双护盾推进液压系统的设计与研究.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI C S Au g ．2 01 0 Vo l I 3 8 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 1 6 双护盾推进液压系统的设计与研究 张成 ，徐莉萍 ，任德志 ，侯 昆洲 河南科技大学机电工程学院，河南洛阳4 7 1 0 0 3 摘要推进系统是盾构掘进机的一个关键部分，承担着整个盾构机械掘进的关键性任务，其工作特性直接关系到盾构 工程施工的正确性、可靠性和安全性。参考单护盾推进液压系统原理图，并根据双护盾推进液压系统特点，设计了双护盾 推进液压系统，并分析和研究了其工作原理及其特点。 关键词 双护盾 ；推进液压 系统 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 t 0 1 6一 O 4 4 2 De s i g n a n d S t ud y o f Thr us t Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Do u bl e Sh i e l d Tu nn e l e r ZHANG Ch e n g， XU Li p i n g， REN De z h i ， HOU Ku n z h o u S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3．C h i n a Ab s t r a c t T h r u s t s y s t e m i s a k e y p a r t o f s h i e l d t u n n e l i n g ma c h i n e ，w h i c h c a r r i e s t h e k e y t a s k s o f s h i e l d t u n n e l i n g ．T h e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s d i r e c t l y r e l a t e t o t h e c o r r e c t n e s s ，r e l i a b i l i t y a n d s e c u ri t y o f t h e e n g i n e e ri n g c o n s t r u c t i o n ．T h e d o u b l e s h i e l d s t h r u s t h y d r a u l i c s y s t e m W a S d e s i g n e d b a s e d 0 n s i n g l e s h i e l d t h r u s t h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e s h i e l d t h r u s t h y d r a u l i c s y s - t e rn．T h e w o r k i n g p ri n c i p l e a n d f e a t u r e o f d o u b l e s h i e l d s t h r u s t h y d r a u l i c s y s t e m we r e a n a l y z e d ． Ke y wo r d s Do u b l e s h i e l d t u n n e l e r ；T h r u s t h y d r a u l i c s y s t e m 盾构掘进机是一种隧道工程专用 的大型高科技综 合施 工设备 ，它集 电气 、液压 、测量导向、控制 、材 料等多学科技术于一体，具有开挖切削土体、输送土 碴、拼装隧道衬砌 、测量导 向纠偏等功能 。采用盾构 掘进机 ，施工速度快 ，自动化程度高 ，一次成型 ，有 利于环境保护和降低 劳动强度 。而且盾构掘进机适用 范围广 ，从软土 、淤 泥到 硬 岩都 可应 用 ，施工 质量 高，可控制地面沉降，开挖时不影响地面上建筑和交 通，与传统的隧道工程相比，具有明显的优势。 隧道掘进机 T B M根据支护形式分 为开敞式 、 单护盾式 、双护盾式 3种类型 。