盾构机关键性技术研究刀盘系统设计-硕士论文

1、盾构机关键性技术研究刀盘系统设计-硕士论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 盾构机关键性技术研究-刀盘系统设计 专 业:机械设计及理论 硕 士 生:张西仲 指导教师:张晓钟 教授 摘 要 随着国家对铁路和地铁的大力建设,盾构机已成为隧道挖掘过程中的不可缺少的工具,目前国内对盾构机的研究相对落后,而?盘作为盾构机中的关键部件,其挖掘性能的好坏将直接影响到盾构机的掘进效率和?盘的寿命。盾构机在掘进过程中,?盘产生的不平衡力是影响盾构 机挖掘性能的重要因素,而这些不平衡力主要是由各?具综合力引起的,因此? 盘上?具布置的合理性是?盘挖掘性能的重要体现,在理想的?具布置过程中, 往往以?盘上产生的径向力

2、和倾覆力矩为零为原则进行?具布置,从而可以保证 盾构机有好的挖掘性能和较长的使用寿命。 论文主要分析了?盘的整体结构,?盘的 掘进过程,并通过实例建模对?盘进行了运动仿真;分析了?具的种类,? 具的工作原理,?具的受力情况,重点介绍了盘形滚?的破岩机理和受力预测公 式;建立了?盘受力平衡方程,并介绍了以此为原则的?具布置方法;通过实例 计算了各?具的受力大小,运用有限元方法分析了盾构机的?盘强度、?具布置 的合理性以及由?具位置误差对盾构机挖掘性能产生的影响;另外由于?盘的主 轴承尺寸较大,在加工制造上存在一定困难,因此对?盘主轴承尺寸进行了优化 ,并对其进行了接触应力、强度和寿命分析。 关

3、键 词:盾构机;?盘;布?;位置误差;有限元;轴承; 论文类型:基础研究 西安建筑科技大学硕士学位论文西安建筑科技大学硕士学位论文 Research on key technology of shield machinecutter system design Specialty:Mechanical Design and Theory Postgraduate:Zhang Xizhong Instructor: Prof.Zhang XiaozhongAbstract Along with the railway and the subway to build in our country.

4、shield machine had been an indispensable instrument in Tunneling process.Currently,research about the shield machine is lagging behind relatively in our country.As a a critical component of the shield machine,the digding performance of cutter head influrces directly digding efficiency and the longev

5、ity of the cutter head.During the digging process,the unbalanced force created by the cutter head is a key factor to the digging performance of shield machine.The unbalanced force is synthetically created by kinds of cutters ,therefore,the rationality of the cutter layout is an important embodiment

6、of the cutter head digging performance.In the ideal cutter layout,the radial force and overturning moment should be zero is the principle of the whole process .which can ensure great digging performance and life spanThe thesis,mainly ,analyses the integral structure and digging performance of the cu

7、tter head .also,carried out a dynamic simulation to cutter head by example modeling.In this paper , the variety, operating principle and stress condition are all analysed. It introduced the rock-breaking mechanism and stress predicting formula of the hob cutter.It created force equilibrium equations

8、 of the cutter head ,and introduced the laying out of the cutter head based on that equations .It calculates the force of all kinds of cutters ,analyses the cutter head strength ,he rationality of the cutter layout and influence created by positional error from the cutter to digging performance of t

9、he shield machine.In addition, it causes difficulty to manufacture due to too big size of the main rolling bearing. for that reason it analyses the main rolling bearing ,modified its size.and it analyses the contact stress , strength and lifetime西安建筑科技大学硕士学位论文 Key words: Shield machine; Cutter head;

10、 Cutter layout; positional error; FEA;Rolling bearing; Paper Type: Fundamental Research;西安建筑科技大学硕士学位论文 目录 1 绪论. 1 1.1研究背景及意义1 1.2国内外发展现状2 1.2.1国外研究现状2 1.2.2国内研究现状3 1.3盾构机发展趋势4 1.4主要研究内容 5 2?盘系统的主要构造. 7 2.1?盘面板7 2.1.1?盘开口槽和开口率8 2.1.2?盘的种类 9 2.2 ?具.10 2.2.1滚压破岩?具.10 2.2.2切削破岩?具.11 2.2.3 辅助类?具.12 2.3 ?

