刀盘设计

刀盘设计（精选8篇）

刀盘设计 篇1

0 引言

TBM刀盘设计的主要技术就是滚刀在刀盘上的平面布置问题, 这一问题对刀具的破岩率、刀盘的稳定性、刀具负载的均匀性等指标产生重要的影响。TBM刀盘设计既要考虑岩石的边界是否完整, 又要考虑刀盘的制造工艺, 而且在刀盘设计过程中必须要统筹考虑各项技术性能指标, 这样才能达到工程实用的要求。在具体实践过程中, 由于TBM刀盘设计技术含量非常高, 我国在这项技术的研究上仍有缺失, 那么, 在短时间内实现对TBM刀盘技术的深入研究并应用, 提高国内在装备制造业的研发水平, 具有一定理论及现实意义。

1 TBM刀盘布局设计

TBM刀盘布局设计主要包括合理布置刀具、铲斗、入孔通道、喷水孔等。其中, 刀具的布置决定了整个刀盘的性能, 对挖掘机的性能也起到了至关重要的作用。刀盘的布局设计主要是在有限的刀盘上合理布置各种工具, 进而提高挖掘机的掘进性能, 而合理的刀具布局也关系到刀盘的破岩效率、刀具的寿命、挖掘机的噪音等等, 刀具的合理布局能够有效降低挖掘机的掘进成本。

1.1 TBM刀盘直径确定

敞开式TBM, D=D1+2 (h1+h2+h3) , D为理论上的直径;D1为实际直径;h1为预留变形量, 约为16cm;h2为首次支护厚度, 约为8cm;h3为二次支护厚度, 约为28cm。

护盾式刀盘直径D=D1+2 (h+T) , D为刀盘理论直径;D1为实际直径;T为管片外壁厚度;h为灌浆的实际厚度。护盾式TBM的直径取决于管片的外直径、掘进机的类型、开放盾尾设计类型、护盾厚度以及刀具的磨损范围等等。

1.2 TBM刀盘结构

目前, 广泛采用的TBM刀盘结构形式主要有平面型、球面型等。其中平面型结构的刀盘能够减少对岩面的摇动, 阻力较小, 非常适合不够稳定的地层, 能够有效减小摩擦, 能够顺利的挖掘不良地质地段。此外, 平面型刀盘结构也适用于挖掘砂砾层、块状围岩等。球面型刀盘结构主要适用于小型掘进机, 能够增强机体的稳定性, 但不适合挖掘不良地质。

TBM刀盘除了要求有效稳定的切割破岩外, 还要求快速排出岩渣, 减少渣土对刀盘的磨损, 提高刀盘的使用寿命。为了实现排渣的目的, 必须要综合考虑渣槽的位置设计、布置数量、结构尺寸等方面的因素, 最好在每把刀具后侧都安装排渣槽。此外, 为了使岩石渣能够比较容易排出, 在设计出渣槽时尽量将其加宽。但是由于受岩石破碎随机性以及刀具在刀盘上布置位置的不均匀性等因素的影响, 排渣槽的尺寸不能统一, 要与破岩量随时间变化相协调, 然而由于刀盘空间有限, 这也使出渣槽与刀具的布置相互受到影响。

2 TBM刀具的选择

2.1 TBM刀具破岩机理

TBM破岩过程由两个阶段组成, 分别为滚刀侵入岩体和两滚刀之间形成岩石碎片。具体机理如下:在推力的作用下滚刀会贯入岩石并在刀具侧面形成放射状裂纹, 裂纹会在推力和转矩的作用下逐渐扩展, 压碎区扩大。当裂纹扩展到与相邻滚刀造成的裂纹贯穿时就会形成岩石碎片。综上所述, 我们可得出TBM刀具破岩受到刀削力、刀间距、贯入量、力学属性等多种因素的影响, 这些也是刀盘设计过程中的重要依据。

2.2 刀具的选择

TBM刀盘上刀具的选择主要根据掘进隧道直径进行选取, 具体如下:

1) 掘进隧道直径为2m~3m时, 盘形滚刀直径12″;

2) 掘进隧道直径为3m~4m时, 盘形滚刀直径15″;

3) 掘进隧道直径为5m~9m时, 盘形滚刀直径17″;

4) 掘进隧道直径为10m~12m时, 盘形滚刀直径17″或19″。

目前, 大直径滚刀在掘进工程中越来越被广泛应用, 因为面对大断面硬岩, 只有采用大直径滚刀才能提供较大的推力, 进而增加刀具的贯入深度, 最终提高刀具的破岩能力, 实现快速掘进的目的。此外, 通过引进大直径滚刀还可以降低刀具的磨损, 降低成本, 延长刀具及刀盘的使用寿命, 提高TBM设备的利用率。

2.3 刀具布置设计

首先确定滚刀数量及刀间距, 滚刀间距受岩石类型、岩石力学属性和岩体等多种因素影响。刀盘上滚刀数量可按照如下公式计算:N=D/2S其中, N为滚刀数量;D为理论掘进直径;S为刀间距。

TBM刀盘在掘进时的平衡性主要受刀盘上刀具的位置影响, 在刀盘上布置盘形滚刀时应遵循如下的原则:在布置盘形滚刀时必须使刀盘受力均匀, 而且不能受径向载荷的影响;在TBM掘进过程中尽可能使滚刀对刀盘产生的作用力矩的代数和趋于零。盘形滚刀在刀盘上的布置方法主要是同心圆布置法, TBM生产厂商目前根据各自的刀盘结构、施工经验等都形成了各自的布刀理念, 应用到不同TBM中。

3 刀盘转速确定

刀盘转速受刀盘直径影响, 随着刀盘直径的增加而减小, 主要原因如下:首先, 在掘进过程中, 刀盘线速度应控制在150m/min之内;其次, 刀具在压力的作用下90%的能量将用于岩石裂纹, 10%的能量用于岩石裂纹的扩展, 进而使刀间距之间的裂纹连通而形成岩渣;最后, 排渣过程中, 如果刀盘半径处的转速按照一定比例超过重力长数, 就会使岩渣不能被完全排出, 随着刀具转速逐渐升高, 在推力不变的情况下会直接降低刀具轴承的寿命。

4 结论

TBM的关键部件就是刀盘, 而刀盘又对掘进效率起着至关重要的作用。目前, 我国在TBM刀盘设计上并未形成一套完整的理论体系, 但是随着社会的发展, 相关隧道工程项目对提高TBM施工的精确率、掘进效率、降低施工成本等方面提出了更高的要求, 这就需要我们不断的去探索、去研究TBM刀盘的设计技术, 形成一套适用于多种地质条件, 提高掘进速度的完整理论体系, 具有一定的理论及现实意义。

参考文献

[1]吴波, 阳军生.岩石隧道全断面隧道掘进机施工技术[M].1版, 合肥:安徽科学技术出版社, 2007, 8.