开 敞式 T B M 常用 于 硬岩施工 ；单护盾 T B M 常用 于软岩及地 下水位较 高 的不稳定地层施工；双护盾 T B M又称伸缩护盾式 T B M，具有两种掘进模式 ，适用于混合地层施 工 ，既 可用于硬岩 ，又可用于软岩 ，其地质适应性非常强。 双护盾式 T B M 同样具 有全 圆护盾 ，使其在 采取 必要措施的情况下 ，能安全穿越软土、砂土地层 ，甚 至于断层破碎带。同时因其是双护盾构造，在较坚硬 的围岩中掘进时前护盾与刀盘一同向前推进 ，后护盾 用两边 的撑靴撑 紧在 岩石上 ，为 刀盘推 进提供 顶推 力 ，这样使掘进与安装管片可以同时进 行 ，加快了施 工速度。伸缩护盾形式是双护盾 T B M所独有的技术， 是实现软硬岩作业两种工作模式转换的关键 。 推进液压系统作为盾构掘进机的一个关键部分， 它的协调动作可以使其保持合适的姿态，是盾构掘进 机能够沿着设计路线准确向前推进的关键。作者根据 单护盾 推进液压系统原理 图，进行 了双护盾推进液压 系统的综合设计 ，并进一步对其工作原理分析和研 究 。对我国双护盾掘进机推进液压系统的综合设计和 研究 ，具有 一定的参考价值。 1 双护盾推进液压系统的设计 盾构推进系统由主驱动泵、液压控制阀、推进液 压缸及液压管路等组成 。双护盾推进液压系统可分为 两大部分 ，即主推进 液压系统 和辅助推进 液压系统。 两推进液压系统工作模式有双护盾工作模式 和单护盾 工作模式。在 围岩稳定性较好 的地层中掘进时 ，位于 后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘掘进提供反力， 在主推进油缸 的作用下 使 T B M 向前推 进。此 时 T B M 作业循环为 掘进与安装管片一撑靴收回换步一再支 撑一 再掘进与安装管片。双护盾掘进模式适用于稳定 性较好 的硬岩地层施工 ，在此模式下 ，掘进与安装管 片同时进行 ，施工速度快。单护盾掘进模式适应于不 稳定及不 良地质地段 。在软弱 围岩地层中掘进时 ，洞 壁不能提供足够 的支撑反力。这时 ，不再使用支撑靴 收稿 日期2 0 0 9 0 7 0 6 作者简介张成 1 9 8 5 ～ ，男 ，硕士研究生 ，主要研 究方 向为液压 系统 、电液 比例 控制 。电话 1 3 9 4 9 2 1 9 4 4 3 ，Em a i l z h a n g c h e n g 8 6 5 1 63 ．e o m。 第 1 6期 张成 等双护盾推进液压系统的设计与研究 4 5 与主 推 进 系 统 ，伸 缩 护 盾 处 于 收 缩 位 置 ，双 护 盾 T B M就相 当于 一 台简单 的盾 构 。刀 盘 的推 力 由辅助 推进油缸支 撑在 管 片上 提供 ，T B M 掘进 与管 片 安装 不能 同步 。作业循环为 掘进一辅助油缸 回收一安装 管片一再掘进 。盾构推进过程 中，由于土层土质条件 的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用 ，为 了保证隧道轴线与设计曲线的一致性和严格控制推进 过程 中地表的沉降 ，需要通过调节推进速度和推进压 力使开挖面保持稳定 。 针对 以上双护盾推进系统的特点和性能要求 ，参 考单护盾推进液压系统原理图，作者设计出双护盾推 进液压工作 系统原理图 ，由于系统较复杂 ，又因主推 进液压系统各个分组的控制模块都相 同，辅助推进液 压系统各个分组控制模块也基本相同，均由比例溢流 阀 、比例调 速阀 、电磁换 向阀 、辅助 阀及相关 检测元 件等组成。为便于分析 ，将该液压系统图分为油源和 分组控制简 图两部分 。 l 一 油箱 2 一滤 油 器 3 一 电机 4 一 联 轴器 5 一 变 量 泵 6 _ -溢流 阀 7 一 减压 阀 8 _ _比例减 压 阀 比例 溢流 阀 图 l 双护盾液压推进系统油源部分原理图 T l o _ 一 减压 阀 1 l 一 两 位 两通 电磁 换 向阀 1 2 一 三位 四通 电磁 换 向阀 l 3 一 液控 单 向阀 1 4 一 平衡 阀 1 5 一 液压 缸 1 6 一 位移 传 感器 l 7 一压 力 传感 器 l 8 一 单 向阀 l 9 - _ 比例 溢 流阀 2 o _ _ 调速 阀 2 l 一 减 压 阀 2 2 一三 位 四通 电磁 换 向 阀 2 }_液控 单 向 阀 图2 双护盾液压推进系统分组部分原理图 2 系统液压元件及功能 该 系统在主油路上采用带有远程压力控制阀和远 程功率控制 阀的变量泵 ，实现负载敏感控 制 ，达到节 能 目的 。 