11、盘主轴承.13 2.4 ?盘驱动机构和推进机构.14 2.4.1 ?盘驱动机构14 2.4.2?盘推进机构.15 2.5 本章小结16 3?盘的?具布置.17 3.1?具的工作原理及受力分析.17 3.1.1切?的工作原理17 3.1.2盘形滚?的工作原理.17 3.1.3 盘形滚?的受力分析18 3.2 ?盘的受力分析及?具布置.24 3.2.1 ?盘扭矩.24 3.2.2 ?盘不平衡力26I西安建筑科技大学硕士学位论文 3.2.3?具布置方法 27 3.3实例?具布置.29 3.3.1?具布置29 3.3.2?具布置的合理性分析.30 3.3.3?具位置误差分析36 3.4 本章小结. 3

12、7 4盾构机主轴承的可靠性分析.39 4.1 ?盘的支承方式及轴承的几何造型.39 4.1.1?盘的支承方式39 4.1.2轴承的几何造型.40 4.2弹性接触理论.40 4.3实例分析42 4.3.1轴承结构优化42 4.3.2轴承的接触应力分析.44 4.4本章小结.50 5?盘系统运动仿真.51 5.1?盘运动系统分类51 5.1.1 ?盘切削系统51 5.1.2 ?盘推进系统51 5.1.3 土渣输送系统.53 5.1.4管片拼装装置53 5.2 ?盘系统虚拟样机运动仿真.54 5.2.1?盘系统建模.54 5.2.2?盘系统运动仿真.54 5.3 本章小结.57 6 总结与展望.59

13、 6.1 总结.59 6.2 展望.59 致谢61 参考文献.63 攻读硕士学位期间发表的论文.67 II 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着世界各国多年来对盾构机的广泛应用,盾构机已经成为融合机、光、电、液、传感、信息等多项技术于一身的专用隧道掘进机械。在功能上能够开挖地层、土渣排送、管片拼装、导向测量和纠偏等,广泛运用到了机械设计、液压传动、土木工程、地质地层、工程力学、电气控制等多种学科内容。在隧道施工中,不同地质的地层要选用或设计不同种类的盾构机,同时对盾构机的可靠性要求也较高。在我国经济飞速发展的情况下,盾构机已广泛用于铁路隧道、城市地铁等工1- 4

14、程建设中 。如图1.1所示。图 1.1 盾构掘进机2006 年国务院颁布的国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见中明确16个重大专项中的第 10项为“满足铁路、水利工程、城市轨道交通等建设项目的需要,加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制,尽快掌握关键设备制造技术。”这就对盾构机的发展提出了明确的目标。 随着我国经济高速发展以及基础设施的建设不断扩大,公路和铁路及地下隧道建设也就成为了一项长期而重要的任务。在未来的铁路规划建设中,长沙到昆明的铁路专线要开挖隧道 381座,总长 590Km;成都到兰州的铁路要开挖隧道 36座,总长 320Km;大理到瑞丽的铁路建设中开挖隧道 217Km;长株潭

15、湘江、树木岭隧道,以及渤海海峡和琼州海峡的隧道等,据不完全的统计,在未来的铁路建设中,需要开挖的隧道长度约为 9600Km,这就需要 250台左右的盾构机投入到建6- 9设中,这些盾构机以及所用到的配套设备,将用掉数百亿人民币 。而我国地1西安建筑科技大学硕士学位论文 形和地质复杂多变,在多数待建的交通隧道中具有各种地质地层特点的山岭或穹丘,这对我国盾构机的设计技术提出了更高的要求,正如美国地下工程协会主席 Reilly John先生所评价 “中国的西部大开发在规模上比西方国家己建的任何国家工程都要大,对于中国如此巨大的工程项目,盾构机及相关先进技术的应用,将为掘进机的优化设计和使用提供更多的

16、机会。” 总体而言,我国盾构机技术相对国际较为落后,从我国对盾构机的市场需求,发展盾构机技术有着重要意义。加快盾构机技术发展是国家建设的需要,并且在国际竞争日益激烈的情况下,如不加快盾构机的研究,我国将失去盾构机在国际市场上的竞争机会,甚至在隧道建设中都要依靠外国进口盾构机。另外,在盾构机的使用上,也存在加大的二级市场,盾构机在施工过程中会损耗多种零部件,尤其是盾构?具,对于这些零件的更换费 用巨大。据统计,在一条隧道的掘进过程中,一台盾构机所损耗的零部件费用,要占到整条隧道所用费用的 1/4?1/5。由此看来,我国发展盾构机技术具有重要意义。 在整个盾构机中,?盘是盾构机的关键部件之一,而其

17、结构复杂,在设计和制造上要考虑到地质、地层等多方面问题,在?具选择和布置上也要考虑多种问题,其技术含量较高,一个?盘?具布置 是否合理,将会影响到盾构机的掘进效10 11率、?盘寿命等问题 。近年来,多数国家已对盾构机?盘有了成熟的研究,而我国在盾构机?盘方面较为落后,大多 依靠外国技术,没有我国自主的知识产权。因此,在我国对盾构机?盘研究刚刚 起步的今天,对盾构机关键性技术研究?盘系统研究具有重要意义 。 1.2 国内外发展现状 1.2.1国外研究现状 昀早对盾构施工法的研究是法国人鲁奈尔(/.nnel ) ,1818年,他观察蛆虫在船底腐蛀钻洞时受到了启示,后通过研究提出了盾构工法,并在后

