1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)</b></p><p>　　課 題 名 稱 盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)（刀盤切割旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)）設(shè)計 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 李茂林 </p><p>　　學(xué) 號

2、 0941101075 </p><p>　　系、年級專業(yè) 機械與能源工程系、2009級 </p><p>　　機械設(shè)計制造及其自動化（機電一體化方向） </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師

3、 戴正強 </p><p>　　職 稱 講師 </p><p>　　2013年5月22日</p><p><b>　　內(nèi)容提要</b></p><p>　　盾構(gòu)機是集機械

4、、電氣、液壓、測量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型超大工程裝備。</p><p>　　論文以直徑1.8m模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)設(shè)計研究對象。</p><p>　　論文開始對盾構(gòu)機進行簡單介紹，主要包括:盾構(gòu)機的分類，土壓平衡盾構(gòu)機的基本結(jié)構(gòu)和施工原理。</p><p>　　也介紹了盾構(gòu)刀盤驅(qū)動方式種類，有定速電機驅(qū)動，刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，

5、一般不采用，常見有變頻電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動方式。</p><p>　　接著對盾構(gòu)施工的復(fù)雜工況進行了分析，提出了適用于復(fù)雜工況的直徑1.8m模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)設(shè)計方案，并對其中的主要控制功能模塊進行了原理介紹，并進行了該系統(tǒng)液壓元件主要參數(shù)的計算、校核與選型，同時采用了三維設(shè)計軟件Pro/E對液壓系統(tǒng)的主要閥塊和泵站進行了優(yōu)化設(shè)計以及集成設(shè)計。</p><p>　　最后總結(jié)全文以及展望

6、了今后的研究方向。</p><p><b>　　SUMMARY</b></p><p>　　Shield machine is a mechanical, electrical, hydraulic, measurement, control, and other multi-disciplinary technology in a body, specialized

7、 in underground tunnel excavation technology intensive major engineering equipment.</p><p>　　With diameter of 1.8 m this paper simulate shield cutting wheel drive hydraulic system design and research objects

8、.</p><p>　　Brief introduction of this thesis to shield construction machine, mainly includes: the classification of the shield machine, earth pressure balance shield construction machine basic structure and

9、principle of construction.</p><p>　　Also kind of shield driven method are introduced, with constant speed motor drive, cutter head speed can't adjust, generally do not use, common have frequency conversi

10、on motor drive, hydraulic drive mode,</p><p>　　Then the complex condition of shield construction are analyzed, and put forward the suitable for complex conditions of diameter 1.8 m simulation of shield cutti

11、ng wheel drive hydraulic system design scheme, and the principle of main control function module is introduced, and the system of hydraulic elements main parameter selection, calculation, checking and at the same time us

12、ing the 3 d design software Pro/E for hydraulic system of the main valve block and pump station, the optimization design</p><p>　　Finally summarizes the full text, and prospects the future research direction

13、.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　內(nèi)容提要I</b></p><p>　　SUMMARYII </p><p>　　1 盾構(gòu)機介紹1 </p><p>　　1.1 盾構(gòu)機的分類1 </p><p>　　1

14、.2 盾構(gòu)機的組成及功能2 </p><p>　　1.3 盾構(gòu)機的施工原理6 </p><p>　　2 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動概況和方式比較 9</p><p>　　2.1 電機驅(qū)動及比較9 </p><p>　　2.2 變頻電機驅(qū)動10</p><p>　　2.3 液壓驅(qū)動特點10</p><

15、p>　　3 模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)及集成設(shè)計14</p><p>　　3.1 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理設(shè)計14</p><p>　　3.2 刀盤轉(zhuǎn)速控制及功率限定控制16</p><p>　　3.3 刀盤轉(zhuǎn)動方向控制 18</p><p>　　3.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計計算與元件選型19 </p><

16、;p>　　3.5壓力損失驗算29</p><p>　　3.6液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗算30</p><p>　　3.7盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)集成32 </p><p>　　4 結(jié)論及展工作望36 </p><p>　　4.1 論文總結(jié)36 </p><p>　　4.2 工作展望36</p>

17、<p><b>　　參考文獻38 </b></p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　1 盾構(gòu)機介紹</b></p><p>　　隨著人類文明飛速發(fā)展，越來越多的開發(fā)到地下空間，各種隧道工程的需求對施工技術(shù)提出了更高的要求，促進了隧道施工技術(shù)的發(fā)展。隧道的

18、施工方法從傳統(tǒng)的明挖法、蓋挖法、礦山法發(fā)展到管段沉做法、盾構(gòu)法、全斷面隧道巖石掘進機工法等[1]。</p><p>　　盾構(gòu)掘進機是集機械、電器、液壓、測量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體的、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型超大工程裝備。具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高而隧道埋深較大時，只能依賴盾構(gòu)掘

19、進機。</p><p>　　1.1 盾構(gòu)機的分類</p><p>　　由盾構(gòu)機與特定的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征的匹配情況決定了在不同施工環(huán)境，盾構(gòu)機所具有的三種類別：軟土盾構(gòu)機、硬巖盾構(gòu)機(TBM)和混合盾構(gòu)機三類。軟土和硬巖盾構(gòu)機是在同一地層中使用的盾構(gòu)機。</p><p><b>　?。?）軟土盾構(gòu)機</b></p>

20、<p>　　軟土盾構(gòu)機是指適用于未固結(jié)成巖的軟土、某些半固結(jié)成巖以及全風(fēng)化和強風(fēng)化圍巖條件下的一類盾構(gòu)機。北京、上海、南京、天津等地在純軟土地層中使用的盾構(gòu)機是典型的軟土盾構(gòu)機。僅安裝刮刀，不需要滾刀。</p><p><b>　?。?）硬巖盾構(gòu)機</b></p><p>　　廣義的硬巖盾構(gòu)機是指巖石掘進機(TBM)。它適用于硬巖且圍巖巖層較致密完整的一類盾

21、構(gòu)機。秦嶺鐵路隧道和引黃入晉水利工程使用的是典型的硬巖盾構(gòu)機。山西萬家寨引黃工程使用的硬巖盾構(gòu)機球面刀盤，只安裝滾刀，不安裝刮刀。</p><p>　?。?）混合盾構(gòu)機 </p><p>　　混合盾構(gòu)機是指設(shè)備具有的功能的“混合”，這類盾構(gòu)機既具有軟土盾構(gòu)機的功能又具有硬巖盾構(gòu)機的功能；既具有土壓平衡功能又具有泥水加壓功能；既可以開胸式掘進又可以閉胸式掘進，等等。這是

