大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置研究

張英明 邵明月

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

南京市緯三路越江通道位于長(zhǎng)江大橋與緯七路長(zhǎng)江隧道之間，北接江北岸浦口區(qū)浦珠路，南接江南定淮門大街(S線)和揚(yáng)子江大道(N線)，南線盾構(gòu)段長(zhǎng)4 135 m，北線盾構(gòu)段長(zhǎng)3 537 m。隧道采用雙向雙層X型八車道結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)開挖直徑達(dá)14.96 m，是目前世界上最大的盾構(gòu)隧道之一。江中存在巖層、卵石復(fù)合地層及卵石層、砂礫石復(fù)合地層，石英含量高達(dá)65%，硬巖強(qiáng)度在70 MPa～80 MPa;復(fù)合型地質(zhì)中上部為細(xì)砂、粉質(zhì)粘土，下部為粉砂巖，構(gòu)成軟硬不均勻的工作面。對(duì)于這樣長(zhǎng)距離、大直徑、高水壓、淺埋深、復(fù)雜斷面的越江隧道工程，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件和工程條件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造出自動(dòng)化水平高、設(shè)備性能完善的盾構(gòu)機(jī)及配套設(shè)施顯得尤為重要。因此，針對(duì)本工程地層條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下水位高等特點(diǎn)，以及盾構(gòu)施工過程中對(duì)刀具質(zhì)量要求極高，必要時(shí)需更換刀具。南京市緯三路過江通道項(xiàng)目部在盾構(gòu)機(jī)選型和設(shè)計(jì)初期，發(fā)揮制造商和施工單位各自的優(yōu)勢(shì)，通過專家論證、國(guó)內(nèi)外招標(biāo)采購(gòu)14.96 m超大直徑泥水平衡復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)。在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)上，打破以往國(guó)內(nèi)外常規(guī)理念，首次采用刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化水平高等優(yōu)點(diǎn)，使盾構(gòu)機(jī)的配套設(shè)施更加完善合理、適應(yīng)能力更強(qiáng)、設(shè)備性能更可靠、作業(yè)效率不斷提高。本文主要對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)裝置的系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)理念及實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行分析與研究。

1 刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)原理

刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)系統(tǒng)是由人機(jī)界面進(jìn)行操作，PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，運(yùn)用液壓傳動(dòng)原理，通過滑動(dòng)油缸作用于刀盤驅(qū)動(dòng)部整體結(jié)構(gòu)上，使其沿盾體軸線方向在切口環(huán)內(nèi)表面前后滑動(dòng)，通過鎖緊油缸帶動(dòng)制動(dòng)塊實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置制動(dòng)功能，是集機(jī)械、液壓、電氣、自動(dòng)化控制技術(shù)的一體化裝置。該裝置與傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)部相比較，傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)部與切口環(huán)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)部外周設(shè)置2道～4道高強(qiáng)度唇形密封，唇口緊貼切口環(huán)內(nèi)筒體表面，通過向驅(qū)動(dòng)部密封腔內(nèi)注入齒輪油、液壓油或潤(rùn)滑油脂，保證其密封效果。而具有滑動(dòng)功能的刀盤驅(qū)動(dòng)部裝置，驅(qū)動(dòng)部外周安裝滑動(dòng)軸套，并在滑動(dòng)軸套和前后密封填料內(nèi)設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油脂通道，通過向其注入潤(rùn)滑油脂，保證其潤(rùn)滑性和密封性。