18、来的工程中得到了成功应用,这也是盾构机原型的出现。18341841年,在泰晤士河的隧道挖掘中,由鲁奈尔所设计的方形铸铁框式盾构得到了成功应用。在鲁奈尔之后,1869 年巴洛(Burlow)和工程师格雷特海德(Greathead)负责建造另一条横贯泰晤士河的隧道,格雷特海德在工程中采用扇形铸铁的管片、圆形盾构,使得工程顺利完成。1887 年格雷特海德又发明了盾构与压气组合的施工方法,并在伦敦铁路隧道掘进得到了成功使用。此次隧道掘进中的经验也为现代盾构机的成功研制2 西安建筑科技大学硕士学位论文 提供了必要的成功因素。随着 1890年,世界上第一条地下铁路在伦敦成功建成,也就意味着盾构时期的真正到

19、来。后相继几十年的发展,盾构机技术慢慢传入世界各国,比如德国、美国、日本、中国及苏联等国家,从而也有了更深层次的发展。作为隧道掘进的专用机械,盾构机的使用越来越广泛,其技术也越来越成熟,针对不同的地层,盾构机也慢慢发展为气压式盾构机、土压式盾构机、挤压式盾构机、泥土加压式盾构机、泥水式盾构机等多种种类。在使用防范性上主要是泥12-15水盾构机和土压盾构机施工法 。 1952 年,世界上第一台岩石隧道掘进机成功问世,是由美国罗宾斯Robbins公司进行研发并生产成功。在后来的发展中,单、双、三防护盾的隧道掘进机也相继问世。盾构从 50年代中期发展至今,国外盾构机技术得到了突飞猛进的发展,在研发设

20、计、生产制造及应用上,现在盾构机已成为技术成熟,状态监控准确,掘进效率和稳定性高的专业自动化设备。在世界范围内,盾构机技术成熟的公司已有多家,如美国的罗宾斯公司Robbins、德国的维尔特公司Wirth、海瑞克Herrenkneeht公司及日本的小松公司等。 1.2.2国内研究现状 我国早在 1957年便对隧道盾构机开始了研究。在首个五年计划中,利用小型盾构施工法对北京市小水道工程和阜新煤矿输水道工程进行了建设,但全面系统使用盾构法是在 1963 年上海塘桥工程建设,在施工形式上从 4.2m 小口径的人工干挖法,慢慢发展为网格式的水力出土和干出土等施工法,后又经过发展出现了土压平衡式盾构机,在

21、这个发展过程中,盾构机的设计、制造及施工,为后续发展盾构机积累了丰富经验。紧接着在 1966年,我国第一台隧道盾构机在杭州水利部研究院研制成功,并用于了水利工程建设中。接着在 10年后又成功研制了直径6.28m的隧道掘进机。但当时我国经济发展缓慢,各项技术与国际落后较大,再加上我国计划经济体制本身的限制,盾构技术未能得到快速发展。 在改革开放后,我国经济迅速发展,国家对水力、铁路等工程建设的重视,我国盾构机技术取得了很大成果。在上世纪 90年代,我国自行研制了第一台土压平衡式盾构机,并在上海生产成功。之后我国多项盾构机技术均达到了国际先进水平行列,比如盾构机掘进导向、监控技术等技术都得到了国际

22、认可,在其它技术上,比如?盘材料、异形?盘以及密封 技术也达到了国际先进水平行列。随着我国对盾构技术的重视,其技术正在慢慢同国际市场接轨,但不可否认的是由于3西安建筑科技大学硕士学位论文 我国盾构技术起步晚,还有很多技术性问题落后于其他国家,比如盾构中的电液控制系统,中小型盾构机所用的液压元器件,这些还需要依靠国外进口。另外盾构机?盘?具寿命、?盘稳定性等技术也 有待提高,这些技术的落后也成为了我国发展盾构的制约因素,在国内隧道工程建设中,大部分单位都依靠进口外国盾构机,比如北京中铁六局的盾构部中的四台盾构机完全从德国进口,在中国市场16-20中,日本和德国等商家所制造的盾构机差不多超过了 9

23、0% 。为加快发展我国盾构机技术,2006年国务院颁布的国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见中明确 16 个重大专项中的第 10 项为“满足铁路、水利工程、城市轨道交通等建设项目的需要,加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制,尽快掌握关键设备制造技术。”这就对盾构机的发展提出了明确的目标。 1.3 盾构机发展趋势 随着社会的不断进步,尤其是近几十年市场对盾构机的大量需求,盾构技术也相应的得到了巨大发展,盾构机也由当时的人工掘进发展为现在的机械掘进式,自动化程度得到了大大提高。挖掘直径也发展到了十几米。目前,在成熟的盾构机技术上,盾构机技术正向着高自动化、高可靠性、高定向性、高挖掘速度和高2