22、一類能適應(yīng)更為復(fù)雜多變的復(fù)合地層的盾構(gòu)機。廣州地鐵大塘—漢溪區(qū)間使用的是混合盾構(gòu)機，其刀盤兼有軟土和硬巖盾構(gòu)機的特點。</p><p>　　在特定的盾構(gòu)施工環(huán)境，根據(jù)盾構(gòu)機采用的“出渣進料”方式或最優(yōu)開挖和出土功能的方式，可以分為開胸式、半開胸式、閉胸式和氣壓式?！　“雌胶忾_挖面土壓與水壓的原理不同，密閉式盾構(gòu)機又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種?！　〕ㄩ_式盾構(gòu)機按開挖方式劃分，可分為手掘式、半機械挖

23、掘式和機械挖掘式三種。　　按盾構(gòu)機的斷面形狀劃分，有圓形和異型盾構(gòu)機兩類，其中異型盾構(gòu)機主要有多圓形、馬蹄形和矩形。</p><p>　　盾構(gòu)機根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)，擠壓式盾構(gòu)，半機械式盾構(gòu)（局部氣壓、全局氣壓），機械式盾構(gòu)（開胸式切削盾構(gòu)，氣壓式盾構(gòu)，泥水加壓盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)，混合型盾構(gòu)，異型盾構(gòu)）。</p><p>　　1.2 盾構(gòu)掘進機的組成及功能</p>

24、<p>　　目前圓柱形盾構(gòu)機是最為常見的一種類型，圖1-1為LOVAT公司的RME306SE型號的土壓平衡（EPB）盾構(gòu)掘進機組成原理圖。該盾構(gòu)機直徑為7.8m，總長80m。</p><p>　　下面就以該圖土壓平衡式盾構(gòu)機為例介紹盾構(gòu)掘進機的組成及各部分的功能，土壓平衡式盾構(gòu)主要組成系統(tǒng)包括：刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)、盾殼及盾尾密封設(shè)備、雙室氣閘、管片拼裝機及同步注漿設(shè)備、排土機構(gòu)、后配套及輔助設(shè)備[2]。

25、</p><p>　　圖1.1 盾構(gòu)機組成簡圖</p><p>　?。?）盾體    盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體。</p><p>　　前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅(qū)動，同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開挖面的作用。承壓隔板

26、上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。</p><p>　　前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有30個推進油缸，推進油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機向前的掘進力，這30個推進油缸按上下左右被分成A、B、C、D四組，掘進過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機就可以實現(xiàn)左

27、轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構(gòu)機的軸線盡量擬合隧道設(shè)計軸線。從BB視圖可以看出，該盾構(gòu)機安裝了11臺液壓馬達驅(qū)動刀盤和24個液壓油缸實現(xiàn)盾構(gòu)推進。盾構(gòu)機的排土機構(gòu)主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由液壓馬達驅(qū)動，皮帶輸送機由電機驅(qū)動。碴土由螺旋輸送機從泥土艙中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸，落入等候的碴土車中。</p><p>　　中盾的后邊是尾盾，尾盾通過14個被動跟隨

28、的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構(gòu)機易于轉(zhuǎn)向。盾尾的功能是實現(xiàn)盾殼尾部密封和同步注漿。一方面防止地層中的泥水或管片外圍的漿液通過盾尾與管片間的間隙進入到盾構(gòu)機內(nèi)，另一方面通過盾尾殼體內(nèi)置的同步注漿管，將注漿泵輸送來的混凝土泥水填充到管片外表面的環(huán)形空隙處，保持盾尾處的壓力，防止地表沉陷。 （2）刀盤</p><p>　　從AA視圖可以看出,盾構(gòu)機的刀盤位于盾構(gòu)的最前部，是一個帶有多個碴槽的切削盤體

29、，刀盤上安裝有盤形滾刀和刮刀用于對巖土層切。有時，刀盤的外側(cè)還裝有一把超挖刀,盾構(gòu)在轉(zhuǎn)向掘進時，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴大開挖直徑，這樣易于實現(xiàn)盾構(gòu)的轉(zhuǎn)向。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進行換。法蘭板的后部安裝有一個回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。 （3）刀盤驅(qū)動    刀盤驅(qū)動由螺

30、栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現(xiàn)無級變速。刀盤驅(qū)動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅(qū)動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。 （4）雙室氣閘  

31、0; 雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當(dāng)掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換</p><p>　　現(xiàn)以工作人員從常壓的操作環(huán)境下進入有壓力的泥土倉為例，來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室，關(guān)閉前室和主室之間的隔離門，按照規(guī)定程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時打開主室和泥土倉之間的隔離。</p>

32、<p><b>　?。?）管片拼裝機</b></p><p>　　從CC視圖可以看出,管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中，一個內(nèi)圈為齒圈形式外徑3.2m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內(nèi)圈通過法蘭與旋轉(zhuǎn)架相連，拼裝頭與旋轉(zhuǎn)支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫

33、粱相連接。</p><p>　　現(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的情況為例，來說明拼裝機的運動情況。兩個拼裝機行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉(zhuǎn)架、拼裝頭在拼裝機大梁上沿隧道軸線方向移動；安裝在支撐架上的兩個斜盤式軸向柱塞旋轉(zhuǎn)馬達，通過驅(qū)動滾珠軸承的內(nèi)齒圈可以使旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉(zhuǎn)各200度；通過伸縮油缸可以使拼裝頭上升或下降；拼裝頭在油缸的作用下又可以實現(xiàn)在水平方向上的擺動，和在豎直方向上的擺動以及抓緊和放松

34、管片的功能。這樣在拼裝管片時，就可以有六個方向的自由度，從而可以使管片準(zhǔn)確就位。</p><p>　　拼裝手可以使用有線的或遙控的控制器操作管片拼裝機，用來拼裝管片。我們一般采用的是1.2m長的通用管片，一環(huán)管片由六塊管片組成，它們是三個標(biāo)準(zhǔn)塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個不同的位置，代表十種不同類型的管環(huán)，通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線與設(shè)計的隧道軸線相擬合。隧道成型后，管環(huán)之間及管環(huán)

35、的管片之間都裝有密封，用以防水。管片之間及管環(huán)之間都由高強度的螺栓連接。</p><p><b>　?。?）排土機構(gòu)</b></p><p>　　盾構(gòu)機的排土機構(gòu)主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機是由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅(qū)動，皮帶輸送機由電機驅(qū)動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節(jié)臺車的尾部，落入等候的碴土車的土

36、箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。</p><p>　　螺旋輸送機有前后兩個閘門，前者關(guān)閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進或維修時關(guān)閉，在整個盾構(gòu)機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關(guān)閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構(gòu)機。</p><p><b>　?。?）后配套設(shè)備</b>