2 泥水盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，長(zhǎng)隧短打的方式正在逐漸淘汰，盾構(gòu)機(jī)單次掘進(jìn)長(zhǎng)度大大增加，以及地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，這對(duì)盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性與可靠性提出了更高的要求，優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯得尤為重要。根據(jù)南京市緯三路越江隧道工程特殊地質(zhì)情況及工程特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理利用盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間，在盾體內(nèi)設(shè)計(jì)增加刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)，在盾構(gòu)施工生產(chǎn)中該系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用。下面從刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制方面進(jìn)行分析。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置位于盾構(gòu)切口環(huán)與承壓環(huán)內(nèi)部，上、下滑動(dòng)接觸面為水平面，左、右為對(duì)稱圓弧面。為滿足驅(qū)動(dòng)部能夠在盾體軸線方向相對(duì)滑動(dòng)功能的要求，在結(jié)構(gòu)制作過程中，要保證加工精度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi);而且由于刀盤驅(qū)動(dòng)部負(fù)荷重、直徑大，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)提出了較高要求。在驅(qū)動(dòng)部外周前后密封填料內(nèi)及滑動(dòng)軸套上，設(shè)計(jì)5排潤(rùn)滑油脂注入孔和壓力檢測(cè)孔，并將潤(rùn)滑油脂孔合理分配至驅(qū)動(dòng)部外周(見圖1，表1)。通過油脂供給泵可將油脂沿通道均勻注入驅(qū)動(dòng)部外周表面。在實(shí)際應(yīng)用中，潤(rùn)滑油脂具有冷卻及防銹作用，還可以降低滑動(dòng)面之間的摩擦，減少磨損，延長(zhǎng)刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置的使用壽命。

圖1 驅(qū)動(dòng)部外周潤(rùn)滑油脂注入及檢測(cè)孔

表1 驅(qū)動(dòng)部外周潤(rùn)滑油脂注入及檢測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)及名稱

在油缸配置方面，刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置包括滑動(dòng)油缸和鎖緊油缸兩種。滑動(dòng)油缸規(guī)格型號(hào):4 000 kN×150s×35 MPa×24 No，所有油缸左右對(duì)稱布置在驅(qū)動(dòng)部電動(dòng)馬達(dá)下方，油缸一端作用于驅(qū)動(dòng)部上，另一端作用在承壓環(huán)內(nèi)垂直水平梁上，通過鉸接進(jìn)行連接，在連接銷上安裝止脫板，防止定位銷脫落。鎖緊油缸位于滑動(dòng)油缸活塞桿上，其規(guī)格型號(hào):17 kN×280s×14 MPa×24 No，鎖緊油缸一端安裝制動(dòng)塊，通過制動(dòng)塊與滑動(dòng)油缸之間相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)其制動(dòng)功效，見圖2。

圖2 滑動(dòng)油缸與鎖緊油缸相對(duì)位置

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)共用液壓泵單元，通過電磁液壓換向閥進(jìn)行推進(jìn)模式與滑動(dòng)模式之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)系統(tǒng)操作、分別進(jìn)行液壓滑動(dòng)油缸及滑動(dòng)鎖油缸的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置的滑動(dòng)功能。1)滑動(dòng)油缸設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)由24個(gè)滑動(dòng)油缸組成，分為6組，各組液壓油路并聯(lián)，每組4個(gè)油缸由電磁換向閥進(jìn)行方向控制。當(dāng)電磁換向閥工作時(shí)，油缸動(dòng)作并作用于刀盤驅(qū)動(dòng)部結(jié)構(gòu)上。在滑動(dòng)油缸液壓系統(tǒng)中，最大溢流壓力為35 MPa，設(shè)計(jì)液控單向閥及單向閥，使油缸運(yùn)行平衡，減小外部沖擊對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)裝置的干擾，從而保證液壓系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。另外，在調(diào)試滑動(dòng)油缸時(shí)，可將排氣端常閉截止閥打開，待油缸動(dòng)作平穩(wěn)無(wú)殘余氣體時(shí)，再將其關(guān)閉，避免液壓油中混有空氣，減少外部因素對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，液壓原理見圖3。2)鎖緊油缸設(shè)計(jì)。鎖緊油缸與滑動(dòng)油缸數(shù)量相對(duì)應(yīng)，每個(gè)油缸油路并聯(lián)，由電磁換向閥單獨(dú)進(jìn)行控制，通過鎖緊油缸帶動(dòng)制動(dòng)塊對(duì)滑動(dòng)油缸制動(dòng)控制。另外，在液壓油路中安裝減壓閥，保證鎖緊油缸液壓系統(tǒng)壓力安全可靠。

