盾构机液压系统(刀盘切割旋转液压系统)设计

-.z.毕业设计(论文)课题名称盾构机液压系统〔刀盘切割旋转液压系统〕设计学生**李茂林**0941101075系、年级专业机械与能源工程系、2009级机械设计制造及其自动化〔机电一体化方向〕指导教师戴正强职称讲师2013年5月22日-.z.内容提要盾构机是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型超大工程装备。论文以直径1.8m模拟盾构刀盘驱动液压系统设计研究对象。论文开场对盾构机进展简单介绍，主要包括:盾构机的分类，土压平衡盾构机的根本构造和施工原理。也介绍了盾构刀盘驱动方式种类，有定速电机驱动，刀盘转速不能调节，一般不采用，常见有变频电机驱动、液压驱动方式。接着对盾构施工的复杂工况进展了分析，提出了适用于复杂工况的直径1.8m模拟盾构刀盘驱动液压系统设计方案，并对其中的主要控制功能模块进展了原理介绍，并进展了该系统液压元件主要参数的计算、校核与选型，同时采用了三维设计软件Pro/E对液压系统的主要阀块和泵站进展了优化设计以及集成设计。最后总结全文以及展望了今后的研究方向。SUMMARYShieldmachineisamechanical,electrical,hydraulic,measurement,control,andothermulti-disciplinarytechnologyinabody,specializedinundergroundtunnele*cavationtechnologyintensivemajorengineeringequipment.Withdiameterof1.8mthispapersimulateshieldcuttingwheeldrivehydraulicsystemdesignandresearchobjects.Briefintroductionofthisthesistoshieldconstructionmachine,mainlyincludes:theclassificationoftheshieldmachine,earthpressurebalanceshieldconstructionmachinebasicstructureandprincipleofconstruction.Alsokindofshielddrivenmethodareintroduced,withconstantspeedmotordrive,cutterheadspeedcan'tadjust,generallydonotuse,monhavefrequencyconversionmotordrive,hydraulicdrivemode,Thentheple*conditionofshieldconstructionareanalyzed,andputforwardthesuitableforple*conditionsofdiameter1.8msimulationofshieldcuttingwheeldrivehydraulicsystemdesignscheme,andtheprincipleofmaincontrolfunctionmoduleisintroduced,andthesystemofhydraulicelementsmainparameterselection,calculation,checkingandatthesametimeusingthe3ddesignsoftwarePro/Eforhydraulicsystemofthemainvalveblockandpumpstation,theoptimizationdesignandintegrateddesign.Finallysummarizesthefullte*t,andprospectsthefutureresearchdirection.-.z.目录内容提要 ISUMMARY II1盾构机介绍11.1盾构机的分类11.2盾构机的组成及功能21.3盾构机的施工原理62盾构刀盘驱动概况和方式比拟92.1电机驱动及比拟92.2变频电机驱动102.3液压驱动特点103模拟盾构刀盘液压驱动系统及集成设计143.1盾构刀盘液压驱动系统原理设计143.2刀盘转速控制及功率限定控制163.3刀盘转动方向控制183.4液压驱动系统主要参数设计计算与元件选型193.5压力损失验算293.6液压系统的发热和温升验算303.7盾构刀盘液压驱动系统集成324结论及展工作望364.1论文总结364.2工作展望36参考文献38致谢39-.z.1盾构机介绍随着人类文明飞速开展，越来越多的开发到地下空间，各种隧道工程的需求对施工技术提出了更高的要求，促进了隧道施工技术的开展。隧道的施工方法从传统的明挖法、盖挖法、矿山法开展到管段沉做法、盾构法、全断面隧道岩石掘进机工法等[1]。盾构掘进机是集机械、电器、液压、测量、控制等多学科技术于一体的、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型超大工程装备。具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、平安性高、对地表沉降和环境影响小等优点。与传统的钻爆法隧道施工相比具有明显的优势，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构掘进机。1.1盾构机的分类由盾构机与特定的根底地质、工程地质和水文地质特征的匹配情况决定了在不同施工环境，盾构机所具有的三种类别：软土盾构机、硬岩盾构机(TBM)和混合盾构机三类。软土和硬岩盾构机是在同一地层中使用的盾构机。〔1〕软土盾构机软土盾构机是指适用于未固结成岩的软土、*些半固结成岩以及全风化和强风化围岩条件下的一类盾构机。、、、**等地在纯软土地层中使用的盾构机是典型的软土盾构机。仅安装刮刀，不需要滚刀。〔2〕硬岩盾构机广义的硬岩盾构机是指岩石掘进机(TBM)。它适用于硬岩且围岩岩层较致密完整的一类盾构机。秦岭铁路隧道和引黄入晋水利工程使用的是典型的硬岩盾构机。**万家寨引黄工程使用的硬岩盾构机球面刀盘，只安装滚刀，不安装刮刀。〔3〕混合盾构机混合盾构机是指设备具有的功能的"混合〞，这类盾构机既具有软土盾构机的功能又具有硬岩盾构机的功能；既具有土压平衡功能又具有泥水加压功能；既可以开胸式掘进又可以闭胸式掘进，等等。这是一类能适应更为复杂多变的复合地层的盾构机。**地铁大塘—汉溪区间使用的是混合盾构机，其刀盘兼有软土和硬岩盾构机的特点。在特定的盾构施工环境，根据盾构机采用的"出渣进料〞方式或最优开挖和出土功能的方式，可以分为开胸式、半开胸式、闭胸式和气压式。按平衡开挖面土压与水压的原理不同，密闭式盾构机又可分为土压式(常用泥土压式)和泥水式两种。敞开式盾构机按开挖方式划分，可分为手掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种。按盾构机的断面形状划分，有圆形和异型盾构机两类，其中异型盾构机主要有多圆形、马蹄形和矩形。盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构〔局部气压、全局气压〕，机械式盾构〔开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构〕。1.2盾构掘进机的组成及功能目前圆柱形盾构机是最为常见的一种类型，图1-1为LOVAT公司的RME306SE型号的土压平衡〔EPB〕盾构掘进机组成原理图。该盾构机直径为7.8m，总长80m。