对于主、辅液压缸，将其分为 4组，进行分组控 制 ，以完成 全推进 、单个前进或后退 、双缸前进或后 退等动作。各个分组控制模块中，采用三位四通比例 调速阀 ，左位 用于主推进液压缸 的调速 ，右位用于辅 助推挤 液压缸 的调速工作 ，与常规 比例调速阀分别控 制相 比 ，系统更 紧凑 ，每组 中再加上 比例溢流 阀 ，可 实现压力 、流量 的联合控制 。 通过减压 阀 7的减压作用 ，使得 出 口压力在 比例 伺服减压 阀 8工作范围内 ，比例伺服减压 阀 8可实现 对系统的远程功率控制。液压油在减压阀 1 0作用后 再通过两位两通换 向 阀 1 1 为 单 向阀 l 3提供 控制油 ， 打开单 向阀 ，用于主推进 液压缸无杆腔 回油 。三位四 通换 向阀 1 2可用 主推进 液压 缸伸 出和缩 回，正 常工 作状态下处 于 中位 。推 进 工作 时 ，液 压油 在单 向阀 1 3的截止下被迫流入液压缸无杆腔 。对于平衡 阀 1 4 ， 由于在护盾的 自重作用下，护盾下侧与外壁很好接 触 ，抗 干扰 能力强 。只需要把平衡阀安装在护盾上侧 的分组液压缸油路 中，提高护盾抗外力干扰的能力。 液压缸无杆腔油路上都安装有压力传感器 ，检测液压 缸的推进压力 ，与比例溢流阀所给信号相比较 ，改变 所给 比例溢流 阀电流大小可改 变液压 缸的推进 压力 ， 可实现对推进液压缸 的压力控制 。三位 四通 比例换 向 调速 阀 2 0可用于主辅 推进液 压缸 的调速工 作 ，右位 在双护盾工作模式下对 主推进液 压缸进 行流量控 制 ， 左位在单护盾工作模式下对辅助推进液压缸进行流量 控制 。液压油在减 压 阀 2 1 作 用后 可为辅助 推进液 压 缸提供合适 的压力油 。三 位 四通换 向阀 2 2用于在 双 护盾模 式下辅助推进 油缸 的换步 ，在单护盾模式下用 于辅助液压缸收缩 。 3系统工作原理 3 ． 1双护 盾掘进 模 式 此工作模式下 ，主推进系统和辅助推进系统均参 与工作。在主推进油路中，三位四通电液换 向阀 1 2 处 于中位 ，液压油流经 调速 阀 2 0的右 位 ，然后 通过 单 向阀 l 8到达主推进 油缸无 杆腔 ，实现 盾构 的掘进 工作 。在辅助推进油路中 ，盾 构向前 掘进 的同时 ，液 压油流经三位 四通换 向阀 2 2左位 进入辅 助推进 油缸 有杆腔 ，对 应油 缸缩 回，可 实现 对应 位 置 的管 片安 装 。等到圆周管片全部 安装完毕 ，主推进缸也达到最 大掘进行程 ，调 速 阀 2 0处 于 中位 ，停 止掘进 ，液 压 油 由电磁换 向阀 2 2右位 流 出，到 达辅助 油缸 的无 杆 腔 ，在辅 助油缸推进作 用下 ，主推进油缸被迫缩回 ， 下转第 1 5页 第 1 6期 杜兰萍 等高速切削加工时标准 7 2 4锥度刀柄及 H S K刀柄的分析 1 5 2 I．L m 以内 ，并能长期保持高精度 。 2 特别适合于高速切削 当主轴高速旋转时 ，尽管主轴端会产生扩张 ，但 短锥 的收缩得到部分伸张 ，仍能与主轴锥孔保持 良好 的接触 ，主轴转速 对联 结 刚度影 响小 。对 H S K进行 有限元模拟分析 ，以及对主轴与刀柄接触段的膨胀 变 形量通过 多项 式 拟合 分析 ，结 果 显示 H S K空 心 薄 壁结构刀柄在高速情况下有很大的膨胀 变形量 ，在一 定程度上弥补 了主轴的膨 胀变形 ，刀柄 和主轴 锥面之 间的间隙要小于 7 2 4标 准锥度 联接 系统 。并且 主轴 和刀柄在变形后 ，它们之 间的间隙要 比标准锥度联接 系统均匀得 多。且具有 良好 的高速锁 紧性 ，刀柄与主 轴问由弹性 扩张爪锁 紧 ，转速越 高 ，扩张爪 的离心力 越大，锁紧力越大。此外，H S K薄壁液压夹头体积 小 ，不平衡点少 ，振动小 ，动平衡性能好 。 3 质量 轻 、尺 寸小 、结 构 紧凑 。H S K空心 短 锥柄 与 7 2 4锥柄相 比 ，相 近规格 的质量减 轻 5 0 ％ ， 锥部 长度仅 为 7 2 4锥 柄 的一半 ，可缩 短 换 刀时 间 ， 有利 于实现换刀过程 的高速化 。 HS K刀柄也有缺点 1 由于 采用 双面定 位 ，造 成刀 柄在 主轴 内孔 产生过定位 。