盾构机液压系统及其热平衡计算.pdf

2恭 山 匝 冶 金 S H A N Ⅺ M l A I J IR G Y T otal 136 N o．2 ，2 0 12 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 2 0 2 - 0 0 1 1 - 0 2 盾构机液压系统及其热平衡计算★ 朱平 ， 王君 z 1 ． 贵州首黔资源开发有限公司， 贵州六盘水5 5 3 5 2 5 ； 2 ． 太原科技大学机电工程学院， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍了盾构机液压系统的组成部分以及各部分的重要职能， 并对某盾构机的热平衡进行了计算。 盾构机 是一种挖掘隧道的工程机械 ， 由于它可以在艰难的环境下安全工作而被广泛用于隧道挖掘、 地铁工程等。 是城市 建设的重要工具， 而液压系统是盾构机的主要驱动的方式， 液压系统的优劣直接影响着盾构机的工作性能。 关键词 盾柄机液压系统热平衡 中图分类号 T U6 2 1 文献标识码 B 收稿日期 2 0 1 2 0 2 0 3 盾构机是盾构挖掘机的简称，是盾构施工中的 主要施工机械， 主要用于挖掘隧道。 传统的隧道施工 方法是用人工或机械方法将土挖掘下来 ， 再装上矿 车外运， 紧接着对挖空的隧道进行支护[ 。 这种方法 当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到及时 支护 ， 隧道极易坍塌， 会造成大面积的地面塌陷， 而 盾构机是在地下掘进 ，可以有效地防止软基开挖面 崩塌和保持开挖面稳定， 在护盾内完成隧洞的挖掘、 出土、 隧道支护等工作 ， 这样可以最大限度地避免坍 塌和地面塌陷。与明挖柑比， 盾构机由于其安全可 靠、 机械化程度高、 工作环境好、 土方量少、 进度快、 施工成本低的特点而被广泛地用于水底交通隧道、 城市地下铁道、 供排水隧洞和电缆隧道等工程， 在一 些发达国家如 日本、 德 国， 盾构机技术得到了快速发 展。盾构机还具有一次成洞， 不受气候影响， 开挖时 可控制地面沉降，减小对地面建筑物的影响和在水 下开挖时不影响水面交通等特点， 在隧洞洞线较长、 埋深较大的情况下， 用盾构机施工更为经济合理。 目 前， 我国经济处于高速发展时期 ， 一些基础设施的修 建正在大量进行中，许多重大项目如在建和拟建的 多个城市的地铁工程 ，规划设计中的南水北调 中线 穿黄工程以及其他一些市政、 交通、 通信及水利项目 都要用盾构机进行施工。这必将促进盾构机技术在 我 国的快速发展 。 盾构掘进机传递功率大， 运动复杂， 要求控制精 ★基金项 目 9 7 3 计划前期研究专项 2 0 1 1 C B 6 1 2 2 0 4 ； 国家 自然基金项 目 5 1 1 0 5 2 6 4 ， 5 1 1 0 4 1 0 4 第一作者简介 朱平 1 9 6 8 一 ， 男， 于贵州首黔资源开发 有限公司从事设备管理工作 ， 工程师。T e l 1 3 4 6 6 8 5 0 7 7 1 ， E m a i l x i a o x i a n g z i_ w j s i n a ． e o m 度高， 安装空间小。 而液压系统的优点恰恰是体积小， 重量轻 ， 使用功率范围广， 操纵控制方便 ， 传动响应 快， 动态特性好等。由于这些优势就使液压系统成了 盾构机动力传递和控制的首选。 1 盾构机液压系统 盾构机 的液压系统可以分成六大主要部分 ， 分 别是主驱动液压系统、 推进油缸液压系统 、 管片拼装 液压系统、 螺旋输送机液压系统、 注浆切换装置液压 系统、 超挖刀液压系统。 1 ． 1 主驱动液压系统 主驱动机构是向刀盘提供旋转扭矩的机构， 由 电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和 6个斜轴式变 量柱塞马达构成闭式回路 ，液压泵提供压力油驱动 马达旋转， 液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转。 1 ． 2 推进油缸液压系统 推进机构顾名思义就是可以使盾构机在土层中 向前推进的机构 ， 是盾构机的关键部分 ， 主要靠 3 2个 安装在盾构机外壳内侧环形中梁上的液压缸来实现盾 构的向前推进。