[2]宋克志, 王本福.常见盾构刀盘型式及选用[J].隧道机械与施工技术, 2006 (6) .

刀盘设计 篇2

一、刀盘的磨损情况分析

1、磨损现象分析

在盾构隧道贯通后，需要检查、清洗盾构刀盘，这时，我们就可以发现有无磨损现象发生，通常情况下，盾壳和刀盘的间隙位置是最容易被磨损的，以整体角度出发，刀具和刀盘会展现出边缘侧板磨损和外周磨损大的情况，圆周中部和中心磨损小的情况。具体磨损案例如下：

首先，刀盘外圈周边容易出现磨损；其次，先行刀在刀盘辐板上容易被损坏，容易磨损先行刀安装基座，一旦这个部位没有注意，损坏会非常的严重；再次，通常会较深磨损刀盘面板，并且会有明显的凹陷存在于部分位置。

2、分析磨损因素

在盾构推力的影响下，刀具会将一定的压力带给开挖面土体，在刀盘的转动下，会有摩擦出现在刀盘前方土砂和刀盘及刀具之间，进而就会出现磨损情况。刀具磨损同刀具材质、地质条件、刀具的贯入度、时间等有关，并且随着不断增加的刀具掘削里程，在刀盘周边布置的刀具因为有较大的线速度、切削线路长，所以容折断、磨损快等情况。当外周边刀具和周边刀被磨损了之后，这样就会相应的磨损到边缘侧板和外周边。同时，在开挖时，会有将复杂的力施压到盾构刀盘刀具上面，恶劣工作环境以及盾构刀具所穿越的不同地层与磨损程度有着非常密切的联系，粉质砂土、粘质土和淤泥质砂土等地层不会过大的磨损刀具，而砂卵石土和砂土地层会加剧盾构刀具磨损，甚至还会造成盾构刀具崩齿，砂卵石地层在北京地区是一种分布非常广泛的地形地质，因此，在施工的过程中非常容易遇见，甚至还会夹杂着大粒径卵石和石块，所以，会较为严重的磨损到道具和刀盘。

二、具体的解决对策分析

通过上述的分析能够发现，在北京砂卵石地层中进行掘进的过程中，对盾构机的刀具会经常的带来损害，并且，一旦刀具损坏跟换维修起来就会非常的吃力，并且，所花费的费用和时间也较多，因此，采取有效的方式避免或者降低这种损耗是非常必要的，因此，我们可以从以下几个方面入手来降低对刀盘的损耗。

1、选择合适的刀盘形式

不同的刀具，就会有不同的切削机理，工程地质情况同盾构刀盘结构形式联系密切，有无合理的选择刀盘类型，同盾构的掘进效果有着很大的关系。所以，应该按照不同的水文地质情况将不同的刀盘型式应用到盾构机中，将类型不同的刀具配备到其中，开展有效的组合。将切削型刀具应用到软土层中，将双刃齿刀和双刃滚刀应用到软岩地层中，在对刀具配置时，可以考虑对刀具数量的增加，就是增加每一种的刀具数量，或是并用长短刀具来切削，对长短刀具不同的切削高度差进行考虑，进而能够将刀具的使用寿命提升，在磨损了长刀具之后，长刀具就可以被短刀具所取代，进而能够将刀具整体抗磨损性能提升上来，针对北京地区这种砂卵石地质构造而言，可以将双刃滚刀和切削型刀具配置到其中，也可以将刀具的数量适当的提升。

2、提升刀盘的抗磨性

在砂、卵石地层中，刀盘是极易被损坏的，尤其是辐条性刀盘外周表面、后面和前面最容易被损坏，所以，将刀盘的耐磨性提升上来，也是提升刀盘耐磨性的重要举措。提升刀盘的耐磨性，通常是选择将格栅状特别耐磨材料堆焊在刀盘板面上，在刀盘的边缘、周围也可以将格栅焊接上去，将加强钢板增加上去，提升刀盘四周及有关部位的硬度和强度，将其耐磨性提升上来，此外，应该使用抗剪性好、硬度大的钢材作为刀刃，尤其是对砂卵石层进行切削时，可以顺着刀具外表开展硬化堆焊，进而将刀具的耐磨性提升。

3、改良开挖的土体

一般在一定压力和转速下刀盘会开始挖掘土体，刀具要对极高的工作温度和压力进行承受，工作条件一旦恶劣，会将刀具的使用寿命降低。对适合的土地改良剂进行选择，并且按照地质情况，展开动态科学的管理，对土地的流塑性进行改善，不但能够降低对刀具和刀盘面的损害，同时，还能够避免切下来的碎石和泥沙对螺旋输送机和刀盘带来堵塞影响。此外，在添加了改良剂之后，对刀具会发挥出冷却和润滑的作用，将刀具的使用寿命会有效的提升上来。

4、对刀盘正反转进行使用

在掘进的过程中，盾构机应该相适应的交替应用刀盘的正反转，并且，努力确保也有着相同长度的正反转切削刀的切削长度，在一个方向上通常会长时间的转动盾构机，这样一来，不但会有偏离的现象出现在其中，同时会造成正在运行的刀具磨损到了相应的程度之后，开挖面和相反方向的刀具提升摩擦力度，从而就会引发严重磨损情况发生。所以，利用刀盘逆时针和顺时针方向的转换，这样就能够较为均匀的使用对称布置的主切削刀具，防止有相差过大的情况产生于边缘刀具磨损量中，进而才能够将切削刀具的应用寿命有效的提升上来。

结语

盾构机施工过程中，盾构刀盘刀具磨损的情况是不可避免的，然而，因为在盾构机掘进的过程中，盾构刀盘是其中的重要设备，所以，一定要应用有效的方式降低其在工作中的损耗，尤其是在北京砂卵石地层中进行施工作业时，就更应该根据当地的地质情况选择最为合理的盾构刀盘方式，定期对刀具进行检查，及时的更换不同类型的刀具，在施工前，对盾构刀盘的耐磨性进行改善，并且对于土体改良剂等措施也应该适情况而选择，从而将施工水平提升上来。

异形盾构刀盘创新设计 篇3

传统盾构切削出的断面为圆形，但从实际应用和隧道结构来看，异形断面的隧道更为合理。异形盾构刀盘作为异形盾构的开挖土体部件，是异形盾构的重要组成部分，它直接影响着隧道断面的切削轨迹，在盾构施工中起着非常关键的作用。本文创造性地提出了根据混合输入变异五杆机构的运动学和动力学原理，在盾构机的前部安装变异五杆机构，在变异五杆机构上布刀，从而实现不同轨迹的异形断面切削的学术构想，通过调整杆长和刀头的位置与角度，就可以切削出椭圆、矩形或拱形等形状的断面。