要很好实现过定位 ，就要求刀柄 锥面和 法兰盘端面 自身有 较 高 的形状 精度 以及 相 互位 置精 度 ， 这给刀柄 的制造增 加 了难度 ，且 刀柄 结构 复杂 。 因而这种类型的刀柄制造成本较高 ，其 价格通 常是 常 规标准 7 2 4锥柄 的 1 ． 5～ 2倍 。 2 它与传统的主轴端部结构和刀柄不兼容， 不能直接用于传统的机床 ，需对 机床 主轴端部进行重 新设 计 ，且 H S K刀 柄型 号规格 很 多 ，不能 通用化 和 标准化。 3 H S K空心短锥 工具 系统 只有 在 一定 使用 条 件下才能达到高精度和高刚度，当径向载荷达到一定 程度 ，刀杆与主轴端面产生间隙 ，刚度明显下降，精 度亦显著降低 ，所以在重载荷下不宜采用该系统。另 外 ，刀杆太长 、太重时 ，由于短锥锥柄的有效长度 很 短 ，在装夹刀柄时容 易卡住 ，使端 面不能 全面接触 ， 大大 降低其工作性能 。尤其是长刀杆高速旋转时 ，会 有危险 ，不应采用这种系统 。 4 空 心 锥 柄 的 壁 很 薄 ，容 易 损 坏 ，尤 其 是 H S K 2 6 3以下的小规格刀柄更易破损折断，有些小零 件 ，如双头螺钉 、夹紧块 夹爪 都 很容易损坏 。对 刀柄材质和热处理要求 也很高。 4结束 语 通过对标 准 7 2 4锥度 刀 柄 及 H S K空 心短 锥 刀 柄的特点 及性能进 行分 析 和 比较可 知 ，这 两 种 目前 使用较 多的刀柄各 有其 优缺 点 ，适用 于不 同的场 合 和切削条 件 。在高 速切削 时 H S K空心短锥 刀柄 比标 准 7 2 4锥 度 刀柄 具 有 突 出 的优 点 ，但 并不 能 完 全 取 代 目前所 用 的 7 2 4锥度 刀 柄 。应该 根据 具 体情 况选 用 ，才 能既满 足使 用要 求 ，又经 济 、可靠 ，收 到 良好 效果 。 参考文献 【 1 】艾兴， 等． 高速切削加工技术[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 3 ． 1 1 ． 【 2 】肖曙红， 张伯霖， 李志英． 高速机床主轴／ 刀具联结设计 [ J ] ． 机械工艺师， 2 0 0 0 3 81 0 ． 【 3 】李海田． 新型工具系统空心短锥工具系统[ J ] ． 组 合机床与自动化加工技术， 1 9 9 7 1 0 3 7 4 6 ． 【 4 】张伯霖， 杨庆东， 陈长年． 高速切削技术及应用[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 9 ． 上接第 4 5页 为循 环掘进做准备 。液压缸上安装有位 移传感器和压 力传感器 ，实时检测推进速度和压力 ，通过调节调速 阀和比例溢流 阀实现推进的速度和压力 的复合控制 。 3 ． 2单护盾掘进模式 在此工作模式下 ，主推进油缸不工作 。由辅助系 统完成掘进任务 ，液压油通过调速 阀的左位进入辅助 油缸的无杆腔 ，油缸向前 伸出 ，实现掘进工作 。同样 液压缸上安装有位移传感器和压力传感器，实时检测 推进速度和压力 ，通 过调节调速 阀和 比例溢流阀实现 推进的速度 和压力的复合控制 。 4结 论 参照单 护盾推进液压 系统 ，并根据双护盾的系统 的特点 ，设计 出双护盾推进液压系统 ，该系统具有 以 下特 点 1 主油路 泵源 采用 带有 远程功 率 和远程 压力 控制 的变量泵 ，可 以根据负载压力和所需流量实时调 整泵 的压力 流量 ，可 以使 功率 匹配 ，达 到节 能 的 目 的。 2 主推进 系统 、辅 助推 进 系统共 用三 位 四通 比例换 向调速阀 ，从一定程度上使液压控制 系统简单 化 ，也一定程度上使系统液压 站简单化 ，为 系统维护 和管理带来方便 。 3 双护盾 工作 模式 下 ，辅助 推进 系统 采用 差 动快进 回路 ，充分利用 功率 ，实现节能 。 4 在独立分组 中，采用节流控制方式，通过 比例溢流阀和 比例调速 阀来 实现力 和位置 复合控 制 ， 提高系统的控制 精度 和动态 响应 。 参考文献 【 1 】谢明， 赵晋友． 双护盾隧道掘进机 T B M 技术浅谈[ J ] ． 现代隧道技术 ， 2 0 0 6 ， 4 3 5 2 3 3 0 ． 【 2 】杨扬 ， 龚国芳， 胡国良， 等． 模拟盾构推进液压系统的设 计和研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 1 1 9 09 2 ．