推进油缸有推进模式和管片拼装模式 两种漠式。推进油缸处于推进模式时，液压缸分四个 区， 分别由比例减压阀实现压力分区的控制， 以便实现 盾构机姿态调节和转弯， 当推进一个行程后， 推进模式 结束， 这时推进油缸保压， 以免压力作用将其缩回。进 入管片拼装模式后 ，对应拼装管片的3对油缸首先缩 回， 待拼装管片后， 3 对油缸伸出， 顶在管片上。 1 ． 3 管片拼装液压系统 管片拼装机构设置在盾构机的尾部，主要负责 把管片安装到刚刚挖好的隧道表面，使隧道一次成 型。管片拼装机要完成管片的抓取、 平衡、 微调、 旋 转、 提升、 平移等动作， 是盾构机的重要组成部分。 山西冶金 E ma i l y e j i n s x 1 2 6 ． c o rn 第 3 5 卷 1 ．4 螺旋输送机液压系统 螺旋输送机的功能就是把土仓内挖掘的土运 出， 经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备。 1 ． 5 注浆切换装置液压系统 注浆切换装置主要完成向掘削泥土中注入添加 材料， 以便改变泥土的流塑性、 抗渗性， 使其达到排土 机构的排放条件【 。 1 ． 6 超挖刀液压系统 盾构机一般有两把超挖刀 一用一备 ， 布置在 刀盘 的边缘上 ， 其伸 出和缩回量可以调节 ， 超挖刀液 压系统有独立的小油箱， 安装在盾体里。 2 盾构机液压系统的热平衡计算 盾构机的传动主要依靠液压系统。对于液压系 统， 介质温度将直接影响系统的正常工作， 如果液压 油温度升高， 将出现油液黏度降低， 润滑部位的油膜 被破坏 ， 油液泄漏增加 ， 密封材料加速老化 ， 油液饱 和蒸气压升高而引起气蚀等现象 ，这将直接导致液 压系统性能和可靠性的降低。因此对液压系统的热 平衡的控制效果将直接影响整个系统的性 引 。 油箱、管路和液压元件外表面系统的发热散失 到周围的大气中， 一部分被油液和液压元件所吸收， 使其温度升高， 最后达到某个平衡温度。但是， 盾构 机由于受其结构条件的限制， 油箱往往设计得较小， 因而散热面积小，单靠自然散热冷却不足以使油温 保持在 5 5℃以下， 因此应在液压系统中设置冷却器 对油液进行强制冷却 。 2 ．1 系统发热与散热的计算 液压系统的压力、容积和机械损失构成系统总 的能量损失 ， 这些能量损失转化为热量 ， 使系统油温 升高 ， 由此产生一系列不 良的影响。为此 ， 必须对系 统进行发热计算， 以便对系统温升加以控制。 以某盾构机液压系统为例，用恒压变量泵代替 恒功率泵计算其热平衡。 油箱容积为 6 0 0 0 L 。 设定循环泵 1 5 m i n循环一 次 大多比例伺服系统都要求 1 5 ～ 3 0 m i n 循环 】 ， 则循环泵的流量大概 为 4 0 0 Umi n ， 所选循环泵流量 为 4 5 0 L ／ra i n 。电机总的安装功率 P 3 1 5 k W， 则系 统的发热大约为电机功率的3 0 s -， 所以日发 3 0 ％ P9 4 ．5 k Wo通过冷却器的流量 Q 循 骡 4 5 0 L ／ ra i n 2 7 0 0 0 L ／ h o 进油温度 I5 0℃， 出油温度 ≤4 O℃； 进水 温度 ≤3 2 o C， 出水温度 13 7 o C。 散热量 H t t Q循 环 泵 C 0 ． 4 2 一 2 7 00 0 0． 90． 4 2 1 0 1 0 2 0 6 0 k c a l ／ h l 1 8 ． 6 7 k W 式 中 为循环功能效率。 显然日敢 发 ， 满足要求。 2 ．2 冷却器的选择 根据以上系统发热与散热的计算进一步计算选 择冷却器的型号。 2 ．2 ．1 水量计算 Q水H散／ 7 “3 一乃 2 0 4 1 2 L ／ h 3 4 0 ． 2 L ／ m i n 2 ．2 ．2 对数温度计算 二 2 1 o ．3 o C 厂 “ - i _ 二 2 ．2 ．3 热交换面积计算 A1 ． 3_ ； ； Ⅱ上≈ 1 8 ．4Ⅱ I 2 K 曩 f 。 t 式中 为散热系数 ， 取 7 0 0 。 选择热交换器 的热交换面积大于 l 8 ． 4 m 2 就可 以满足系统的散热要求。 因此选择板式冷却器 B R 0 ．2 1 2 0 ／ 1 ．6 2 1 。 