37、</p><p>　　由于隧道內(nèi)空間狹小,大部分機電設(shè)備安裝在盾構(gòu)機的后配套拖車上。車架為門式結(jié)構(gòu),中間為通道,頂部安裝皮帶運輸機,兩側(cè)安裝機電設(shè)備及盾構(gòu)操縱控制室,拖車和盾構(gòu)之間的設(shè)備橋裝有管片起吊的電動葫蘆(DD視圖),設(shè)備橋的一端連接在盾構(gòu)上,另一端與拖車連接,同時將車架拉向前進。后配套設(shè)備主要由以下幾部分組成：管片運輸設(shè)備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構(gòu)機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設(shè)備、

38、泡沫設(shè)備、膨潤土設(shè)備、循環(huán)水設(shè)備及通風(fēng)設(shè)備等。</p><p>　　1.3 盾構(gòu)掘進機的施工原理</p><p>　　圖1.2 盾構(gòu)機挖掘示意圖</p><p>　　從BruneI于1843年首次用盾構(gòu)工法建造橫穿英國泰晤士河河底隧道成功，至今已有170年。盾構(gòu)法是以盾構(gòu)掘進機(簡稱盾構(gòu))為核心的整套完整的建造隧道的施工方法。如圖1.2所示，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進機是一種地

39、面下暗挖隧道的自動化機械，它具有能夠旋轉(zhuǎn)的刀盤和可以移動的鋼結(jié)構(gòu)外殼?，F(xiàn)代盾構(gòu)機不僅能夠?qū)崿F(xiàn)暗挖、而且安全、掘進速度快、自動化程度高，已經(jīng)能夠應(yīng)用在各類土質(zhì)和軟巖地層的隧道挖掘。盾構(gòu)機的設(shè)計制造涉及到上木工程學(xué)、力學(xué)、機械學(xué)、控制科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科，是非常復(fù)雜的機電裝備，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。</p><p>　　盾構(gòu)法施工時，通過盾構(gòu)機可以進行開挖、立護、襯砌、等多種作業(yè)的一體化施工，實現(xiàn)了隧道施工的工廠化作

40、業(yè)。盾構(gòu)工法存在如下一些優(yōu)點[3]：</p><p>　?。?）在盾構(gòu)支護下進行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟合理地保證隧道安全施工。</p><p>　?。?）盾構(gòu)的推進、出土、襯砌拼裝等可實行白動化、智能化和施工遠程控制信息化，掘進速度快，施工勞動強度較低。</p><p>　?。?）地面人文自然景觀受到良好的

41、保護，周圍環(huán)境不受施工干擾：在松軟地層中，開挖埋置深度較大的長距離、大直徑隧道，具有經(jīng)濟、技術(shù)、安全、軍事等方而的優(yōu)越性。</p><p>　　圖1.3 所示為一種泥土加壓平衡式盾構(gòu)施工原理簡圖</p><p>　　圖1.3所示為一種泥土加壓平衡式盾構(gòu)施工原理簡圖。刀盤實現(xiàn)挖掘功能并承受正面的水上壓力，盾殼承受周圍土層的水土壓力并將水擋在外面，盾殼內(nèi)裝有排碴、管片拼裝、推進和同步注漿與密

42、封等機械裝置，此外，盾構(gòu)掘進機還有備種配套裝備。盾構(gòu)掘進機能夠進行土體開挖、碴上排運、襯砌拼裝和盾體推進等系列操作，使隧道結(jié)構(gòu)施工一次完成。</p><p>　　盾構(gòu)機施工時，需先在隧洞某段的端開挖豎井或基坑，將盾構(gòu)機吊入安裝，盾構(gòu)機從豎井或基坑的墻壁開孔處開始掘進并沿著設(shè)計的隧洞軸線推進，直到到達隧洞軸線中的另一豎井或隧洞的某個交匯點。根據(jù)施工條件的不同，將一段連續(xù)的掘進過程分為始發(fā)、初期掘進、正式掘進及到達掘

43、進四個階段。盾構(gòu)機正式掘進時處于穩(wěn)定的工作周期，即盾構(gòu)機掘進—管片拼裝(盾構(gòu)機停) 盾構(gòu)機掘進……,出碴列車的運行周期與盾構(gòu)機的工作周期相吻合，即：列車進入隧道運送管片時間+列車開出隧道運送碴土?xí)r間=盾構(gòu)機一個掘進周期。</p><p>　　土體的開挖有很多種，其中手工挖掘方式是最簡單的一種方法，只有在特別的土質(zhì)以及隧洞很短的極少數(shù)情況下才用，比較普遍的是機械開挖。機械開挖有部分斷面開挖和全斷面開挖兩種情況。&l

44、t;/p><p>　　部分斷面開挖通常由裝有特別刀齒和刀頭的挖掘頭或由挖掘鏟對開挖斷面進行某個部位的挖掘，并通過移動挖掘頭或挖掘鏟來完成對整個斷面的開挖，其挖掘過程可由手工進行操作控制或自動化控制。 </p><p>　　全斷面開挖包括：旋轉(zhuǎn)刀盤挖掘，即由在不同半徑位置依次排列的刀具切削土體來完成全斷面的一次性開挖；高速射流進行的水力挖掘；擠壓式的挖掘，即通過頂推力使具有良好塑性的土壤被

45、擠入盾構(gòu)前的開口中。目前，盾構(gòu)掘進機大多采用回轉(zhuǎn)刀盤進行全斷面挖掘。</p><p>　　開挖出來的物料運輸，開挖出來的物料在隧道內(nèi)的輸送一般由輸運管線(泥水)或皮帶運輸機裝運卡車、裝運出渣列車等方式。</p><p>　　現(xiàn)代的襯砌技術(shù)般有預(yù)制管片、模扳澆注、噴混凝土等幾種方式，盾構(gòu)法施工大多采用預(yù)制管片。預(yù)制管片有鑄鐵，鑄鋼、預(yù)制鋼、鋼筋混凝土等類型。對于預(yù)制管片外壁面與開挖隧洞內(nèi)壁面

46、之間存在間隙，通過同步注漿方法進行填實，以減少地面的沉降。</p><p>　　2 構(gòu)刀盤驅(qū)動概況和方式比較</p><p>　　盾構(gòu)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點，是盾構(gòu)機的重要組成部分,其承擔(dān)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面土體攪拌密封艙內(nèi)土體的任務(wù)。</p><p>　　盾構(gòu)驅(qū)動方式有三種:一是定速電機驅(qū)動,二是變頻電機驅(qū)動,三是液壓驅(qū)動。</p&g