异形盾构的刀盘结构较为复杂，所以一直以来未得到很好的应用。本文探讨了不同类型盾构刀具的切削机理，并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘，实现了刀具的最优化布置，可以解决切削出椭圆、矩形或拱形等形状断机的难题，为变异五杆切削机构在异形盾构中的应用提出了独创性的设计构想，是对传统刀盘的改进和创新。

1 盾构刀具切削机理

适用于不同地质条件的土压式盾构刀具，其开挖方式与切削机理各不相同。

1.1 开挖方式与切削机理

目前盾构常用刀具的开挖方式有切削式、破碎式和挠取式三种。

1)切削式刀具是利用刀刃对土砂施压，土砂受到的剪切力达到极限破坏应力时产生剪切变形，并以土屑形式沿刀具前面流出，实现土体开挖。土压盾构的主切削刀一般均为切削式刀具，可通过改变前角和后角来变换切削刀的形状：在土体抗压强度较小的地质条件下，适合装配前角及后角较大的切削刀，以增加刀具的锐利程度;而在土体抗压强度较大的地质条件下，适合装配前角及后角较小的切削刀，以增加刀具的耐用度。

2)滚刀是常用的破碎式刀具，利用刀刃滚压岩石，在盾构推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的运动，在岩面被碾压出一系列大小不同的同心轨迹，当超过岩石的受力极限时，两个同心轨迹之间的岩石即被碾裂破碎。土压盾构一般不选用滚刀作为掘削刀具。

3)挠取式刀具主要用来分离土砂颗粒，疏松土体。用于砂卵石掘进的先行刀是典型的挠取式刀具，它是一种介于切削刀和滚刀之间的刀具形式，同时具有两种刀具的部分功能。先行刀可以看作是不能转动的滚刀，也可以看作为刀具刃口前后角较小的切削刀。

1.2 土屑的形态

切削式刀具开挖的土屑具有不同的流动形态，常见的土屑形态有流动型、裂断型、剪断型和剥离型四种。

1)流动型在含水黏性土层中，随着切削刀的运动，土体从刀刃起产生连续的剪切变形，土屑沿前刀面连续流动，呈流动型土屑。此时，切削阻力很小并且比较稳定，刀具耐用度高。

2)裂断型在黏性颗粒少、含水率低土层中，切削刀的运动使土压缩，土屑先从刀刃处发生微裂，继而断裂，形成裂断型土屑。此时，作用于切削刀的切削阻力呈脉动状态，易导致刀盘振动，并使盾构外表面于土体的摩擦阻力减少，这是引起盾构发生旋转的重要因素。

3)剪断型当土的硬度高或切削刀前角小时，随着切削刀的运动，土产生压缩变形，进而从刀刃起沿某平面产生剪切变形，土屑呈剪断型。该状态是裂断型向流动型过渡的状态。

4)剥离型在混有沙砾的土层或砂砾地层，切削刀的运动将沙砾从土中剥离或将砾石从砂中剥离，形成剥离型土屑。

土屑的形态除取决于土砂的组成成分及其性状外，还与切削角度、切削速度和切削厚度有关。土屑的流动状态会随土质、切削角度、切削速度和切削厚度变化而发生改变。土中含水率低时，若提高切削速度，土屑会由裂断型向流动型转变;切削刀的前角减小或切削厚度增大时，土屑会由流动型向裂断型转变。

2 异形盾构刀盘的结构设计

2.1 切削式刀具的种类与适用条件

切削式刀具主要由矿山用硬质合金刀片和刀体组成，刀片焊接在刀体上，根据刀片的焊接方式和刀具的安装形式进行分类。

2.1.1 按刀片焊接方式分类

按刀片的焊接方式不同，分为附着式和嵌入式，如图1所示。

1)附着式亦称板式，刀片平焊于刀体上，切削时，刀片的切削面全部暴露在土砂中，如图1a所示。多适用于黏土、粉土、粉砂等地层;采用特殊形状刀片制造的强化型板式刀具，耐冲击性能显著提高，越来越多地用于砂卵石地层。

2)嵌入式刀体上开槽，刀片嵌入槽内并与刀体焊接，仅参与切削的部分刀片暴露在槽外，如图1b所示。刀具耐冲击且刀片不易脱落，适用于砂卵石地层。

2.1.2 按刀具与刀盘连接形式分类

按刀具与刀盘连接形式不同，可分为栓接式、销接式和焊接式，如图2所示。

1)栓接式用螺栓将刀具安装在刀盘上，便于更换，但必须采取措施防止螺栓松动和磨损。适用于需要掘进中途更换刀具地场合。

2)销接式用圆柱销将刀具安装在刀盘上，刀具能围绕圆柱销适当转动，当刀盘回转切削时，用于相反方向回转切削的刀具脱离开挖面，以避免磨损，且便于更换，但必须采取措施，防止紧固圆柱销的螺钉松动和磨损。适用于需要掘进中途更换刀具地场合。

3)焊接式刀具直接焊接在刀盘上，安装牢固，不易脱落，但更换不便。适用于在黏土、粉土、粉砂等地层掘进且中途不需要更换刀具的盾构上。

2.2 异形盾构变异五杆切削机构刀盘设计

异形盾构变异五杆切削机构，可以根据不同的轨迹要求切削出不同的断面。在实施切削过程中，刀盘结构要在传统圆形刀盘的基础上有所改进和创新，才能满足不同的切削要求。

如图3所示，主电机即常速电机1驱动内齿轮(相当于变异五杆机构中的杆AB)做匀速运动，内齿轮将运动传递给杆BC(刀盘)，可控电机5则驱动杆DE按照对应的轨迹方程实现对应给定的位置，与杆AB的匀速运动合成为刀盘工作点P点的运动。具体学术构想是在盾构机的前部安装变异五杆机构，在变异五杆机构杆BP上布刀，从而实现不同轨迹的异形断面切削。

1-常速电机;2-刀盘;3-盾体;4-防护罩;5-可控电机;6-内齿轮;7-机架;8-推进油缸;9-螺旋输送机

在异形盾构掘进施工过程中，在盾构推进力的作用下，排列在刀盘边缘的切削刀紧压工作面，随着刀盘的运动，在掘削面上切削出一系列大小不同的同心异形轨迹，其轨迹遍布整个掘削面，从而实现整个异形断面的切削。刀盘工作点P点的运动轨迹最大。其他位置刀具的轨迹是较小的相似异形轨迹。随着盾构机的推进，即可掘削出不同的异形断面隧道。

决定异形盾构刀盘设计的因素大致主要有地质条件、隧道条件和环境条件。要在全面分析的基础上，确定刀盘形式、刀具的选择与合理布置。

刀盘形式的选择主要依据开挖面土压平衡控制的可行性与地质条件的适应性进行考虑。为减小推进阻力、并考虑到曲线(或纠偏)掘进，刀盘的切削直径应适当大于盾构外径，两直径的差值取决于地质条件、曲线掘进的曲率半径以及是否配置超挖刀或仿形刀(用于曲线掘进)等因素。