圖3 滑動(dòng)油缸液壓系統(tǒng)原理

2.3 電氣控制設(shè)計(jì)

刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)裝置PLC控制采用三菱Q系列PLC模塊，應(yīng)用CC-Link網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過CC-Link專用電纜可將I/O模塊、智能功能模塊和特殊功能模塊進(jìn)行連接，由PLC CPU程序控制，從而實(shí)現(xiàn)主站和遠(yuǎn)程站之間的通訊。充分利用其開放性現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，簡(jiǎn)化接線工作。PLC模塊主站和遠(yuǎn)程站CC-Link網(wǎng)絡(luò)接線見圖4。CC-Link網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用型號(hào)為AJ65SBTB1-16D，AJ65SBTB2NA6R遠(yuǎn)程I/O站執(zhí)行外部設(shè)備輸入和輸出，AJ65SBT-64AD遠(yuǎn)程設(shè)備站執(zhí)行外部模擬數(shù)據(jù)量交換。通過CC-Link將遠(yuǎn)程站與主站連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)刷新通訊。本地控制可將觸摸屏與主站QJ71C24N-R4功能模塊進(jìn)行連接;遠(yuǎn)程控制通過MELSECNET/H網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由中控室人機(jī)界面操作。

3 刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)用

3.1 準(zhǔn)備工作

刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)裝置在實(shí)際運(yùn)用過程中，需綜合考慮掘進(jìn)參數(shù)及泥水指標(biāo)等影響因素。操作前，先將刀盤扭矩調(diào)至最大脫困扭矩，并使刀盤旋轉(zhuǎn)速度最低，避免對(duì)掌子面土體擾動(dòng)過大，然后再開啟液壓及其他輔助系統(tǒng)裝置。

圖4 PLC模塊CC-Link網(wǎng)絡(luò)

3.2 操作順序

1)推出刀盤驅(qū)動(dòng)部。選中1區(qū)～6區(qū)滑動(dòng)油缸，使刀盤驅(qū)動(dòng)部向開挖側(cè)滑動(dòng)10 mm。在動(dòng)作運(yùn)行中，控制各組油缸行程差在設(shè)定值范圍內(nèi)。2)解除制動(dòng)限制。動(dòng)作24個(gè)鎖緊油缸，使其退回且限位指示燈全部亮起后，鎖緊油缸自動(dòng)停止工作。此時(shí)，已解除對(duì)滑動(dòng)油缸動(dòng)作限制。3)退回刀盤驅(qū)動(dòng)部。將1區(qū)～6區(qū)滑動(dòng)油缸向盾尾方向整體滑動(dòng)100 mm，待操作過程結(jié)束后，關(guān)閉液壓及輔助系統(tǒng)裝置。反之操作，可將刀盤驅(qū)動(dòng)部推出至基準(zhǔn)位置。

4 結(jié)論與體會(huì)

通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造及工程實(shí)際運(yùn)用研究得知，運(yùn)用刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)功能特性，使刀盤整體脫離掌子面土體。不僅在刀具更換過程中，給新刀具留有足夠的余量，減小刀具安裝阻力，為換刀人員快速、高效作業(yè)提供必要條件;而且可在盾構(gòu)施工中作為刀盤脫困應(yīng)急方案。當(dāng)?shù)侗P扭矩達(dá)到上限時(shí)，利用刀盤驅(qū)動(dòng)部滑動(dòng)系統(tǒng)，可減少掌子面土體作用在刀盤上的扭矩，使盾構(gòu)機(jī)快速恢復(fù)到正常掘進(jìn)工作中。在南京市緯三路越江通道施工過程中，刀盤驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，是整個(gè)盾構(gòu)機(jī)不可或缺的系統(tǒng)，以實(shí)踐證明該系統(tǒng)取得成功。

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