47、t;<p>　　2.1 電機驅(qū)動及比較</p><p>　　鑒于定速電機驅(qū)動時，刀盤轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié),一般不采用。目前刀盤驅(qū)動方式常見有變頻電機驅(qū)動、液壓系統(tǒng)驅(qū)動方式,下表為盾構(gòu)刀盤驅(qū)動方式對比表。</p><p>　　表2.1 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動方式對比表</p><p>　　從這兩種刀盤驅(qū)動方式的性能對比中可知,針對各種不同的地層它們都具有良好的調(diào)速性能,

48、使刀盤能夠很好地開挖。變頻驅(qū)動設(shè)備費用高,但是具有較高的傳動效率,較低的能源消耗,可節(jié)省電力費用；液壓驅(qū)動具有良好的抗沖擊能力和過載保護性能,維修保養(yǎng)相對簡單,可靠性高。因此兩種驅(qū)動方式在盾構(gòu)上都得到廣泛的使用。</p><p>　　2.2 變頻電機驅(qū)動</p><p>　　變頻電機驅(qū)動:刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要由變頻電機、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。變頻電機驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀

49、盤速度可調(diào),具有較大扭矩儲備和較高的傳動效率,能源消耗較低,可節(jié)省電力費用，但其占用空間大。工作原理簡圖如下圖所示：</p><p>　　圖2.1 盾構(gòu)刀盤變頻驅(qū)動系統(tǒng)原理簡圖</p><p>　　變頻器驅(qū)動電動機,在電動機輸出軸上安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器,由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測得的輸出扭矩T和轉(zhuǎn)速n送到工控機,計算出電動機的輸出功率P,將輸出功率P與電動機額定功率N，這樣對電動機的扭矩與轉(zhuǎn)速做恒

50、功率調(diào)節(jié)。這樣電動機就始終在額定功率附近運行,達到高效節(jié)能的目的。</p><p>　　2.3 液壓驅(qū)動特點</p><p>　　刀盤液壓驅(qū)動主要是由液壓泵站、閥組、管路、驅(qū)動液壓馬達、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。液壓馬達通過驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)速通過液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)便于刀盤調(diào)速,具有良好的抗沖擊能力和過載保護性能,維修保養(yǎng)相對簡單,可靠性高；但其傳動效率低,溫

51、升高。</p><p>　　工作過程：通過泵和液壓系統(tǒng)帶動液壓馬達旋轉(zhuǎn)工作，但是驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)速很高，不能直接連接刀盤旋轉(zhuǎn)切割，因此必須要通過減速機減速后，使輸出的驅(qū)動小齒輪速度在所規(guī)定的速度范圍之內(nèi)，再由驅(qū)動小齒輪帶動大齒圈轉(zhuǎn)動，而大齒圈和安裝刀盤的法蘭連接，因此，大齒圈帶動了刀盤法蘭旋轉(zhuǎn)，從而帶動了刀盤的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了，刀盤的旋轉(zhuǎn)切割。</p><p>　　1三滾子軸向徑向主軸承 2大齒圈

52、 3減速器 4螺旋輸送管道 5刀盤 6滾刀</p><p>　　圖2.2 刀盤與減速機馬達的簡圖</p><p>　　1減速機 2馬達 3壓力傳感器 4三位四通電磁換向閥 5單向閥</p><p>　　6兩位四通電磁換向閥 7低壓溢流閥 8高壓溢流閥 9插裝閥</p><p>　　10電動機 11變量泵</

53、p><p>　　圖2.3 典型盾構(gòu)刀盤多泵驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　液壓馬達的選用目前主要有兩種配置形式,其一是高速液壓馬達加齒輪減速裝置,其二是直接采用低速大扭矩液壓馬達驅(qū)動。目前我國盾構(gòu)機一般是采用高速液壓馬達加齒輪減速裝置。</p><p>　　圖2.3為典型的盾構(gòu)刀盤多泵驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)是用多個變量泵驅(qū)動多個液壓馬達來控制刀盤轉(zhuǎn)

54、速,其有如下特點[4]：</p><p>　?。?）大功率、超高壓、閉式傳動,結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高,采用電液比例控制技術(shù),數(shù)臺電液比例變量泵和液壓馬達并聯(lián)使用,便于選型和組合,適用而很寬,可以滿足不同工況的使用要求；</p><p>　?。?）通過比例放大器控制比例方向閥,可以很方便地調(diào)整變量泵的輸出流量與方向,實現(xiàn)對液壓馬達的雙向無級調(diào)速；</p><p>　　（

55、3）根據(jù)變量泵高壓端壓力傳感器的實時檢測值,限定比例放大器外部控制電壓的給定值,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制,控制精度根據(jù)使用要求山PLC程序設(shè)定,調(diào)整方便。恒功率傳動控制系統(tǒng)有利于減少裝機功率,適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)變化,充分發(fā)揮盾構(gòu)設(shè)備的潛力,增大作業(yè)范圍,提高作業(yè)效率；</p><p>　?。?）遠程控制壓力切斷功能防止系統(tǒng)超壓作業(yè),響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)方便,有效降低了壓力沖擊,提高系統(tǒng)的可靠性?？梢詾橄到y(tǒng)雙向作業(yè)提供良好

56、的安全保護措施；</p><p>　　（5）具有較強的抗油液污染能力,系統(tǒng)清潔度要求與常規(guī)液壓系統(tǒng)相同。</p><p>　　3 模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　盾構(gòu)刀盤在掘進過程中，雖然工作轉(zhuǎn)速不高，但由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、刀盤作業(yè)直徑較大，要求刀盤驅(qū)動系統(tǒng)需具備：大功率、大轉(zhuǎn)矩輸出、抗沖擊、轉(zhuǎn)速雙向連續(xù)可調(diào)、在滿足使用要求前提下減小裝機功率、節(jié)能降

57、耗等工作特點。刀盤的驅(qū)動系統(tǒng)必須具有高可靠性和良好的操作性能，而采用全局功率自適應(yīng)的泵控馬達系統(tǒng)能大大減少回路過程中溢流損失和節(jié)流損失，散熱效果也好。</p><p>　　3.1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理設(shè)計</p><p>　　本文所設(shè)計的用于實驗的盾構(gòu)模擬試驗平臺刀盤直徑為1.8m。刀盤的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用一個變量泵和兩個定量馬達組成閉式控制回路驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動。液壓系統(tǒng)中采用接近開關(guān)實時檢測刀盤的