24、1-23寿命方向发展 。 1) 大直径和高寿命 目前盾构机挖掘直径达到 15.43m,另外规格 19m盾构机也在设计制造中。盾构机寿命也有大的提高,对于岩石盾构机工作寿命已达到 50Km,月工作量可超过1Km,?具的破岩强度也达到了 450Mpa。 2) 高自动化 随着盾构机近几十年的发展,从低等的人工挖掘式发展为半机械挖掘式、机械挖掘式,以及到现在融合机、光、电、液、传感、信息等多项技术于一身的专用隧道掘进机械。目前大型盾构机中已经配备计算机、激光导向、传感器、地质超强探测仪等现代系统设备,并且在一些盾构机使用了远程监控以及地面卫星导向等技术。 3) 高适应性 随着国内外盾构机技术的迅速发展

25、,软土盾构机技术和岩石盾构机技术正在相互渗透,在未来的几十年,盾构机对于各种地层的适应能力将会大大提高。目前,盾构机正朝着适应各种地层的复合型盾构机发展,这将大大降低成本。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 当然,盾构机也会随着市场的需求,隧道工程中的具体情况、以及后续所出现的问题等要求来发展,这也需要后人不断探索,不断创新,使得盾构机技术越来越完善,越来越成熟。 1.4 主要研究内容 ?盘作为盾构机的关键性部件,在隧道掘进过程中有着重要作用。?盘结构选择的是否恰当,?具的选择以及?具布 置的是否合理,将会直接影响盾构在隧道掘进时的效率,甚至会影响到?盘工作 寿命,因此合理布置?具在盾构机的研

26、究中具有重要意义。?盘系统中的主轴承 是掘进动力的传递系统,作为?盘系统中的重要部件,在工作中承受着巨大的轴向力、径向力和倾覆力矩,并且其尺寸相对较大,因此在保证其足够的强度和工作寿命,减小其尺寸也具有一定的必要性。盾构机的推进机构和转向机构同样在施工中发挥着重要作用。基于?盘系统的重要性,论文主要研究内容为: 第一章绪论 分析了盾构机在经济建设中的重要地位,以及研究盾构机的重要意义,论述了国内外盾构机研究现状和发展趋势,昀后提出论文所研究的内容。 第二章?盘系统的构造 简述了?盘系统的主要构造,?盘和?具的种类,?盘开口率问题,?盘的支承方式以及主轴承的构造,?盘的推进和转向系统。 第三章?

27、盘的?具布置 研究了?具的破岩机理以及受力情况。分析了?盘的受力情况,在基于偏心力和倾覆力矩为零的情况下,建立了?盘平 衡力学方程,依据?具布置规律,对?盘进行了?具布置,并通过实例建立?盘 装配体模型,通过?盘四个云腿的受力偏差,分析了?具布置的合理性,昀后通 过不同数量的?具所产生不同程度的位置误差,研究了?具位置误差对盾构机挖掘性能的影响。 第四章 ?盘主轴承系统设计 简述了盾构机?盘主轴承的种类和支承方式,分析了弹性接触理论,并对某型号轴承进行了尺寸优化,建立了三维轴承模型,并对其接触强度和疲劳寿命进行了分析。 第五章 ?盘系统虚拟样机运动仿真 简述了?盘推进系统各个零部件的结构和工作

28、原理,通过建立?盘系统虚拟样5西安建筑科技大学硕士学位论文 机模型,模拟了其运动过程,并对其进行了运动学仿真分析。 第六章 结论和展望 对论文所做的各项工作进行了全面总结,并以此为基础对今后如何进一步的研究提出了问题。6 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 刀盘系统的主要构造 ?盘系统主要指盾构机在工作过程中的掘削机构,作为盾构机中的关键部分,在工作中有着重要作用,切削过程中用到的各种?具,以及提供?具切削力的动力系统,盾构机掘进过程中推进系统以及泥渣的输送机构都是?盘系统的重要组成部分。总体而言,?盘系统主要包括?盘面板、切削?具、?盘支承、主轴承、输送和推进机构等,如图 2.1所示。本章主要

29、介绍?盘系统的构造以及各零部件在盾构机工作中的功能。图 2.1 盾构机?盘系统2.1 刀盘面板 ?盘即做旋转或摆动的盘状掘削器,是由钢结构件所焊接而成,通过螺栓与盾构机主轴承相连接,在轴承的旋转带动下进行隧道掘进工作。盾构机?盘上设有安装各类?具的?座,用于排泄土石碎渣的开口槽,起搅拌泥沙作用的搅拌棒,泥土添加剂注入口,以及对?盘边缘起保 护左右的耐磨条。?盘在切削土石的同时,并且可以支承切削面以稳定土体,保证隧道掘进工程的顺利进行。?盘的类型一般依据地层的地质成分而设计,不同的地层往往选择不同的开口率和不同种类的?盘。 在盾构机施工过程中,保证?盘前方开挖面的稳定是非常重要的。就密封式盾构机