刀盘旋转方向的合理切换，可以有效地限制盾构在掘进过程中绕水平轴旋转，因此要求盾构刀盘能够正、反两方向回转，并使刀具成对布置在刀盘上。为保证全断面开挖，刀盘上的每一个区域至少配置一把刀具。因刀盘外周区域切削距离长，为提高刀具寿命，刀具密度可适当大些。

根据以上原则设计出变异五杆切削机构的刀盘，其结构如图4所示。

1-刀盘盘体;2-先行刀;3-周边刀;4-切削刀总成

在刀盘盘体的径向边缘布置周边刀，即在变异五杆切削机构刀盘所在的BCP杆工作点P点处布置周边刀，其结构如图5a所示;在BCP杆之间的刀盘上以中心线为对称轴布置先行刀，其结构如图5b所示;在刀盘轴向边缘以中心线为对称轴布置切削刀，其结构如图5c所示。

周边刀亦称保径刀，由超宽的切削刀构成，采用焊接双嵌入式刀片结构，用于切削外周土体，保证开挖断面切削轮廓;先行刀采用在国内外盾构施工中被广泛应用的贝壳刀，在开挖面分层切削，预先疏松土体，减小切削阻力，降低切削刀的冲击载荷，提高切削刀刀具寿命;切削刀采用销接式双刀片结构，在切削过程中，主要承担切削任务，起主要的切削作用。与传统的圆形盾构相比，变异五杆切削机构刀盘不仅要轴向进给切削，还需径向进给切削，轴向和径向切削是同时进行的，所以在刀盘设计时省去了中心刀，这也是对变异五杆切削机构刀盘结构的改进和创新。

3 结语

传统盾构切削出的断面为圆形，但从实际应用和隧道结构来看，异形断面的隧道更为合理。目前，异形盾构的刀盘结构较为复杂，所以一直未得到很好的应用。本文探讨了不同类型盾构刀具的切削机理，并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘，实现了刀具的最优化布置，为变异五杆切削机构在异形盾构中的应用提出了独创性的设计构想，是对传统刀盘的改进和创新。

摘要：异形盾构是盾构技术发展的一个主要方向,设计合理的刀盘是开发异形盾构的核心技术。探讨了不同类型盾构刀具的切削机理,并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘,实现了刀具的最优化布置,是对传统刀盘的改进和创新。

关键词：异形盾构,刀盘,刀具,设计

参考文献

[1]张国京.北京地区土压式盾构刀具的适应性分析[J].市政技术,2005,23(1):9-13.

[2]邹积波.盾构刀具磨损原因探析[J].建筑机械化,2003,(11):57-58.

[3]何伦.盾构施工与切削机理研究[D].广州:华南理工大学,2003.

[4]丁瑞庭.异形盾构五杆切削机构的研究[D].上海:同济大学,2004.

[5]奚鹰.盾构掘进机异形隧道切削机构的理论研究[D].上海:同济大学,2006.

盾构机刀盘驱动液压系统设计探索 篇4

1 盾构刀盘的驱动方式

在盾构机的组成部件中, 刀盘是掘进工作的主要工作机构, 对于盾构机而言是核心工作部分。对于盾构机中的刀盘来说, 其具体的作用有:隧道岩土破碎切削功能、固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。刀盘的驱动方式能够实现效率高、范围广的要求, 同时刀盘的推进速度也会随着具体掌子面的实际地质情况而有所变化, 例如在针对硬岩层与软土层所用到的动力及刀盘运转速度会有巨大的差别。

在目前盾构刀盘的主流驱动方式中, 主要有变频电机驱动及液压驱动。变频电机驱动主要存在以下特点, 适应不同工况条件下的频繁变速;采用电磁设计, 减少了定子和转子的阻值;在一定程度上能够节省能耗。而文章主要探讨、设计的是刀盘的液压驱动方式, 其主要的构成部件有液压泵、阀组、液压管路、液压驱动马达、减速缓冲部件、大小规格不一的齿轮、主轴承以及相应的密封件构成, 通过液压马达所提供的动力来带动刀盘的运转, 刀盘的旋转速度由液压马达及其相应动力传动装置来进行调节控制, 液压驱动刀盘的盾构机具有环境适应性强、维护修理较为简便和结构可靠、刀盘旋转速度易掌控并且具有过载保护的能力。

2 刀盘驱动液压系统原理设计

刀盘驱动液压系统原理设计如图1所示。液压驱动系统的设计一般为开放回路, 能够普遍适应以下两类施工工况:即软土地层, 一般采用增大刀盘旋转速度降低刀盘扭矩的方案;而硬岩地层下的施工工况, 一般采用降低刀盘旋转速度加大刀盘扭矩的方案。此两类工况下的施工转换能够使用电磁换向阀5.3来完成, 若电磁铁C出现失电情况时, 可通过设置溢流阀5.1来确保液压驱动系统的最大压力, 此刻, 将液压驱动系统的压力值调整到25MPa, 刀盘的扭矩就会增大, 而因为液压动力不足, 刀盘的实际旋转速度就会降低。对于液压系统的刀盘旋转速度而言, 只需调节液压变量泵6的压力即可完成对于刀盘旋转速度的实际控制, 对于液压系统的动力来源马达而言, 通过对于压力传感器3的调节控制, 即可完成测量进油口压力的工作, 将测得到的进油口压力通过信息系统的计算处理之后, 将其运用到液压变量泵6的比例阀之上, 最终形成对于刀盘旋转速度的整体内部系统控制。

通过对于变量调节机构的控制, 实现了变量泵能够在整个刀盘液压系统中进行无级调节, 并且能够通过比例电磁阀, 形成对电流大小的调节;恒功率的系统功率控制要在变量调节控制之前, 即为若刀盘转动速度的实际需求未达到相应的功率标准, 则实际排量将会受到电流的调节影响, 若刀盘转动速度的实际需求达到或超出相应的功率标准, 则恒功率控制就会替换相应的电子控制变量, 且依据恒功率来缩小相应的排量标准。刀盘液压系统的驱动马达1正反方向的转向控制, 需要通过换向阀4调节, 电磁铁B1得电, 刀盘液压系统的驱动马达即实现正向旋转, 电磁铁B2得电, 刀盘液压系统的驱动马达即实现反转, 通过单向阀8实现对于进油口压力的最低控制, 此阀门的启动压力值一般为0.80MPa。

3 阀块组及液压站设计

3.1 插装阀块的设计

插装阀块主要是通过运用先导元件、底座盖板、插装元件组成的逻辑控制阀。插装阀块具有结构简便、防御污化能力强、操作简易、通流量大、结构稳固、密封性能强等特点, 尤其适合于大型液压系统的集成化。此次涉及的刀盘液压系统的压力控制阀, 通过安装的插装阀5来进行安全保障, 其中包含了2个压力控制阀, 以及1个方向换向阀, 从而能够满足盾构掘进中的两类施工工况。