58、轉(zhuǎn)速，根據(jù)合適的策略控制變量缸的位移，繼而控制變量泵排量，形成按負載工況變化需要進行連續(xù)實時可控的刀盤驅(qū)動液壓控制系統(tǒng)適應(yīng)掘進中復(fù)雜工況，系統(tǒng)節(jié)能效果好[4]。</p><p>　　整個系統(tǒng)可實現(xiàn)兩種工況,即軟巖工況時的低速大轉(zhuǎn)矩和硬巖工況時的高速小轉(zhuǎn)矩,兩種工況轉(zhuǎn)換可通過控制電磁換向閥9.5來實現(xiàn)。當(dāng)電磁鐵C斷電時,溢流閥9.4確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設(shè)定為10MPa,輸出轉(zhuǎn)矩小,但流量大(最大為300

59、 L/min),輸出轉(zhuǎn)速高；當(dāng)電磁鐵C通電時,溢流閥9.3確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設(shè)定為25MPa,輸出轉(zhuǎn)矩大,但流量小,輸出轉(zhuǎn)速低。</p><p>　　在整個掘進過程中刀盤轉(zhuǎn)速是是實時連續(xù)可調(diào)的，可通過調(diào)節(jié)變量泵12排量實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。壓力傳感器4測量液壓馬達的進油口壓力,壓力信的信號可實時反饋到主泵比例閥上，構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　液壓馬達2的正反轉(zhuǎn)可通過電

60、液換向閥7來控制,電磁鐵B1通電,馬達正轉(zhuǎn),電磁鐵B2通電,馬達反轉(zhuǎn),由此可知該系統(tǒng)輸出功率始終與負載所需功率相適應(yīng)</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全閥9.2設(shè)定的壓力時，先導(dǎo)安全閥9.2導(dǎo)通后，插裝閥的主閥芯打開，系統(tǒng)溢流。</p><p>　　壓力管路過濾器10設(shè)有壓差發(fā)訊裝置10.2，當(dāng)濾芯污染堵塞到進出油口壓差為0.35MPa時，即發(fā)出報警(開關(guān))信號，此時應(yīng)及時更換濾芯，如

61、此時不能</p><p>　　1減速機 2插裝式定量馬達 3梭閥 4壓力傳感器 5、6球閥7 二位四通電液換向閥</p><p>　　8壓力傳感器 9插裝閥 9.1單向閥 9.2安全閥 9.3溢流閥 9.4溢流閥</p><p>　　9.5二位四通電磁換向閥 10壓力管路過濾器 10.1壓力管路過濾器 10.2發(fā)訊器</p>&

62、lt;p>　　11壓力表 12變量泵 12.1變量泵放人器 13電機 14聯(lián)軸器 16減震條 17吸油過濾器</p><p>　　17.1濾芯 18球閥 19油箱 20電子溫度繼電器 21液位控制繼電器</p><p>　　圖3.1 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　馬上停機或無人來更換濾芯，設(shè)在過濾器蓋內(nèi)的旁通閥會自動開啟，以

63、達到保護系統(tǒng)安全的目的。</p><p>　　主泵12出口安裝了單向閥9.1，可防止當(dāng)泵檢修或系統(tǒng)停泵時油液倒流。當(dāng)油箱內(nèi)的液位控制繼電器21報警時電液換向閥7應(yīng)斷電處于中位，電機13停轉(zhuǎn)，主泵12停轉(zhuǎn)。</p><p>　　電子溫度繼電器20用來監(jiān)測油箱中的溫度，當(dāng)油箱中的溫度處于下切換點溫度時，電子溫度繼電器20發(fā)出報警信號，并啟動油冷卻器。當(dāng)油箱中的溫度處于上切換點溫度時，此時三位四

64、通電液換向閥7應(yīng)斷電處于中位，電機13停轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.2 刀盤轉(zhuǎn)速控制及功率限定控制</p><p>　　盾構(gòu)施工時要求刀盤轉(zhuǎn)速連續(xù)實時可調(diào),同時為了防止重載情況下電機超載,還需要對液壓系統(tǒng)進行功率限定控制。由于本系統(tǒng)采用變量泵控定量馬達的方案,因此刀盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過控制變量泵排量實現(xiàn)的,同時,該泵內(nèi)部變量機構(gòu)含有功率限定模塊,因此可以滿足上述控制要求。</p>

65、;<p>　　系統(tǒng)采用了Rexroth LRDUZ控制型變量泵,這控制類型的泵可以實現(xiàn)流量、功率復(fù)合控制。變量控制機構(gòu)工作原理如圖所示。</p><p>　　變量控制機構(gòu)包括帶比例電磁鐵的流量控制先導(dǎo)閥1、恒功率控制閥2、壓力反饋油缸3、推桿4、折形桿5、變量缸小缸6、變量缸大缸7和梭閥8。這是一個壓力—位移一力反饋式排量調(diào)節(jié)機構(gòu)。先導(dǎo)級的位移輸入由比例電磁鐵給出,先導(dǎo)級的力平衡方程決定閥口開度,變

66、量缸的力平衡方程決定變量活塞的位移。</p><p>　　通過實驗可得，泵的排量在其整個范圍內(nèi)可無級調(diào)節(jié)，并與比例電磁鐵的控制電流成比例。</p><p>　　若泵的G油口沒有外接控制油，泵剛開啟時，系統(tǒng)沒有壓力，推桿6上的彈簧推動它到最左側(cè)位置，這時斜盤傾角最小，泵的排量最大。此時，變量缸7的活塞在最右側(cè)位置，將其右側(cè)的彈簧壓縮到最短，安裝在推桿6上的油缸3和桿4處在最左側(cè)位置，先導(dǎo)閥1

67、的閥芯在右位，右側(cè)桿4上的彈簧壓縮到最大，先導(dǎo)閥2的閥芯處在右位。隨著系統(tǒng)逐漸建立壓力，推動梭閥8的閥芯上</p><p>　　圖3.2 變量控制機構(gòu)</p><p>　　移，液壓油經(jīng)比例閥1流入變量缸7的右腔，當(dāng)變量缸7右腔壓力及其彈簧力與先導(dǎo)閥1右側(cè)彈簧力之和大于推桿6的彈簧力時，推桿6右移，同時變量缸7活塞左移，泵的排量變小。當(dāng)系統(tǒng)壓力達到3MPa時，變量缸7的活塞在最左側(cè)位置，推

68、桿6在最右側(cè)位置，斜盤傾角最大，泵的排量為零，只有少量內(nèi)泄漏。此時，油缸3和桿4處在最右側(cè)位置，油缸3的活塞有微小的伸出。先導(dǎo)閥1右側(cè)桿4上的彈簧壓縮量最小，閥芯仍在右位，先導(dǎo)閥2的閥芯處在右位。若泵的G油口外接控制油，控制油壓力達到3MPa,則泵在控制油壓的作用下，變量缸7的活塞在最左側(cè)位置，斜盤傾角最大，排量輸出為零。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)處于某一工作壓力下，油缸3的下腔壓力推動活塞使其處于某個位置，使