30、而言,一般在盾构机隔板前充满泥浆或对所切削土砂施加一定的压力,以此来平衡由于挖掘所引起的开挖面前土压及水压的变化,从而保证整个开挖面的稳定性。7西安建筑科技大学硕士学位论文 2.1.1?盘开口槽和开口率 在盾构机?盘上一般设有一定数量、形状不规则的开口槽,这些开口槽主要是输送碎石土渣的通口。为保证开挖面稳定,应限制开口槽的大小和数量,当开口槽的数量相当少的情况下,因掘进速度关系,?盘会对开挖面前地基产生推力,因扰动地层而增大?盘扭矩,如果开口槽的数量过多则会对?盘的强度产生影响,2因此?盘开口槽数量应合理布置,其布置情况一般与盾构机外径有关 ,如图 2.2所示。开口率是指?盘上开口槽面积所占

31、整个?盘面积的百分比。开口率的大小决定了土渣排出的难易程度,开口率越大则排出土渣也越容易,但随着?盘开口率的增大?盘强度也会降低,所以在设计 ?盘时要兼顾开口率大小和?盘强度,这也正是硬质地层选用面板式?盘,软质地层选用辐条式?盘的原因。 图 2.2 盾构机外径与?盘开口槽布置关系根据地层地质的差别,从已有的盾构机实例中?盘开口率大小一般为10%-70%。当地层为岩石地层时,为保证?盘 面板的强度,盾构机开口率一般为10%-20%;当地质为冲击岩层时,为防止过多的土砂进入到?具箱内扰动并破坏掘削面,所以往往缩小开口槽的宽度,将?盘开口率控制在 10%-25%;当为稳定性较好的黏性土地层时,为防

32、止土砂粘附于开口槽处,同时也为提高土砂流动性而加大?盘开口槽宽度,一般控制开口率在 20%-35%之间;当地质为砾石层时,常常依据地层中砾石直径来决定开口槽的宽度,从而来控制开口率。对于简单的软土地层则可选用开口率偏大的辐条式?盘。 在盾构机掘进过程中,为应对不断变化的地层地质,或因掘进停止防止开口槽的土砂流入,则需在?盘的开口槽处安 装开口槽开关装置,以控制开口槽的开口率。对于开口槽的开关装置一般有挡土板式和滑动式环式,如图 2.3、2.4所示。8 西安建筑科技大学硕士学位论文 因土质的不同,土砂有时会粘附在开口槽装置附近,也有可能被砾石卡住等现象,以至开口槽开关装置不能正常工作,随着盾构施

33、工技术的提高,盾构机?盘上有时不安装开口槽开关装置。 图 2.3 挡板式开口槽开关装置 图 2.4 滑动式滑式开口槽开关装置2.1.2?盘的种类 根据开口率的大小可将?盘分为辐条式?盘、面板式?盘,有时也可细分为介于两者之间的辐板式?盘。在不同的地 质地层中,?盘所需的扭矩不同,为保证?盘有足够的强度,岩石地层多选用强 度较大面板式?盘,软质地层多选用强度较小的辐板式?盘。面板式?盘开口率较小,一般为 10%-35%,主要用于硬质地层,以布置切削岩石的盘型滚?为主。辐条式?盘开口率一般较大,介于30%-70%之间,主要用于中软地层,以布置切削土砂的切?为主。不同种类的?24盘用于挖掘不同的地层

34、 ,如南京地铁挖掘所用面板式?盘,北京、广州地铁所用辐条式?盘,天津地铁所用幅板式?盘,如图 2.5-2.8 所示。图 2.5 南京地铁面板式?盘 图 2.6 北京地铁辐条式?盘9西安建筑科技大学硕士学位论文 图 2.7 广州地铁辐条式?盘图 2.8 天津地铁所用幅板式?盘2.2 刀具 盾构机?盘上安装的?具是一种加工为平刃形状切削土砂用的工具,由母材部分和?尖部分组成,用于盾构机掘进的 ?具多种多样,不同的地层采用不同类型的?具,一般按照破岩机理将盾构机? 具分为滚压破岩?具、切削破岩?具和25-27辅助类?具 。 2.2.1滚压破岩?具图 2.9 楔齿滚? 图 2.10 球齿滚?滚?在破岩

35、时,其特点是依靠?盘传递的压力和自身的滚动力将岩石压碎和碾碎,以达到破岩的效果。滚?一般可分 为齿形滚?和盘形滚?。常见的齿形滚?有楔齿滚?和球齿滚?,如图 2.9、2.10所示。楔齿滚?在与岩石表面接触时,接触宽度会随着其自身的磨损而增大,在同样的压力下,切削深度也会受到影响,楔齿滚?主要用于软岩隧道掘进。对于硬 岩隧道而言,常用?刃磨损较小的盘形滚?,其结构包括?体、?圈、心轴和轴 承。按照其?圈的数量又有单刃、双刃10 西安建筑科技大学硕士学位论文 和多刃滚?之分,如图 2.11、 2.12所示。根据?刃的外径大小可分为 11-21 寸不等,目前以 17寸滚?为主。 图 2.11 盘形滚

