Ap pl i c a t i o n o f Hy d r a u l i c Thr u s t S y s t e m i n Ea r t h Pr e s s u r e Ba l a nc e S hi e l d M a c hi ne LI A0 Xu e - me i S h o u g a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 4 4 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r m a i n l y i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i n t h e e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e s h i e l d ma c h i fi e ，a n d t h e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m i n t h e s h i e l d ma c h i n e ．Th e h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m i s s t u d i e d i n d e t a i l i n t h e o i l c y l i n d e r a n d t h r u s t c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m ；e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e s h i e l d；a p p l i c a t i o n a n a l y s i s 上 接第 9 4页 参考文献 [ 1 ] 罗刚． 我 国油 气管 道 总长 度 已达 9 ． 3万千 米 I- J - 1 ． 焊管 ， 2 O 1 2， 3 5 7 8 ． [ 2 ] S a f i z a d e h M S ，A z i z z a d e h T ． C o r r o s i o n d e t e c t i o n o f i n t e r n a l p i p e l i n e u s i n g ND T o p t i c a l i n s p e c t i o n s y s t e m[ J ． NDT E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 2， 5 2 1 4 4 1 4 8 ． [ 3 ] 孙忠诚 ， 崔建 民． 一种 管道 焊缝 射线 全位 置检 测装 置 中 国 ， C N2 0 1 5 8 3 5 1 0 U[ P ] ． 2 0 1 0 0 9 1 5 ． E 4 ] 牛振 宇 ， 赵武 ， 张 永 备． 管 道 腐 蚀 检 测装 置 的创 新 设 计 [ J ] ． 机械制造 ， 2 0 1 3 ， 5 1 4 6 4 6 6 ． I s ] 李 彦 ， 李 文 强． 创 新 设 计方 法 [ M] ． 北 京 科 学 出版 社 ， 2O1 3 ． I- 6 ] Al t s h u l l e r G S ．Al g o r i t h m o f i n v e n t i o n [ M] ．Mo s c o w M o s c o ws k i y Ra b o c h y， 1 9 7 3 ． [ 7 ] 檀 润华． T RI Z及应 用 技术创 新 过程 与方法 I- M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 1 0 ． I n n o v a t i o n De s i g n o f Co r r o s i o n De t e c t i o n De v i c e f o r I n 。 。 s e r v i c e Pi p e l i ne b y TRI Z S HANG W a n，ZHAO W u，Z ENG J i e ，LI Xi a o - l o n g S c h o o l o f Ma nu f a c t u r i n g S c i e n c e En g i n e e r i n g，S i c hu a n Un i v e r s i t y，Ch e n g du 61 0 06 5 ，Chi n a Ab s t r a c t Di r e c t e d a g a i n s t t h e p r o b l e m s o f p o o r r e l i a b i l i t y，l o w d e t e c t i o n e f f i c i e n c y a n d p o o r a d a p t a b i l i t y e x i s t e d i n t h e c o r r o s i o n d e t e c t i o n d e v i c e f o r i n - s e r v i c e p i p e l i n e ，a n i mp r o v e d d e s i g n wa s c a r r i e d o u t o n t h e c o r r o s i o n d e t e c t i o n d e v i c e f o r i n s e r v i c e p i p e l i n e ． TRI Z wa s u s e d t O a n a l y z e t h e p r o b l e ms o f c o r r o s i o n d e t e c t i o n d e v i c e f o r i n - s e r v i c e p i p e l i n e ，a n d r e l a t e d t o o l s o f TRI Z we r e u s e d t o s o l v e p r o b l e ms ．Th e f i n a l d e s i g n i s a n e w t y p e o f c o r r o s i o n d e t e c t i o n d e v i c e f o r i n - s e r v i c e p i p e l i n e ． Th e d e t e c t i o n d e v i c e u s e s 8 p o s i t i o n i n g d r i v e s t r u c t u r e a n d a d j u s t a b l e s l i d e r me c h a n i s m t o a c h i e v e e f f i c i e n t a n d r e l i a b l e d e t e c t i o n f o r a s e r i e s o f i n s e r v i c e p i p e l i n e ． The de t e c t i on de v i c e m e e t s t he a c t ua 1 de t e c t i on r e qu i r e me nt s ． Ke y wo r d s p i p e l i n e c o r r o s i o n d e t e c t i o n；i n n o v a t i v e d e s i g n；TRI Z 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m