所选热 交换器散热面积为 2 1 m 完全可以满足散热的需求。 3 结语 由于我国城市建设的快速发展，地铁工程在我 国兴起， 盾构机作为挖掘隧道的有利工具而被人们 所重视， 其液压系统的设计和改进更是成为目前的 热点。 由于盾构机在地下作业， 对它的维修检测都不 方便， 所以我们应该探索稳定性好的、 可靠的液压系 统，而液压传动的固有的特性很适合盾构掘进机动 力传递。 因此 ， 采用先进的液压传动及控制技术将是 盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向[ 引 。 参考文献 [ 1 ] 胡胜利， 乔世珊． 盾构机概论 [ J ] ． 建筑机械， 1 9 9 9 1 1 1 6 - 2 0 ． [ 2 ] 杨华勇， 龚国芳． 盾构掘进机及其液压技术的应用 [ J ] ． 液压气 动与密封， 2 0 0 4 1 2 7 2 9 ． [ 3 ] 唐文红 ， 游善兰．行走机械的液压冷却系统 [ J ] ． 工程机械， 2 0 0 1 6 3 6 - 3 7 ． [ 4 ] 张东辉， 张啸男． 液压系统的热衡计算与分析 [ J ] ． 一重技术， 2 o o 9 3 l 2 一 l 4 ． [ 5 ] 赵占宏． 1 2 0型掘进机液压油温冷却系统改造设计 [ J ] ． 煤 ， 2 0 1 0 2 4 9 5 8 ． [ 6 ] C l a u s B e c h e r , Wa y s s ， F r e y t a g ． Z i m m e r b e r g T u n n e l [ J ] ,T u n n e l s a n d T u n n e l i n g I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 3 1 1 0 3 1 3 4 ． 编辑 胡玉香 下转第 3 8页 3 8 山西冶盆 E m丑 i l v e i i n s x l 2 6．c o m 第 3 5 卷 时间 m 图 1 P 1 1和 P 2 2加温工艺曲线 裹2 1 0 支堋m m P 1 1 试验产品矫直前 的垂直度 1 门0 0 0 fi lm I Ⅱ Ⅲ Ⅳ V Ⅵ Ⅶ Ⅷ X Ⅺ l 2 3 2 6 2 7 2 5 2 2 2 1 2 9 2 4 3 0 3 1 l 火炉 6 5 02 0 ℃下保温 7 h ， 连铸坯 的开矫温度 为 6 5 0℃， 终矫温度为 6 0 0℃ 经过双方厂质检部门检测 ，矫直后 P 1 1 产品表 面平滑无裂纹 ， 垂直度平均在 3／ 1 0 0 0 m i l l， 无论是 机械性能还是高低倍金相检验， 完符合 J S 0 2 0 ／ D Y Z G ⋯ 5 4 0 1 2 0 0 8圆管坯技术标准。 1 0支 q 400 I r l H l P l l 试验产品矫直后的垂直度 见表 3 。 表3 1 0 支螂m m P 1 1 试验产品矫直后的 垂直度 1 ／ 1 0 0 0 m m I lⅡ IⅢ l iV V Ⅵ Ⅶ I Ⅷ I X lⅪ I 3 I 2 1 2 I 5 2 4 2 l 4 I 3 I 3 5 按此矫直工艺进行热矫直后的结果 2 0 0 9 年 1 1 月 6日， 将余下的 3 O 支 P 1 1 和 P 2 2 运到北方重工集团热处理厂 ， 一周后全部矫直完毕 ， 经过双方厂质检部 门现场检测和物理化检测 ，结果 显 示 和 试 验 产 品 一 样 ，完 全 达 到 J S 0 2 0 ／ D Y Z G 一 5 4 0 1 2 0 0 8 圆管坯技术标准，尤其是垂直 度达到 Y B 4 1 4 9 2 0 0 6 标准。 6 结语 当连铸坯垂直度不能达到标准要求时，完全可 以进行热矫 ， 但要根据不同材质 ， 制定不同的加热温 度曲线和保温时间，以防止连铸坯过烧或没有透 心部有黑心 ，造成连铸坯高低金相组织不合格， 或造成连铸坯热矫时产生表面裂纹及断裂现象。 