36、?结构图图 2.12 单刃、双刃、三刃滚?对于像泥岩及砂岩等较软的岩石多采用双刃滚?,硬岩多采用单刃滚?。不同硬度的岩石往往选择不同材质的?圈, 一般有表面耐磨层?圈、标准钢?圈、中型钢?圈和镶齿硬质合金?圈,它们适用岩石的硬度见表 2.1。滚?的尺寸也往往根据岩石硬度来选择,不同大小的滚?所承受的强度也不同,其尺寸从 11寸到21寸不等。 表 2.1 ?圈适用强度及地层 ?圈种类掘进硬度(MPa) 适合地层 40-60 耐磨层?圈 砂岩、砾岩、砂黏土等 标准钢?圈 50-150 大理石、砾岩、灰岩等 120-250 中型钢?圈 花岗岩、蛇纹岩、闪长岩、玄武岩等镶齿硬质合金?圈 150-250

37、 花岗岩、玄武岩、斑岩、石英岩等2.2.2切削破岩?具 用于切削破岩的?具一般有切?和先行?两种,常安装于?盘开口槽的两侧,切?特点是在盾构机推进?盘前进的同时 ,在?盘的旋转带动下对固结土壤产生径向力和轴向力,通过?刃及?头插入土 壤进行切削。在软土地层中切?主要作用是切削和倒渣,在岩石地层中切?主要 作用是刮渣,因此在硬岩地层中盾构机也必须配备切?。为了取得较好的挖掘效 果和避免切?的磨损,在同一切削轨迹的?盘上往往布置多把切?,并且在相邻 轨迹的切?之间有一定的重叠。目前切削效果昀好的切?是双层的耐磨设计,如图 2.13 所示,其特点是在?齿上配有双层的碳钨合金,当第一排?齿磨损后,第

38、二排?齿可替代第一排?齿继续工作。11西安建筑科技大学硕士学位论文 为便于?具更换,切?采用背装式安装在盾构机?盘上。13 双层耐磨切? 图 2.图 2.14 贝形? 先行?(也名超前?)是一种超前于切?布置的?具,在工作中,先行?在切?接触到地层之前,特别是硬度较大的 地层,将土体进行分割成块,从而可以为切?切削土体提供良好的切削条件,另 外先行?的存在还可以避免切?碰到块石或砾石而损坏,因此也对切?起保护作 用。先行?安装于?盘辐条的中间,也采用背装式。目前常用的先行?主要有三 种,分别为齿?、撕裂?和贝形?,如图 2.14所示的贝形?。法国 NFM 公司和加拿大的罗斯特公司的盾构机常选用

39、撕裂?,德国的海瑞克公司常选用齿?,日本 盾构机常选用贝形?。部分先行?也采用双层的耐磨设计,采用了碳钨合金?齿 ,与切?的双层耐磨设计有着相同的作用和效果。 另外鱼尾?也是盾构机常用的一种切削?具。在软土地层中,盾构机在掘进过程中?盘旋转速度较慢,从边缘到中心 的线速度越来越小,在中心位置上的线速度可视为零,此位置对土体的切削效果以及渣土的流动性也就越差,所以需在盾构机?盘中心位置安装一把鱼尾?,这 样可以提高对中心土体的切削效果,另外也可以起到搅拌土体的作用。为便于有更好的切削效果,鱼尾?也往往布置于切?之前。 2.2.3 辅助类?具 盾构机在掘进地层时也需要一些辅助类?具,常用的主要有刮

40、?和仿形?两种。刮?又称铲?,安装于?盘的边缘上 ,一方面可以保证隧道的开挖直径,清除隧道边缘上淤积和渣土,另一方面可以防止?盘边缘受到磨损。为提高刮?的耐磨性,一般会将一个双排的碳钨合金柱齿和一排连续的碳钨合金齿布置于刮?的表面上,周边刮?也选择背装式,便于从土舱内更换。不同种类的刮?如图 2.15所示。 12 西安建筑科技大学硕士学位论文图 2.15 刮?仿形?与刮?一样,也安装于盾构机?盘的边缘上,在施工过程中通过液压控制其伸缩运动,以保证仿形?的开挖深 度和超挖位置,另外仿形?的存在便于盾构机在隧道掘进中转弯、曲线前进或对方向纠偏,例如当盾构机右侧开挖以便盾构机向右转弯时,仿形?只需从