3.2 液压泵站设计

在盾构机的机体内, 液压泵站一般设计在其拖车一侧, 因此也就决定了液压泵站的整体构建、分列为长串排列式, 即液压泵和驱动电机在前部位置, 液压油箱在后部。由于盾构机的拖车节长一般为8m左右, 因此使液压油箱受到了一定的局限性。一般情况下, 液压系统的消耗较大, 其需要散发的热量也较大。

散发的热量功率为:

其中Nz E-主驱动电机的输出功率

ηmm-马达的机械效率

ηmv-马达的容积效率

ηzpm-主驱动泵的机械效率

ηzpv-主驱动泵的容积效率

4 结束语

文章主要通过对于盾构机刀盘驱动液压系统设计的探索研究, 分析了目前盾构刀盘的主要驱动方式有变频电机驱动及液压驱动, 阐述了此两种方式各自的优点。文中主要进行了对于刀盘驱动液压系统原理设计探索, 以及阀组及液压泵站设计, 经过试验结果发现, 盾构机在掘进过程中推进了一环 (1.5m) 时, 冷却系统未启动, 整机系统的温度仅仅升高了9℃, 此项试验结果显示该系统能量损耗较低。采用此类的配比变量泵能够有效的调节液压驱动系统马达。

摘要：文章主要分析了盾构机刀盘驱动液压系统的设计要求, 阐述其具体的工作设计原理及特点。针对目前盾构机刀盘驱动液压系统存在的问题, 设计出结构相对更加简单、性能更加优越的盾构机刀盘驱动液压系统。

关键词：盾构机,刀盘驱动,液压系统,设计

参考文献

[1]林军, 刘强.盾构机刀盘控制系统的机理与维护[J].机床与液压, 2009 (5) .

[2]张魏友, 黄晓华.基于AMESIM的EPB盾构刀盘液压驱动系统的仿真研究[J].机械制造与自动化, 2013 (4) .

刀盘设计 篇5

1 南京地铁4号线

南京地铁4号线D3-XK02标东流站-青龙站区间左线长2 177m, 右线长度为2 189m。盾构施工地段主要穿越三叠系中风化泥质砂岩及下侏罗系中风化的泥质砂岩, 岩石的石英含量高。地下水以孔隙潜水和裂隙水为主, 渗透系数2×10-5m/s。

通过隧道由经区域取样点的岩石强度试验分析, 岩石单轴抗压强度平均为30~40MPa, 最大单轴抗压强度可达80~90MPa, 岩石强度较高。

根据地层地质情况和渗透系数, 设备选型为土压平衡盾构, 南京地铁四号线穿越的是基岩层, 且岩石强度较高, 刀盘应采用复合式刀盘, 并配备滚刀以破碎岩石, 地层主要由中风化的泥质砂岩组成, 易结泥饼, 因此要兼顾刀盘开口率, 在保证强度的同时, 尽量增加开口率, 而且地层含三叠系岩层, 石英含量较高, 因此刀盘的防磨、耐磨性要好。基于以上分析, 刀盘的设计如图1所示。

刀盘采用4辐条+4辐板结构, 开挖直径 钢板材料Q345B, 总重57t, 保证了刀盘具有足够的刚度和强度, 而且这种结构形式的刀盘开口率较大, 能达到34%, 并辅助以泡沫系统进行土壤改良, 可以防止结泥饼和减少刀盘堵塞的风险, 刀盘上配备有40把17″盘型滚刀、76把刮刀和8把周边刮刀, 滚刀的刀间距为100mm, 起到了良好的破岩效果。在刀盘面板上焊有Hadox耐磨板, 其它易磨损位置进行网格状耐磨堆焊, 刀盘圆周焊接硬质合金条。刀盘背面设置4个搅拌棒, 可以实现碴土充分搅拌, 使碴土顺利通过。刀盘上布置5路独立的泡沫注入口, 起到很好的碴土改良效果。此结构刀盘已在南京现场施工, 效果良好。

2 长春地铁1号线

以长春地铁1号线解放大路到自由大路站、北京站到人民广场站区间为例, 长春地层主要为软土地层, 并含有大量泥岩层, 且围岩不稳定, 易塌方, 选择土压平衡盾构软土刀盘最为合理。刀盘设计不再是“破岩”, 而是“切削”土体, 软土刀盘受力较小, 结构简单, 刀具采用撕裂刀和刮刀配置较为合理, 图2为长春地铁1号线刀盘结构及刀具布置。

刀盘采用6辐条+6辐板结构, 开挖直径6.28m, 钢板材料Q345B, 总重46t。为了更好有效的切削土体, 中心刀采用鱼尾刀, 刀盘正面布置26把撕裂刀, 撕裂刀刀间距为96mm, 为了更好地提升刮刀的耐磨性以及抗冲击能力, 刀盘布置了60把宽刃刮刀, 在辐条周围布置了12把周边刮刀。由于地层的磨蚀性不强, 出于设备成本的考虑, 仅在圆周部位焊有Hadox耐磨板, 刀盘面板为网格状耐磨堆焊。当刀盘挖掘泥岩地带, 很容易造成刀盘处结泥饼, 堵塞刀盘, 设计上采取了以下的应对措施防止泥饼形成。

1) 将刀盘开口率增加至36%, 特别是加大刀盘中心部位开口, 防止物料滞留。

2) 刀盘背部设有5个动态搅拌棒, 加强物料的搅动。

3) 刀盘上布置6路泡沫注入口, 可以有效地进行土体改良。

4) 中心隔板配备高压冲水口, 一旦中心处结泥饼, 可以通过喷射高压水进行缓解和治理。

3 莞惠城际GZH-6隧道

莞惠城际GZH-6隧道地质主要由微风化的混合片麻岩构成, 岩石的单轴抗压强度最大值为83MPa, 岩石较硬, 选择土压平衡盾构的复合式刀盘较为合理。刀盘主要配备滚刀和刮刀, 刀盘结构见图3。刀盘开挖直径8.83m, 材料Q345C, 重量91t, 刀盘采用12辐条+6辐板结构, 为了达到最好的破岩效果, 配备54把17″单刃滚刀, 刀间距92mm, 188把刮刀及24把周边刮刀, 刀盘设有8路独立泡沫注入口, 起到很好润滑土体效果, 有利于减少刀具磨损。

4 结论

盾构刀盘掘进数值模拟分析 篇6

为了保证刀盘安全性, 须对刀盘强度进行强度计算分析, 但是传统计算分析大多是通过力学计算模型进行计算, 随着计算机技术的发展, 计算机模拟分析逐步替代了传统的计算方式, 虽然也有很多专家学者使用计算机对刀盘受力状况进行了模拟, 如采用计算机模拟了刀盘与岩石相互作用, 分析刀盘与岩石刚度对刀盘参数的影响、对刀盘在静态环境下应力有限元分析、刀盘运动数字仿真, 采用有限分析方法对刀盘进行有限元设计等, 但是这些研究主特点是把刀盘刀具考虑为静态情况进行单一受力分析, 与盾构实际掘进工况相差较远, 远远不能够科学合理的设计盾构刀盘。

