Φ1.26m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

劉建東，郭京波，苗 磊，白 云

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，地上空間已不能滿足人們的正常需求，地下空間開始登上探索的舞臺(tái)。在地下綜合管廊建設(shè)方面，由于老城區(qū)地下管線繁雜，地上建筑密集，施工空間狹小等限制，現(xiàn)多采用頂管施工法等非開挖施工技術(shù)[1]，但頂管施工在小直徑、長距離、曲線掘進(jìn)中，會(huì)存在頂力不足、頂進(jìn)方向不易控制等問題[2]。

微型盾構(gòu)在施工中穩(wěn)定性較高，同時(shí)還能較好完成長距離曲線施工[1]，超挖量相對(duì)頂管施工法較小。除地下綜合管廊建設(shè)，微型盾構(gòu)還首次應(yīng)用于秦沈線鐵路凍害層位的路基填料置換工程[3]。由此可見，微型盾構(gòu)的需求日益增大，其研制也顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[4]依托西咸新區(qū)綜合管廊項(xiàng)目提出采用內(nèi)徑為4 100 mm的輻條式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行挖掘并完成關(guān)鍵技術(shù)的研究；文獻(xiàn)[5]等研制了Φ800 mm土壓平衡式模型盾構(gòu)試驗(yàn)機(jī)并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[6-7]團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以Φ400 mm的盾構(gòu)模型試驗(yàn)機(jī)為主體的試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了掘進(jìn)參數(shù)與地層相關(guān)的研究工作。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者依托于實(shí)際工程的盾構(gòu)研制中，大多為直徑2m以上的中小型盾構(gòu)，而2m以下的微型盾構(gòu)，多為試驗(yàn)機(jī)，與實(shí)際工程所用盾構(gòu)機(jī)仍有一定差距。從實(shí)際工程角度出發(fā)，介紹了Φ1.26 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)完成了該土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要液壓元件選型，同時(shí)利用AMESim軟件對(duì)刀盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真與分析。

2 整體介紹

Φ1.26m 微型盾構(gòu)的主機(jī)主要由刀盤主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、盾體、螺旋輸送機(jī)，推進(jìn)油缸等幾部分構(gòu)成，外徑1260 mm，開挖直徑1 280mm，主機(jī)總長2020 mm，如圖1所示。同時(shí)配有始發(fā)架、接收架、鋁制管片、泥漿罐及柱塞泵等設(shè)備。

圖1 盾構(gòu)主機(jī)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Shield Machine

微型盾構(gòu)的刀盤結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)刀盤Fig.2 Shield Cutter

結(jié)構(gòu)為輻板式，由4 根固定的輻條與4 個(gè)可拆卸的面板構(gòu)成。刀盤面板共有三套，大小不同，通過更換面板來調(diào)節(jié)開口率大小，實(shí)現(xiàn)40%、45%、50%三種開口率之間的轉(zhuǎn)換。刀盤上配有中心刀、刮刀、先行刀三種形式的刀具，能夠適用于粉質(zhì)黏土、砂土層等軟土地層[8]。為了對(duì)盾構(gòu)在掘進(jìn)中的狀態(tài)進(jìn)一步分析，刀盤面板、土倉、螺旋出土器及盾殼上均裝有若干土壓力盒，同時(shí)盾構(gòu)主軸尾部裝有傾斜儀，可以清楚的了解盾構(gòu)在掘進(jìn)中的姿態(tài)，便于盾構(gòu)掘進(jìn)中的姿態(tài)調(diào)整，使得盾構(gòu)按照設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。盾構(gòu)內(nèi)部還裝有無線采集模塊，便于所有數(shù)據(jù)的傳輸與分析。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Φ1.26 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)組成。液壓站及操作臺(tái)，如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)液壓泵站與操作面板Fig.3 Hydraulic Pump Station and Operation Panel of Shield Machine

3.1 刀盤及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

刀盤及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)主要由雙聯(lián)泵、溢流閥、電磁換向閥、單向調(diào)速閥及液壓馬達(dá)等液壓元件組成及原理圖，如圖4所示。

圖4 刀盤及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Hydraulic Schematic Diagram of Cutter and Screw Conveyor System

該雙聯(lián)泵能夠帶動(dòng)兩個(gè)液壓馬達(dá)同時(shí)工作，滿足刀盤與螺旋輸送機(jī)同時(shí)工作的要求。利用電磁換向閥控制刀盤與螺旋輸送機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。在回油路裝有比例電磁調(diào)速閥，能夠?qū)崿F(xiàn)刀盤及螺旋輸送機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的無極調(diào)速。刀盤及螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 刀盤及螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design Parameters of Cutter and Screw Conveyor Drive System

對(duì)于刀盤主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速為：

式中：ndpmax—刀盤旋轉(zhuǎn)最大速度；i1—刀盤減速器傳動(dòng)比。

液壓馬達(dá)的最大輸出扭矩為：

式中：Td—刀盤扭矩，為30 kN·m；ηj—減速器的機(jī)械效率，取0.97。

液壓馬達(dá)的出口與油箱相連，默認(rèn)出口壓力為零，因此馬達(dá)排量為：

式中：P1—刀盤系統(tǒng)的額定壓力，為16 MPa；ηmm—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.95。

液壓泵的排量：

式中：Qp1—液壓泵的輸出流量；nE—四級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取1 500 r/min；ηmv—馬達(dá)的容積效率，取0.9；ηpv—液壓泵的容積效率，取0.9。