69、折形桿S轉(zhuǎn)動，因而，先導(dǎo)閥2的閥口開度與泵出口壓力相適應(yīng)。當(dāng)外加比例信號大于200mA時，先導(dǎo)閥1的比例電磁鐵推力大于其右側(cè)的彈簧力，閥芯右移，閥口開度減小，進出口壓差增大，因而，變量缸7右腔的壓力減小，活塞右移，斜盤傾角變小，泵的排量增大。當(dāng)比例信號達到600mA時，先導(dǎo)閥1的閥芯到最右側(cè)，變量缸7右腔接油箱，活塞處于最右端，泵的排量達到最大。若設(shè)定流量不變，當(dāng)負載增大，系統(tǒng)壓力變大，變量缸右腔壓力增大，活塞左移，排量變小。同時，推桿

70、6帶動推桿4右移，推桿4上作用在先導(dǎo)閥1右側(cè)的彈簧力減小，使先導(dǎo)閥1的閥芯右移，閥口開度變小，壓差變大，使得變量缸的右腔壓力變小，變量缸活塞又恢復(fù)到原位置，泵排量不變。如果工作壓力使功率曲線超過，油缸3的活塞伸出，推動折形桿5轉(zhuǎn)動，使先導(dǎo)閥2右側(cè)彈簧大大壓縮，先導(dǎo)閥2的閥芯到左位，進入到先導(dǎo)閥2的液壓油全部進入到先導(dǎo)閥1，使變量缸7的右腔壓力上升，活塞左移，斜盤傾角變大，排量變小。</p><p>　　因此，恒功

71、率控制優(yōu)先于變量控制，如果設(shè)定流量或工作壓力使功率曲線超過，則恒功率控制取代電控變量并按照恒功率曲線減小排量。當(dāng)?shù)陀诠β是€時，排量受控制電流的調(diào)整，泵輸出的流量只與輸入控制信號相關(guān)，而不受負載壓力變化的影響，即，在功率限制范圍內(nèi)能適應(yīng)負載的變化。所以，泵始終能工作于與負載匹配的工況，具有明顯的節(jié)能效果。</p><p>　　3.3 刀盤轉(zhuǎn)動方向控制</p><p>　　盾構(gòu)施工時要求刀盤

72、可以實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用三位四通電液力方向閥控制液壓馬達的油液流入、流出方向，實現(xiàn)馬達轉(zhuǎn)動方向的改變，從而控制刀盤的轉(zhuǎn)動方向。</p><p>　　系統(tǒng)采用了Rexroth 4WEH型方向閥，是電—液操作方向控制滑閥，其內(nèi)部機構(gòu)如圖2-6所示。此類閥主要包括閥體(1)、主控制閥芯(2)、兩個對中彈簧( 3.1)和(3.2 )，帶兩個電磁鐵(電磁鐵“a”： (5.1)，電磁鐵，“b”: (5.2))的先導(dǎo)閥(

73、4)。主閥閥芯由彈簧或液壓力保持在中位。在中位，兩個彈簧腔(6)和(8)通過先導(dǎo)閥(4)供油，控制油可以由內(nèi)部或者外部供給(外部供給油口X)。</p><p>　　圖3.3 4WEH型方向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　當(dāng)先導(dǎo)閥操作時，如電磁鐵“a”得電，先導(dǎo)滑閥(10)向左移動，因此彈簧腔(8)獲得先導(dǎo)油壓力而彈簧腔(6)保持無壓狀態(tài)。先導(dǎo)壓力施壓于仁閥芯的左端，并克服彈簧力(3.1

74、)，最終使主閥P至B和A至T被連通。</p><p>　　當(dāng)電磁鐵斷電時，先導(dǎo)閥回到初始位置，彈簧腔(8)向油箱卸荷，控制油從彈簧腔經(jīng)先導(dǎo)閥排入Y口回油箱。</p><p>　　3.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計計算與元件選型</p><p>　　盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)由液壓泵站、控制閥組、蓄能器組件、管路、液壓馬達、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。盾

75、構(gòu)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)要求如下[5]。</p><p><b>　?。?）功能要求：</b></p><p>　　1）可實現(xiàn)主刀盤的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止控制；</p><p>　　2）滿足軟土、沙土等不同工況下的負載要求；</p><p>　　3）主刀盤在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實現(xiàn)遠程連續(xù)調(diào)節(jié)；</p><p&g

76、t;　　4）主刀盤在非工作狀態(tài)下能點動與可靠制動；</p><p>　　5）可實現(xiàn)功率限定和過載保護；</p><p>　　6）最高壓力限制和超壓保護；</p><p><b>　?。?）可靠性要求：</b></p><p>　　1）液壓系統(tǒng)超載保護；</p><p>　　2) 液壓系統(tǒng)超壓保護；

77、</p><p>　　3) 液壓系統(tǒng)超溫保護；</p><p>　　4) 工作狀態(tài)下刀盤可靠制動保護；</p><p>　　5) 與電控系統(tǒng)配合可實現(xiàn)電液聯(lián)鎖保護。</p><p><b>　?。?）工況分析：</b></p><p>　　1）刀盤驅(qū)動扭矩的實質(zhì)配置應(yīng)大于等于刀盤裝備扭矩。盾構(gòu)掘進

78、時，推進速度、推進力、土倉中壓力和刀盤轉(zhuǎn)速都直接影響刀盤扭矩，因而刀盤裝備扭矩必須根據(jù)地質(zhì)形式、盾構(gòu)形式、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)決定。一般采用經(jīng)驗計算法計算刀盤裝備扭矩T。</p><p><b>　　經(jīng)驗計算公式： .</b></p><p>　　式中：—刀盤裝備扭矩 單位為N.m;</p><p>　　—盾構(gòu)機的外徑 單位為m;</p>

79、<p>　　—扭矩系數(shù)，根據(jù)盾構(gòu)直徑、土質(zhì)等不同而不同，一般為：1.4-2.3。</p><p>　　2）刀盤轉(zhuǎn)速根據(jù)地質(zhì)條件及施工要求確定，最高轉(zhuǎn)速一般在0.5-1.5r/min。</p><p>　　3）由于盾構(gòu)機的刀盤轉(zhuǎn)速不可過大，因此在液壓馬達和刀盤之間要增加減速機，根據(jù)經(jīng)驗減速機的減速范圍為20-2000。</p><p><b>　

80、?。?）設(shè)計參數(shù)</b></p><p>　　此盾構(gòu)機模擬試驗臺刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)：直徑D=1.8m；扭矩系數(shù)a=2；；</p><p>　　則刀盤扭矩：117kN.m；</p><p>　　刀盤轉(zhuǎn)速：0～6 r/min；</p><p>　　刀盤驅(qū)動：液壓馬達：2臺；</p><p><b&g