以某项盾构现场掘进参数及基础, 结合现有有限元分析在刀盘刀具分析方面的应用状况, 采用Ansys Workbench完成盾构刀盘准动态掘进分析。通过研究刀盘在不同地质条件下的应力应变情况, 为盾构刀盘设计和现盾构掘进参数控制提供指导。

1 工况背景

某项目盾构直径6 280mm, 刀盘表面和开口部位焊接有耐磨层, 外圈焊接有耐磨板。为适应粘土地层, 防止中心部位粘结泥饼, 刀盘开口率为35%, 刀盘开口部分设计为便于流动的楔形结构, 开口逐渐变大, 利于碴土流动。在刀盘背面的支撑臂和搅拌臂将注入的泥水和开挖碴土在刀盘后面进行充分搅拌。刀盘通过法兰安装在主轴承的内齿圈上, 通过液压马达驱动。刀盘设计为双向旋转, 其转速可无级调节, 转速范围为1~6r/min。为了适应本隧洞工程的地质, 在刀盘上安装了不同形式的刀具, 共有15把17寸单刃边滚刀, 16把17寸单刃正滚刀、4把17寸双刃滚刀和64把切刀。

针对项目特点, 选取地层结构较为复杂地段进行分析。该段地层包含人工填土、淤泥、砂质粘性土, 砾质粘性土、粉砂、混合岩、花岗岩等各种岩土层, 为典型的软硬不均地层.在盾构掘进过程中不但会对刀盘造成受力不均, 而且会对刀盘造成一定冲击, 并且容易造成地表沉降, 地层立面剖视图如图1所示。

盾构施工过程中, 推力与扭矩的控制随着地层变换而变化, 粘土、填土等地层由于土体抗压强度较小, 较小的推力便能产生较大贯入度, 但是土体的阻力, 刀盘驱动扭矩会比较大。在硬岩地层, 由于岩石抗压强度较高, 需要较大推力方能破岩, 并且刀具贯入度较小, 因此刀盘驱动扭矩较小。图1所示地层中50环管片对应的盾构推力、扭矩如图2、图3所示。

2 分析思路

盾构刀具掘进数字化分析总体分为验证性分析和探索性分析。验证性分析主要针对已知的掘进数据进行分析验证, 如图4所示, 通过设置地层边界条件和盾构边界条件, 对刀盘和地层进行有限元分析, 如果刀盘的应力应变、震动频率没有超出设计值且地层没有出现过大沉降、隆起等, 认为掘进参数可以使用。探索性分析为只设置地层边界条件、盾构边界条件、盾构初始掘进参数和最大施工风险条件。通过掘进分析判断, 如果施工参数没有达到施工风险点, 则系统自动修正掘进参数, 直至达到施工临界风险点, 即通过有限元系统自动计算出最佳施工参数。本文主要针对验证性分析进行研究。

盾构刀盘掘进过程验证性受力分析主要包含刀盘震动模态分析和不同地层条件下刀盘应变分析。根据项目盾构刀盘参数, 以Ansys Workbench为平台, 完成刀盘刀具整体震动特性分析。根据岩土物理性能试验, 获取地层岩土物理性能参数, 结合项目刀盘刀具参数和掘进参数完成盾构刀盘掘进分析, 获取刀盘应力应变数据 (图5) 。

3 盾构刀盘有限元分析

盾构刀盘有限元分析主要以项目施工数据为基础, 以Ansys Workbench为平台, 采用准静态方法完成盾构刀盘在不同地层掘进过程中应力应变分析, 获取盾构刀盘应力应变数据。

通过有线元分析, 获取刀盘最大等效应力和变形。应力表示有很多种方法, 有限元的最大应力是根据材料力学第四强度理论, 采用mises等效应力表示, 变形量采用等效变形表示。在50环掘进过程中, 刀盘等最大效应力变化曲线与应力云图如图6所示, 在掘进过程中最大等效应力为281.54MPa;最大变形量变化曲线如图7所示, 掘进过程最大等效应变为其中最大变形为3.3796mm。

由有线元分析结果可知, 在该段地层掘进过程中, 盾构刀盘最大应力和变形没有超出设计值, 满足盾构安全性能需求, 由此也证明了在该段地层此盾构掘进参数比较合理, 在类似地质工程中可使用此掘进参数, 既能保证盾构安全掘进, 又能发挥盾构最大效率, 实现快速掘进。

4 工程应用

完成盾构刀盘应力应变分析后, 采用获得的应力应变变化情况与刀盘设计相关技术标准进行对比, 进而完成对刀盘优化设计并确定刀盘在掘进过程中合理的推力与扭矩。通过对刀盘进行动态掘进有限元分析, 从理论分析角度确定了在盾构施工中刀盘掘进控制参数, 为盾构实际施工参数控制提供指导, 保证盾构安全高效掘进。

5 小结与展望

通过对刀盘准动态应力应变分析, 得到刀盘在不同地层条件下应力应变分布情况, 为盾构刀盘设计和现场施工过程对刀盘转速控制提供了数据基础。但是, 本文只是研究了在不同地质条件下刀盘受力状态, 缺少掌子面受力分布研究, 因此, 还需针对岩机动态耦合过程分析, 不但获取刀盘最优设计参数, 掌握刀盘应力应变分布情况, 还要获得在掘进过程中刀盘掘进控制参数, 获取在盾构扰动条件下地层沉降参数, 保证盾构安全、高效施工。O

参考文献

[1]宋克志.盘形滚刀与岩石相互作用研究综述[J].铁道工程学报, 2005, (6) :72-75.

[2]张照煌.盘形滚刀与岩石相互作用理论研究现状及分析 (一) [J].工程机械, 2009, (9) :25-28.