41、右侧伸 出扩挖即可,仿形?的伸出?盘量一般在 70-140mm。在仿形?使用上,一般会将两把仿形?安装在盾构机上,其中一把作为备用。如图 2.16所示的仿形?。 图 2.16 仿形?2.3 刀盘主轴承 ?盘主轴承是?盘系统中的重要部分,一方面将驱动系统产生的动力传递给?盘,另一方面它承受着整个?盘的重力以及?盘在工作过程中产生的巨大扭矩、轴向力、径向力和倾覆力矩。盾构机?盘 上所用的主轴承一般分为滚动轴承和滑动轴承两种,一般选用滚动轴承,常见的有三排三列滚柱轴承、三排四列滚柱轴承和双列圆锥滚柱轴承,它们属于低速重载滚动轴承。?盘主轴承选配滚动轴承原因如下。 1) 滚动轴承的轴芯摆动小,精度一般

42、较高,可以确保用土砂密封的机能。 2) 滚动轴承的磨损较小。 3) 滚动轴承的结构比较紧凑,有利于缩短盾构机的身长。13西安建筑科技大学硕士学位论文图 2.17 英吉利海峡隧道掘进机中的轴承盾构机主轴承主要有三排滚柱轴承和双列圆锥滚柱轴承,这两种轴承都属于低速重载滚动轴承,其特点是工作转速低,承受载荷能力大。例如在英吉利海峡隧道挖掘盾构机上所安装的大型双列圆锥滚柱轴承,如图 2.17 所示。而目前昀常用的为三排滚柱回转支承轴承,它与双列圆锥轴承相比,能承载更大的轴向力。其结构主要包括外圈、内圈、滚动体、保持架,如图 2.18 所示。轴承的的传动方式有外圈传动和内圈传动两种,图中所示的为用于内圈

43、传动的轴承。 图 2.8 三排滚柱回转支承轴承?盘是通过轴承与机身相连,所以在选择轴承时首先要考虑?盘的支承方式,就?盘的支承方式而言有周边支承方式、 中间支承方式、中心轴支承方式。不同口径的盾构机往往选择不同的支承方式,可参见第四章具体介绍。 2.4 刀盘驱动机构和推进机构 2.4.1 ?盘驱动机构 ?盘的驱动机构指的是提供?盘旋转驱动的机构。该机构由减速机的电动或油缸马达驱动带有轮齿的轴承来带动?盘旋 转工作。?盘的旋转驱动方式有电动马达和液压马达两种。电动马达具有能源效率高及噪声、发热量低的优点,故使用较多,如果在超载荷,产生了巨大扭矩时,有可能使?盘动力传输机构产生故障,14 西安建筑

44、科技大学硕士学位论文 则需要安装离合器等,在超负荷之前截断动力。液压马达的优点就是易于应对超负荷,并且其轴向长度比液压马达短,可缩短机身长度。当地形中有产生冲击载荷的地质时,大多选择使用液压马达驱动。 2.4.2?盘推进机构 推进机构是指使盾构机在地层中提供前进动力的机构,是盾构机中关键性构件,主要设备是盾构机外壳内侧配置的千斤顶群(液压缸组),千斤顶顶端与管片相贴,依靠管片的反力推动盾构机前进。随着盾构机的前进,盾构轴心与管片的端部之间产生一些角度的变化,所以千斤顶与盾构不是以刚性连接,而是借助硬质橡胶等弹性材料安装在盾构机上。盾构千斤顶在除了产生轴向力,另外还有可能因自身垫板倾斜产生推力

45、1%-8%的横向载荷。由于盾构机的推动系统是由数个千斤顶组成,为便于控制,可将它们分为 A、B、C、D 四组来控制,具体介绍详见第五章。 管片是紧贴在隧道外侧的,为昀大限度的利用管片的强度,需尽可能的将千斤顶的顶端对准管片的形心处,为此盾构千斤顶一端大都设置一些偏心量,如图2.19 所示。偏心量不允许过大,其允许值在 30mm-50mm 之间。千斤顶的数量要依据单个千斤顶的推力大小与盾构推进力和盾构的外径而定。盾构机千斤顶在设计时一定要满足足够的强度,因为盾构机在掘进过程中要由液压千斤顶提供巨大的推力,如强度不够,极易导致千斤顶损坏。图 2.19 千斤顶与管片的偏心状况 另外在盾构机?盘系统中

46、还有土渣输送装置和管片拼装装置。土渣输送装置是主要用来输送?盘所切削下来的土砂或 碎石,多采用螺旋式输送机,一般可分为有轴式螺旋输送机和无轴式螺旋输送机,后者在止水性上略差一些,但两者在螺旋直径相同的情况下,无轴式螺旋输送机输送更大的砾石。?盘掘进系统中另外一个重要装置为管片拼装装置,也称举升臂,主要是用来拼装管片的装置,一15西安建筑科技大学硕士学位论文 般由旋转液压马达、旋转环、伸缩千斤顶、伸缩导杆、托臂和夹持装置构成。 2.5 本章小结 本章主要介绍了盾构机?盘系统的构造,详细介绍了?盘、?具的种类和作用,?盘开口槽、开口率等问题,另外也 介绍了盾构机主轴承、?盘驱动系统、推进机构、管片