81、t;　　減速機： 2臺；</b></p><p><b>　　減速機的減速比：；</b></p><p><b>　　大齒輪齒數(shù)83；</b></p><p><b>　　小齒輪齒數(shù)14；</b></p><p><b>　　大齒圈速比：</b&g

82、t;</p><p>　　根據(jù)上述設(shè)計要求，對系統(tǒng)液壓與動力元件進行計算并選型。</p><p>　　3.4.1 液壓驅(qū)動原件的選型</p><p>　?。?）液壓泵的選型 </p><p>　　1）液壓馬達的最大轉(zhuǎn)速：</p><p><b>　　.</b></p><p&g

83、t;　　式中一刀盤最大轉(zhuǎn)速, ；</p><p><b>　　一齒圈速比, ；</b></p><p>　　—減速機的減速比, 。</p><p>　　系統(tǒng)輸出最大扭矩時刀盤轉(zhuǎn)速為1.5r/min,此時馬達相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　..</b></p><p&

84、gt;　　2）液壓馬達的最大輸出扭矩：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　式中：—馬達的個數(shù)；</p><p>　　—減速機及齒輪的總機械效率 ；</p><p>　　3）液壓馬達進出口工作壓差：</p><p><b>　　.</b></p&

85、gt;<p>　　式中: —馬達的排量, ；</p><p>　　—馬達的機械效率, ；</p><p>　　4）由于馬達出口直接回油箱,所以可認為執(zhí)行元件最大工作壓力：</p><p><b>　　24MPa.</b></p><p>　　故可選用Rexroth公司的A2FE45/61W—NZL191液

86、壓馬達。</p><p><b>　　其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下：</b></p><p><b>　　排量 ；</b></p><p><b>　　最高轉(zhuǎn)速 ；</b></p><p><b>　　最大流量 ；</b></p><p

87、><b>　　當(dāng)量扭矩 ；</b></p><p><b>　　當(dāng)時，扭矩。</b></p><p>　　5）液壓馬達實際流量：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　式中: —馬達的容積效率, </p><p>　　6）液

88、壓泵的工作壓力確定</p><p>　　液壓泵所需最大工作壓力的確定[6]，主要根據(jù)執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段所需最高工作壓力，再加上油泵的出油口到執(zhí)行元件進油口處總的壓力損失，即</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　　包括油液流至流量閥和

89、其它元件的局部壓力損失、管路沿程損失等。參考以下閥壓力損失。</p><p><b>　　背壓閥壓力損失：；</b></p><p><b>　　節(jié)流閥壓力損失：；</b></p><p><b>　　順序閥壓力損失：；</b></p><p><b>　　換向閥壓力

90、損失：；</b></p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗可得總壓力損失為。</p><p>　　則可得液壓泵所需最大工作壓力。</p><p>　　7）液壓泵所需最大排量：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　式中: —泵的容積效率, </p><p&

91、gt;<b>　　液壓泵的輸出功率：</b></p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　—馬達的機械效率；</b></p><p><b>　　—馬達的容積效率；</b></p><p>　　在盾構(gòu)機中，泵一般采用軸向柱塞變量泵。

92、柱塞泵的特點是泄露小，容積效率高，可以在高壓下工作，并可實現(xiàn)變量。軸向柱塞泵還可分為兩種：斜盤式和斜軸式。</p><p>　　斜盤式軸向柱塞泵的傳動軸中心線與缸體中心線重合，可通過改變斜盤與缸體傳動軸中心線的夾角來實現(xiàn)變量。一般限用于小流量和中高壓的場合。 </p><p>　　斜軸式軸向柱塞泵的傳動軸相對于缸體中心線傾斜一個角度，可通過改變軸和缸體之間 的夾角來實現(xiàn)變量。這種泵適用于要

93、求排量大的場合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</p><p>　　根據(jù)上面計算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本資料，故選用Rexroth公司的A11VO260LRDU2/11R-N2D12K01變量泵。</p><p><b>　　其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下： </b></p><p><b>　　排量： ； </b></p><p&g

94、t;<b>　　最大允許流量 ；</b></p><p><b>　　最高轉(zhuǎn)速 ；</b></p><p><b>　　實際工況校核轉(zhuǎn)速：</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　　故選的泵符合工況要求。</p>&

95、lt;p>　　3.4.2 系統(tǒng)主驅(qū)動用電機的選擇與減速機的設(shè)計</p><p><b>　?。?）電機的選擇</b></p><p>　　系統(tǒng)為單泵供油系統(tǒng),則一臺馬達輸出功率：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　兩臺馬達相同，則馬達總功率</p>&l

96、t;p><b>　　.</b></p><p>　　由上可知，電機的輸出功率為：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　式中：—馬達的機械效率；</p><p><b>　　—馬達的容積效率；</b></p><p><

97、b>　　—泵的機械效率；</b></p><p><b>　　—泵的容積效率；</b></p><p>　　綜合上述，根據(jù)功率可選擇ABB公司的M2QA—225M4A三相異步電動機,其額定轉(zhuǎn)速為1475r/min。</p><p><b>　　其標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下：</b></p><p&g

98、t;　　額定功率：45W； 額定轉(zhuǎn)速：1475rpm；</p><p>　　效率：92.5﹪； 功率因數(shù)：0.88；</p><p>　　電流：84A； 轉(zhuǎn)矩：291N.m；</p><p>　　最大轉(zhuǎn)矩：669.3N.m； 轉(zhuǎn)動慣量：；</p><

99、;p><b>　?。?）減速機的設(shè)計</b></p><p>　　由上文選擇的液壓馬達最高轉(zhuǎn)速 ，選定減速機的減速比。一級圓柱齒輪減速器最大為60.因此可以設(shè)計成二級斜齒輪圓柱齒輪減速器，低速級大齒輪齒數(shù)為83，與之配對的齒輪齒數(shù)為14；高速級小齒輪齒數(shù)為14，與之配對的齒輪齒數(shù)為142。</p><p>　　高速級和低速級齒輪材料相同如下：</p>

100、<p>　　小齒輪 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 HB=280HBS；</p><p>　　大齒輪 45鋼 調(diào)質(zhì)處理 HB=240HBS；</p><p>　　高速級配對齒輪模數(shù)為2，低速級齒輪模數(shù)為2.5。</p><p>　　高速軸1、2設(shè)計，按齒輪軸設(shè)計，軸的材料取與高速級小齒輪材料相同，都采用40C