沈阳地区盾构机刀盘的研究 篇7

关键词：沈阳地铁,盾构机,刀盘

0 引言

作为盾构机的关键部件之一, 刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌土砂的功能。刀盘型式及结构直接关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。

一组关于施工时刀盘换刀情况的数据 (单线) :

沈阳1号线云峰街 (NFM) 左线, 施工过程中更换过一次部分的先行刀和周边刮刀;右线施工过程中更换了一次所有的48把先行刀和5把周边刮刀。

沈阳2号线 (NFM) , 在过浑河前进行了一个换刀工作。周边刮刀6把, 刮刀15把。

沈阳1号线南市 (IHI) 线, 在整个单线施工过程中没有一次换刀, 但是在换线的时候更换了刀盘上所有的刀具。

由此可见在沈阳地区, 2家盾构机刀盘的使用情况有较大的差距。

1 刀盘结构

NFM用的是辐板式刀盘, IHI用的是辐条式刀盘, 两家刀具布置是比较通用的形式。

根据2个刀盘的比较, 明显不同的是开口率的大小, 中心刀的设计, 先行刀的选型。

开口率即刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值, IHI由于没有辐板, 所以开口率要明显大于NFM。在沈阳这种沙土地质条件下, 辐条式结构是要优于面板式的, 那么为什么NFM要添加辐板呢?主要是考虑到如果地层里出现了直径较大的石头, 可能会能在没有被破碎的情况下就被刮进土仓, 而螺旋输送机的输送直径小于石头直径导致石头始终不能被送出而遗留在土仓中。IHI的刀盘设计就是舍弃了出现大直径孤石的情况, 这是需要客户提供非常准确的地质报告为前提的。NFM的辐板式刀盘, 在很好的解决大直径漂石, 孤石情况的同时也会导致本来应该切削下来的沙石留在刀盘掌子面, 从而使刀具对其多次切削, 影响刀具寿命。

因此在刀盘结构上应该有所偏向性, 不管是从成本, 还是设计难度上都应该做一个全面的平衡和思考。

2 刀具配置

2.1 中心刀的布置

NFM的几个项目中的刀盘中心刀轨迹直径分别为:Φ1355;Φ1430;Φ1368;IHI在沈阳项目中心刀的轨迹直径为Φ1500。中心刀刀尖到刀盘面板的距离:NFM的数据基本在250上下, 而IHI的为560mm。

关于为什么两种类型的中心刀到刀盘面板的距离相差这么大?更大的距离数值表示了刀具在挖掘时更大的探身量, 但是这种大的探身量会加剧的掌子面土质的不稳定, 虽然这在挖掘中可以保证很快的掘进速度和提高刀具的寿命, 但是如果在排渣和泥土输送没有保证的情况很容易造成机器抱死或者喷涌等不良现象, 所以日本IHI公司在螺旋输送机的设计上更偏爱无轴式以增大排土量。

2.2 刮刀的布置

在刀盘切削过程中, 由于近刀盘边缘旋转速度比靠近中心部位的转速要快, 且沿地层的直线距离较长, 因此边刀的磨损量大于中心刀, 所以在设计时由中心向刀盘边缘逐渐增加刮刀的布置数量。从资料上看NFM标准刮刀共92把, IHI的标准刮刀共82把, 可见刀盘上刮刀的数量并不是越多, 切削能力越好。过大的考虑安全系数影响了刀具的配置, 过多数量的刮刀不仅增加了制造成本, 也因此增加了刀盘自身重量, 从而导致影响了开挖能力。

根据刀具配置要覆盖整个开挖断面的要求, 同时为保证刀盘受力均衡, 运转平稳, 一般刀具要对称性布置;刮刀要正反方向布置, 同时要确保每个轨迹有2把反向刮刀这个要求。可以较容易的排列出刮刀轨迹, 根据沈阳沙土地质的特点, 一般在同一轨迹同一方向上只配备2把刮刀即满足使用要求。

2.3 先行刀的布置

因为先行刀都是配合刮刀切削工作, 所以一般设计为同一轨迹上一把刮刀要配置一把先行刀即可。NFM的先行刀数量为48把, 而IHI公司的是32把。NFM用的都是相对小型的撕裂刀, 而IHI的先行刀大多采用的是贝型先行刀。由于贝型先行刀主要特点类似滚刀, 所以它的破碎和切削能力要强于普通先行刀, 由此可以看出先行刀在松软图层中起到了决定性的作用。虽然这种贝型刀具的重量和成本相对要高, 但是带来的效果也确实是有目共睹的。

3 刀具的高低差

刀具的超前量并不是越大越好, 超前量大时, 对地层的切削性较好, 但对开挖面扰动较大, 不利于开挖面的稳定;反之对地层的切削性较差, 但对开挖面扰动较小, 有利于开挖面的稳定;因此应根据地质条件合理确定刀具的超前量才是最重要的。

NFM的先行刀超前刮刀10mm~15mm, 刮刀超前面板70mm, 且刮刀没有高低差。IHI的贝型先行刀超前刮刀50mm, 刮刀超前面板分110mm和90mm两种, 且同一方向同一轨迹这两种同时存在。

通过对现场使用情况的调查, 发现NFM的先行刀的布置并不合理, 先行刀和刮刀的距离过近, 不利于破碎, 且先行刀的刀刃过短, 导致了一个比较严重的问题, 即如果先行刀的刀刃已经磨损掉了, 而刮刀的刀刃仍旧没有进行土质的切削工作, 那就相当于刀盘带了一堆废铁在切削掌子面!这对刀盘的损害很大。IHI的先行刀和刮刀的距离, IHI贝型刀的刀刃距离为61mm和刀刃刮刀的距离为51mm, 从而保证贝型刀在没有完全磨损掉时, 刮刀就已经起到了切削作用。针对NFM的刮刀到刀盘面板全部一个距离和IHI的两个距离, 可以假设一个极端状态, 当NFM有一个轨迹上的刀具刀刃被磨损掉了, 那么这个轨迹上就没有了切削能力, 但是此时刀盘仍在推进转动, 那么这个轨迹上的土就会因为没有被切削下来而挤压磨损的刀具, 从而导致刀座的损坏甚至刀盘的损坏;而IHI则由于存在高低差而保证刀盘的顺利切削, 同时在没有磨损刀盘前可以及时进行更换刀具。进一步讲IHI的刮刀通过高低差, 以一种循序渐进的方式, 逐渐接触掌子面进行切削, 这样非常有利刀盘的切削和刀盘寿命。

参考文献

[1][日]地盘工学会.盾构法的调查、设计、施工[M].牛清山, 徐华, 陈凤英, 译.中国建筑工业出版社, 2008.

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].中国建筑工业出版社, 2004.