编辑 胡玉香 D i s c u s s i o n o n t h e S t r a i g h t e n i n g P r o c e s s o f 鲥 o 0 mm C o n ti n u o u s C a s t i n g B i l l e t LI U Ba o d o ng ，W EN Bi ng we n H a n k i n g G r o u p S h e n y a n g T o y o S t e e l C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 0 2 6 ， C h i a n Ab s t r a c t B a s e d o n t h e p ri n c i p l e o f a r c c o n t i n u o u s c a s t i n g ，t h i s p a p e r c a l c u l a t e d t h e ma x i mu m c u r v a t u r e o f t h e r o u n d b i l l e t all o we d ． B y r e p e a t e d e x p e ri me n t s ， a u t h o r c o n c l u d e d 44 0 0 1 2 1 1 1 1 b i ll e t h o t s t r a i g h t e n i n g p r o c e s s ． ． Ke y wo r d s c ast i n g b i l l e t ，s t r a i g h t e n i n g ,c u r v a t u r e c r o o k e d n e s s ， v e r t i c ali t y 上接第 1 2页 Hy d r a u l i c S y s t e m o f t h e S h i e l d a n d i t s He a t B a l a n c e Ca l c u l a t i o n ZHU Pi n g ，W ANG J u n 2 1 ． G u i z h o u S h o u q i a n R e s o u r c e s D e v e l o p m e n t C o ． ， L t d ． ， L i u p a n s h u i 5 5 3 5 2 5 ， C h i n a ； 2 ． E l e c t r o - m e c h a n i c s E n e i n e e r i n g C o l l e g e ， S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f T a i y u an U n i v e r s i t y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p ass a g e i n t r o d u c e s t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s h i e l d a n d t h e i r f u n c ti o n s ， c h e c k s i t s h e a t b al anc e ． S h i e l d i s t h e c o n s t r u c ti o n m a c h i n e r y u s e d i n t u n n e l d i 【s gi n g ． F o r i t C an w o r k s a f e l y i n h a r d e n v i r o n me n t ，t h e s h i e l d i s p o p u l ar f o r t u n n e l d i g g i n g a n d me tr o e n g i n e e ri n g ．Hy d r a u l i c s y s t e m i s t h e ma i n d riv i n g wa y o f t h e s h i e l d ． S o i t S q u a l i t y a ff e c t s t h e s h i e l d S p e rf o r ma n c e s ． Ke y wo r ds s h i e l d ，h y d r a u l i c s y s t e m， h e a t b a l anc e 、 赠