101、r。</p><p>　　軸Ⅲ的設(shè)計計算，軸的材料選用40Cr（調(diào)質(zhì)），結(jié)構(gòu)件如零件圖。</p><p>　　箱體的結(jié)構(gòu)尺寸以及軸的結(jié)構(gòu)如裝配圖。</p><p>　　3.4.3 液壓控制元件的選擇</p><p>　　液壓元件的選取原則[6]:</p><p>　　1）、考慮系統(tǒng)各部分的最高工作壓力，即考慮液壓元件的

102、承壓能力；</p><p>　　2）、考慮系統(tǒng)各部分所需最大流量，即考慮液壓元件的通流能力；</p><p>　　3）、考慮各公司液壓產(chǎn)品的可靠性與性能。</p><p>　　液壓閥及過濾器的選擇[7]</p><p>　　根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過該閥的最大流量，可選擇這些元件的型號及規(guī)格。該模擬盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)的中所有閥的

103、額定壓力為26Mpa，額定流量根據(jù)各閥通過的流量確定為200L/min，250 L/min，300 L/min三種規(guī)格。</p><p>　　梭閥：采用賀德克公司中型號為WVT-l0S-X管式安裝的球型座閥。其公稱壓力為=35MPa。</p><p>　　球閥：整個系統(tǒng)壓力很大，故采用賀德克公司中KHM-G11/2 高壓球閥。</p><p>　　安全閥：采用力士樂

104、DB6D直動式溢流閥， 最大工作壓力:31.5MPa，最大體積流量：60 l/min。</p><p>　　溢流閥：可采用力士樂公司中型號為DBD-S6K1直動式溢流閥。</p><p>　　3.4.4 液壓油的選擇</p><p>　　由于該盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)切割液壓系統(tǒng)的壓力比較高、工作的環(huán)境溫度也比較高、工作部件做旋轉(zhuǎn)運動，故宜選用粘度較高的壓力油來減少容

105、積損失。</p><p>　　該液壓變量泵對液壓油粘度也有要求，通過查閱有關(guān)液壓手冊和產(chǎn)品樣本得該泵適用與于粘度較高的液壓。</p><p>　　通過上面分析以及結(jié)合次系統(tǒng)的考慮，可選用抗磨液壓油型號YB-N46液壓油，簡稱N46號抗磨液壓油。40度時運動粘度為。</p><p>　　3.4.5 液壓輔助元件設(shè)計和選擇</p><p>　?。?/p>

106、1）油管設(shè)計和接頭的選擇[7]</p><p>　　根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定，由于次液壓系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，故選用20號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷拉成的無縫鋼管，它的抗拉強度大于410MPa。則油 管尺寸內(nèi)徑可按下計算公式：</p><p>　　式中：—為通過油管的最大流量，=</p><p>　　—為管道內(nèi)允許的流速，一般吸油管取0.5-5m/s；壓力油管取2.

107、5-5m/s；回油管取1.5-2m/s。</p><p><b>　　令； ； 。</b></p><p><b>　　吸油管內(nèi)徑為.</b></p><p><b>　　回油管內(nèi)徑為.</b></p><p><b>　　壓油管內(nèi)徑為.</b></

108、p><p><b>　　油管最大壁厚為.</b></p><p>　　式中： —油管材料的許用壓力；</p><p>　　—為材料的抗拉強度，無縫鋼管查機械手冊可??；</p><p><b>　　這時=；</b></p><p><b>　　—為油管壁厚；</b&

109、gt;</p><p>　　—為管內(nèi)最大工作壓力；</p><p><b>　　—油管內(nèi)徑；</b></p><p>　　—為安全系數(shù)，當(dāng)時，。</p><p>　　其余油管接口有關(guān)尺寸可根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定。</p><p>　　油管的接頭全部選用卡套式管接頭，</p>

110、<p>　　卡套式直通管接頭(GB/T 3733-2008) ；卡套式錐螺紋直通管接頭(GB/T 3734-2008) ；</p><p>　　卡套式錐螺紋彎通三通管接頭(GB/T 3744-2008) ；卡套式三通管接頭(GB/T 3745-2008) 。</p><p>　?。?）油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　

111、　油箱的作用是儲油、散發(fā)油的熱量、沉淀油中雜質(zhì)、逸出油中氣體。在該模擬盾構(gòu)機中采用開式油箱，油箱的有效容積可近似用液壓泵單位時間內(nèi)排出油液的體積確定[8]。</p><p>　　因此油箱的有效容積可按下述經(jīng)驗公式確定:.</p><p><b>　　.</b></p><p>　　式中: —油箱的有效容積,L；</p><p

112、>　　—與系統(tǒng)壓力有關(guān)的系數(shù),高壓系統(tǒng)取6-12，；</p><p>　　—系統(tǒng)中各執(zhí)行元件同時工作時的最大流量,包括刀盤驅(qū)動。</p><p>　　則各驅(qū)動的總流量為 =289.9+23.1=313L/min。</p><p>　　為了在相同的容量下得到最大的散熱面積，郵箱外形以立方形或長六面體為宜。油箱的頂蓋上一般要安放泵和電機以及閥的集成裝置等，據(jù)此可以

113、確定箱蓋的尺寸。</p><p>　　另外最高油面只允許達到郵箱的80%，這樣可以確定箱體高的尺寸。</p><p>　　油箱的總?cè)莘e可按下述經(jīng)驗公式確定:</p><p><b>　　=l.25.</b></p><p>　　所以,油箱內(nèi)長:寬:高可分別設(shè)計為mm: mm:1000mm。</p><

114、p>　　油箱用厚度為3mm的不銹鋼鋼板焊接而成，頂蓋一般要適當(dāng)?shù)募雍窨稍O(shè)置為4mm。</p><p>　　油箱整體設(shè)計為采用骨架式結(jié)構(gòu)，因為該油箱為大容量且為較高；</p><p>　　油箱底腳高度設(shè)計應(yīng)在150mm以上，為了散熱、搬油、和放油；</p><p>　　油箱四周要安裝吊耳，為了吊裝和運輸；</p><p>　　油箱要設(shè)置2

115、個隔板，高度約為油面的三分之二或接近油面。是為了將吸油和回油隔開，使油液循環(huán)流動并且分離回油帶進來的氣泡和雜質(zhì)。</p><p>　　油箱要設(shè)置空氣濾清器，布置在頂蓋上靠油箱邊緣處，目的是為了使油箱與大氣相通，保證泵的自吸能力，以及濾除空氣中的灰塵雜物，還兼作加油口用。</p><p>　　油箱還要設(shè)置液位計，監(jiān)測油面高度，為標(biāo)準(zhǔn)件，可選用黎明公司型號為YWZ-500。</p>