刀盘设计 篇8

1 变量泵—马达回路系统仿真分析

变量泵回路系统液压原理如图1所示, 对其液压系统功能和拓扑结构进行分析, 建立用节点和元件 (子系统) 表示的与原系统等价的变量泵回路液压系统仿真拓扑结构图, 如图2所示。

利用Matlab/Simulink软件包对该部分模块液压系统工作过程进行仿真分析。变量泵—定量马达速度输出系统的传递函数G (s) 见式 (1) , 建立的Simulink液压系统数学模型如图3所示。

式中V0——高压腔总容积 (泵、马达、管道容积之和) ;

J——马达和负载的总惯量;

Bm——粘性阻尼系数;

βe——油液容积弹性模数;

ωm——马达的角速度;

ωp——泵的角速度;

kp——泵的排量梯度;

Dm——马达排量。

1.1 变量泵—定量马达系统流量特性研究

图4为变量泵—定量马达系统空载时马达在变量泵驱动作用下的流量特性曲线。由式 (1) 可以得出, 该系统输出流量的变化主要由变量泵的特征参数kp所决定。当kp越大, 系统传递函数越大, 流量变化特征越明显。对比图4可以看出:当kp=3时, 液压泵在50s范围内最大流量可以达到600L/min;当kp=5时, 液压泵在50s范围内最大流量可以达到916L/min, kp取值与液压泵流量变化成正比。同时kp对变量泵—定量马达系统的初始流量波动值没有影响。当kp值发生变化时, 液压泵初始流量值始终稳定在500L/min左右不变, 并且达到该值的时间范围也保持不变。

1.2 变量泵—定量马达系统负载特性研究

对变量泵一定量马达系统加载过程进行仿真研究, 模拟与分析定量马达系统的负载输出特性变化曲线。为了真实模拟掘进机刀盘实际施工状况, 对系统在50s内进行转动惯量0~100 000kgm2变化范围的均匀加载, 观察定量马达内部油压变动情况, 仿真结果如图5所示。

由上述仿真结果可以得出, 当对变量泵—定量马达系统持续增加载荷时, 马达内部油压变化比较波动, 但总体变化趋势是随着输入转动惯量的增加而增加的, 即马达内部油压与输入转动惯量成正比。随着负载转动惯量由0增加到100 000kgm2时, 马达内部油压最大值约为340bar。马达内部油压变化波动的主要原因是, 马达驱动刀盘旋转, 而实际的掘进机刀盘及其表面上的多把滚刀质量总和较大, 这对马达内部油压的稳定性产生很大影响。因此, 为解决这个问题, 后文提出了高压蓄能器模型, 以缓解实际施工过程中泵—马达系统的内部油压波动。

1.3 变量泵—变量马达系统

利用Matlab/Simulink软件包对变量泵—变量马达系统工作过程进行仿真分析。依据上文计算出的系统传递函数, 如式 (2) 和式 (3) , 应用Simulink建立液压系统数学模型如图6所示。

式中Ct——系统总泄漏系数, 由泵、马达容积效率决定;

αp——泵的斜盘摆角;

p0——某工作点压力;

TL——外负载扭矩。

变量泵—变量马达系统主要应用于掘进机刀盘复杂施工状况条件下, 用于液压系统驱动刀盘转速在0~6.36r/min之间的无级调节中。变量泵—变量马达系统使得刀盘旋转速度可以随着所承受的负载变化而变化, 在小负载时为高速小扭矩状态, 在大负载时为低速大扭矩状态。同时, 变量泵和变量马达分别具有调节流量的作用, 泵与马达之间可以进行流量补偿调节, 二者均可对刀盘速度变化进行实时调节。

假定变量马达随负载的改变线性变化, 变量泵排量变化遵循恒压变量泵的排量变化趋势。通过压力传感器对系统压力进行检测, 并将信号分别控制马达和泵的排量。设置负载在20s内从0递增至1 570k Nm, 泵为最大排量不变, 如图7为马达的压力特性曲线, 图8为马达的排量特性曲线。同样的, 设置马达为最大排量不变, 得到变量泵的压力和流量曲线如图9和图10。

对比图7和图9, 可以得出, 在变量泵压力变化时, 马达的压力特性曲线也随之发生相同的变化趋势。但马达的压力变化会产生波动, 这主要是由于负载作用而引起的。变量泵与马达的流量特性曲线与压力特性曲线特征一致。

针对变量泵—变量马达系统的流量特性进行仿真分析, 对该系统输入流量进行变量输入。0~5s输入流量为200L/min, 5~10s输入流量为400L/min, 10~15s输入流量为520L/min, 15~20s输入流量为100L/min, 在该种变化输入流量条件下观察马达的流量变化特性可以得出, 在变量泵流量变化时, 马达流量变化趋势相同, 但是由于负载影响, 流量特性曲线也产生了相应的波动。变量泵在恒压控制下当压力没有达到设定值时泵为最大流量输出, 在达到设定压力时流量降低以保持压力恒定, 最后降至最低, 以维持系统的泄漏量。

2 液压冲击模块

针对刀盘实际运行与施工状况, 将刀盘的冲击扭矩分为6个工况。相对较软的岩层, 采用低速大扭矩档, 马达排量为500m L/r, 扭矩分为4档, 分别为1 000k Nm、2 000k Nm、3 000k Nm和4 000k Nm;针对硬岩地质, 采用高速小扭矩档, 马达排量为225m L/r, 扭矩分为2档, 分别为1 000k Nm和1 500k Nm。掘进机过程的刀盘转速与调节信号关系特性曲线如图11所示。

从图11中可看出, 无论是低速大扭矩档还是高速小扭矩档, 刀盘转速与调速信号基本上呈线性关系, 即刀盘转速能随调节信号的改变而成比例的改变, 且当负载越大, 刀盘波动越明显, 这与实际情况相符合, 因为负载越大, 马达输出扭矩就越大, 系统的输出功率就越大, 越不容易稳定, 因此很容易产生波动, 同时会造成系统压力的波动, 如图12所示。从图中还可看出, 负载扭矩越大, 刀盘转速越是滞后, 这与实际是相符的。低速挡轻载时, 驱动泵工作, 刀盘转速可达2.61rpm, 重载时可达到1.61rpm。高速挡轻载时, 主驱动泵工作, 刀盘转速可达到5.46rpm;重载时可达到3.47rpm, 且此时刀盘波动幅度很大, 原因是快接近刀盘所能驱动的极限扭矩。

系统压力变化曲线如图12所示。负载扭矩相同时, 系统压力在低速挡时低于高速挡:当T=1 000k Nm时, 系统压力分别为8.13MPa和13.62MPa。由此可看出, 当刀盘转速相同时, 高速挡比低速挡消耗功率大。同时, 由图14系统功率曲线可看出, 轻载时, 系统功率小;重载时, 系统功率大。系统流量变化曲线如图13所示, 从图中可看出, 负载扭矩大时, 系统流量大;负载扭矩小时, 系统流量小。

3 结论

1) 变量泵—定量马达系统负载特性研究表明, 马达内部油压变化比较波动, 总体变化趋势是随着输入转动惯量的增加而增加的, 即马达内部油压与输入转动惯量成正比, 随着负载转动惯量由0增加到100 000kgm2时, 马达内部油压最大值约为340bar。

2) 变量泵—变量马达系统在变量泵压力变化时, 马达的压力特性曲线也随之发生相同的变化趋势。变量泵与马达的流量特性曲线与压力特性曲线特征一致。

3) 刀盘转速与调速信号基本呈线性关系, 即刀盘转速能随调节信号的改变而成比例的改变, 且当负载越大, 刀盘波动越明显。负载扭矩相同时, 系统压力在低速挡时低于高速挡。当刀盘转速相同时, 高速挡比低速挡消耗功率大。

参考文献

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