電機(jī)的輸出功率為：

式中：Np1—液壓泵的輸出功率；qp1—液壓泵的輸入流量；η—液壓泵的總效率，取0.85。

對(duì)于螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為：

式中：i2—螺機(jī)減速器的傳動(dòng)比；nljmax—螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)的最大速度。螺旋輸送機(jī)馬達(dá)輸出扭矩為：

式中：Tl—螺旋輸送機(jī)扭矩，為500 N·m；ηj—減速器的機(jī)械效率，取0.97。

液壓馬達(dá)排量為：

式中：P2—螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)的額定壓力，為16 MPa；ηmm—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.95。

液壓泵的排量：

式中：Qp2—螺旋機(jī)液壓泵的輸出流量；nE—四級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取1 500 r/min；

電機(jī)的輸出功率為：

式中：Np2—液壓泵的輸出功率；qp2—液壓泵的輸入流量；η—液壓泵的總效率，取0.85。

電機(jī)所需的總輸出功率為：

根據(jù)以上計(jì)算分析，得出刀盤及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的主要元件選型結(jié)果，如表2所示。

表2 刀盤及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)主要元件選型Tab.2 Main Components Selection for Hydraulic System of Cutter and Screw Conveyor

3.2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行元件為6根推進(jìn)油缸，均勻分布在盾尾環(huán)面上，如圖5所示。將6根推進(jìn)油缸分成A、B、C、D四組，并進(jìn)行分區(qū)控制[9]，頂部A組與底部B組各包含兩根油缸，C組與D組各包含一根油缸，方便調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)糾偏功能。

圖5 油缸分布示意圖Fig.5 Hydraulic Cylinder Distribution Diagram

推進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理圖，如圖6 所示。該系統(tǒng)主要由齒輪泵、電磁溢流閥、調(diào)速閥、電磁換向閥、液壓鎖、液壓缸等元件組成。比例電磁調(diào)速閥能控制流量大小，從而控制油缸伸縮速度。三位四通換向閥通過控制閥芯所在位置改變油液的流動(dòng)方向，進(jìn)而控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向。推進(jìn)時(shí)，液壓泵為六個(gè)液壓缸同時(shí)供油，當(dāng)拼裝管片模式時(shí)，液壓泵為一個(gè)或兩個(gè)液壓缸單獨(dú)供油，因此能實(shí)現(xiàn)液壓缸的快速收縮，提高拼裝管片效率。當(dāng)電磁換向閥位于中位時(shí)，液壓鎖能夠鎖緊回路，避免中途停止掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的回退與掌子面坍塌。

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖Fig.6 Hydraulic Schematic Diagram of Propulsion System

推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所示。

表3 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design Parameters of Propulsion System

單個(gè)油缸所需達(dá)到的推力為：

式中：F—最大總推力；n—推進(jìn)液壓缸數(shù)量。

推進(jìn)液壓缸缸徑為：

式中:P3—推進(jìn)系統(tǒng)的工作壓力，取液壓缸缸徑為標(biāo)準(zhǔn)值D=100 mm。

活塞桿直徑為：

可取活塞桿直徑為d=70 mm。

推進(jìn)系統(tǒng)液壓泵最大排量為：

式中：Qp3—液壓泵的輸出總流量；v—油缸最大推進(jìn)速度；A1—油缸的無桿腔面積，A1=πD2/4；

電機(jī)的額定功率為：

式中：P3—推進(jìn)系統(tǒng)的工作壓力；η—液壓泵的總效率，取0.85。

根據(jù)以上計(jì)算分析，得出推進(jìn)系統(tǒng)的主要液壓元件選型結(jié)果，如表4所示。

表4 推進(jìn)系統(tǒng)主要液壓元件選型Tab.4 Main Components Selection for Hydraulic System of Propulsion

4 刀盤系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真與分析

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中可能遇到各種地質(zhì)，因此刀盤面對(duì)突變載荷應(yīng)該具有良好的自適應(yīng)性，即穩(wěn)定性[10]。因此利用AMESim軟件搭建刀盤液壓系統(tǒng)模型，并對(duì)刀盤在不同負(fù)載狀況下的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真與分析。

設(shè)定四級(jí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1450 r/min，定量泵的排量為63 mL/r，液壓馬達(dá)排量為45 mL/r，安全閥的壓力為160 bar。在刀盤上施加階段變化性負(fù)載，（0～10）s 內(nèi)為10 kN·m，（20～30）s內(nèi)為20 kN·m，（30～60）s內(nèi)為30 kN·m，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到要求最大扭矩。仿真結(jié)果，如圖7所示。在仿真的整個(gè)階段，刀盤的轉(zhuǎn)速基本維持在6.5 r/min左右，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，刀盤的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載增大而輕微減小，當(dāng)達(dá)到最大扭矩時(shí)，仍可維持在6.3 r/min，減小程度可忽略不計(jì)，因此刀盤在扭矩發(fā)生大幅度變化的情況下仍具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 刀盤轉(zhuǎn)速變化圖Fig.7 Transformation Diagram of Cutter-Head Speed

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并建立了Φ1.26 m微型盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)，分析了每個(gè)液壓回路的運(yùn)動(dòng)特性，完成了各個(gè)液壓系統(tǒng)的理論計(jì)算與電機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、油缸等主要元件的選型。針對(duì)刀盤面對(duì)不同負(fù)載的情況，利用AMESim建立刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真與分析，結(jié)果表明刀盤系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，最高轉(zhuǎn)速能維持在6.5 r/min左右。