47、拼装装置机构和螺旋输送机构及工作原理。16 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 刀盘的刀具布置 3.1 刀具的工作原理及受力分析 ?具的种类多种多样,有切削破岩类?具、滚压破岩类?具和辅助类?具,它们的工作原理和作用也各不相同。切削类破岩类?具中的切?和滚压破岩类?具中的盘形滚?是隧道掘进中昀常用也是 昀重要的两种?具,切?主要用于软土切削,其受力较为简单,而在硬岩中切? 主要用于刮渣,本节主要对切?和盘形滚?的工作机理以及盘形滚?的受力情况进行分析研究。 3.1.1切?的工作原理 切?是盾构机掘进中切削土的主体?具,为软土地层切削?具,其特点是在盾构机推动?盘前进的同时,在?盘的旋 转带动下对

48、固结土壤产生径向力和轴向力,通过?刃及?头插入土壤进行切削, 其运动过程如同犁子耕地一样,一般情况而言,切?的前角与后角值是随着切削 地层的特性而变化,其取值范围一般在?5 20 之间,砂卵石地层取小,粘土地层取大。如图 3.1 所示。在软土地层中切?主要用于切削和倒渣,在岩石地层中切 ?主要作用是刮渣,所以在硬岩地层中盾构机也必须配备切?。为了较好的挖掘 效果和避免切?的磨损,在同一切削轨迹的?盘上往往布置多把切?,并且相邻轨迹的切?之间有一定的重叠。 图 3.1 切?及其切削原理3.1.2盘形滚?的工作原理 盘形滚?多用于硬质地层中,在盾构千斤顶的推力作用下,滚?紧压在岩石的表面,在工作过

49、程中,滚?在绕?盘中 心公转的同时也绕自身轴心自转,一方面依靠自身的滚动力对岩石冲击,另一方面随?盘旋转对岩石剪切碾压,以达到28-30破碎岩石的目的 。岩石经过滚?碾压切削后,?盘前面的掌子面上切出一道道17西安建筑科技大学硕士学位论文 同心圆沟槽;当?盘推力大过岩石的硬度 时,岩石将直接被滚?破碎,?尖也随之贯入岩石;在?盘的进一步推进下,相 邻两?尖下的岩石裂纹则会相互延伸,直到贯通,昀终岩石形成碎片而剥落,盘 形滚?也就完成了一次破岩过程。破岩过程主要分为以下几个阶段。 1)挤压阶段 滚?在巨大推力下切入岩石, 同时在岩石的表面会产生局部变形和很高的接触应力。在接触应力的作用下,?刃与

50、岩石接触部分会产生粉碎区,也就是应力核心区。如果核心区的深度越深,范围越大,则破岩效率就越高。 2)起裂阶段 当粉碎区域的应力大于岩石所能承受的抗剪或抗拉强度时,岩石便会产生裂纹。岩石表面产生裂纹也是破岩的先决条件。应力核心区的下层为应力衰弱区,此区域不会对岩石的裂缝起直接作用,但可以加大下一次循环中阶段应力的范围。 3)破碎阶段 在?盘推力作用下,相邻两?尖间的岩石裂纹相互延伸和渗透,使岩石成为碎片而脱离开挖面,但是?间 距要满足一定的条件,否则不能使岩石裂纹贯穿。如图 3.2所示。图 3.2 滚?破岩机理3.1.3 盘形滚?的受力分析 盘形滚?在破岩过程中,一方面随?盘旋转另一方面绕自身轴

51、线旋转,其受力情况较为复杂,在盾构机工作过程中,掘进效果的好坏是衡量?盘?具布置的是否合理的重要依据,而对?具的受力分 析是研究?具布置依据。一般而言,在滚?进行破岩时,滚?受有垂直推力、侧 向力、滚动力和惯性力。对于盘形滚?31的破岩机理国内外众多学者已做过大量研究 ,在研究受力情况上较为有名的有伊万斯Evans预测公式、科罗拉多矿业学院预测公式、秋三藤三朗预测公式、上海交通大学 640教研室预测公式等。 321. 伊万斯Evans预测公式 18 西安建筑科技大学硕士学位论文 伊万斯通过大量的实验研究,认为滚?在破岩过程中产生的垂直推力 F 与滚v?压入岩石部分在岩石表面的投影面积 A成正比,其比值为,如图 3.3所示。 c F?A (3.1) vc投影面积 A的大小可按照两抛物线所围成面积A 的二分之一计算。 p4 a22 Ah?R R?H tan (3.2)?p32为岩石单轴抗压强度(Mpa),R 为滚?半径( mm),h 为滚?压入岩石的c深度(mm),a为滚?刃角( rad) 。 由以上两式可得到垂直推力F v4 2 a2 Fh?RR?H tan (3.3)?vc32图 3.3 伊万斯公式用图2. 秋三藤三朗预测公式 日本人秋