下面就以该图土压平衡式盾构机为例介绍盾构掘进机的组成及各局部的功能，土压平衡式盾构主要组成系统包括：刀盘及其驱动系统、盾壳及盾尾密封设备、双室气闸、管片拼装机及同步注浆设备、排土机构、后配套及辅助设备[2]。图1.1盾构机组成简图〔1〕盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三局部，这三局部都是管状简体。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供应盾构机向前的掘进力，这30个推进油缸按上下左右被分成A、B、C、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。从BB视图可以看出，该盾构机安装了11台液压马达驱动刀盘和24个液压油缸实现盾构推进。盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机由液压马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土舱中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输，落入等候的碴土车中。中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。盾尾的功能是实现盾壳尾部密封和同步注浆。一方面防止地层中的泥水或管片外围的浆液通过盾尾与管片间的间隙进入到盾构机内，另一方面通过盾尾壳体内置的同步注浆管，将注浆泵输送来的混凝土泥水填充到管片外外表的环形空隙处，保持盾尾处的压力，防止地表沉陷。〔2〕刀盘从AA视图可以看出,盾构机的刀盘位于盾构的最前部，是一个带有多个碴槽的切削盘体，刀盘上安装有盘形滚刀和刮刀用于对岩土层切。有时，刀盘的外侧还装有一把超挖刀,盾构在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构的转向。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后面的泥土仓中进展换。法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。〔3〕刀盘驱动刀盘驱动由螺栓结实地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现无级变速。刀盘驱动主要由8组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。〔4〕双室气闸双室气闸装在前盾上，包括前室和主室两局部，当掘进过程中刀具磨损工作人员进入到泥土仓检察及更换刀具时，要使用双室气闸。在进入泥土仓时，为了防止开挖面的坍踏，要在泥土仓中建立并保持与该地层深度土压力与水压力相适应的气压，这样工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压力的问题，通过调整气闸前室和主室的压力，就可以使工作人员可以适应常压和开挖仓压力之间的变化。但要注意，只有通过高压空气检查和受到相应培训有资质的人员，才可以通过气闸进出有压力的泥土仓。现以工作人员从常压的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来说明双室气闸的作用。工作人员甲先从前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，按照规定程序给主室加压，直到主室的压力和泥土仓的压力一样时，翻开主室和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时翻开主室和泥土仓之间的隔离。〔5〕管片拼装机从CC视图可以看出,管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽中，一个内圈为齿圈形式外径3.2m的滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。现以拼装头在正下方位置的情况为例，来说明拼装机的运动情况。两个拼装机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向移动；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200度；通过伸缩油缸可以使拼装头上升或下降；拼装头在油缸的作用下又可以实现在水平方向上的摆动，和在竖直方向上的摆动以及抓紧和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就可以有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。拼装手可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，用来拼装管片。我们一般采用的是1.2m长的通用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、两块临块和一块封顶块。封顶块可以有十个不同的位置，代表十种不同类型的管环，通过选择不同类型的管环就可以使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。〔6〕排土机构盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机是由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停顿掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。〔7〕后配套设备由于隧道内空间狭小,大局部机电设备安装在盾构机的后配套拖车上。车架为门式构造,中间为通道,顶部安装皮带运输机,两侧安装机电设备及盾构操纵控制室,拖车和盾构之间的设备桥装有管片起吊的电动葫芦(DD视图),设备桥的一端连接在盾构上,另一端与拖车连接,同时将车架拉向前进。后配套设备主要由以下几局部组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。1.3盾构掘进机的施工原理图1.2盾构机挖掘示意图从BruneI于1843年首次用盾构工法建造横穿英国泰晤士河河底隧道成功，至今已有170年。盾构法是以盾构掘进机(简称盾构)为核心的整套完整的建造隧道的施工方法。如图1.2所示，现代盾构掘进机是一种地面下暗挖隧道的自动化机械，它具有能够旋转的刀盘和可以移动的钢构造外壳。现代盾构机不仅能够实现暗挖、而且平安、掘进速度快、自动化程度高，已经能够应用在各类土质和软岩地层的隧道挖掘。盾构机的设计制造涉及到上木工程学、力学、机械学、控制科学、信息科学等多学科，是非常复杂的机电装备，属于技术密集型产品。盾构法施工时，通过盾构机可以进展开挖、立护、衬砌、等多种作业的一体化施工，实现了隧道施工的工厂化作业。盾构工法存在如下一些优点[3]：〔1〕在盾构支护下进展地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道平安施工。〔2〕盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行白动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低。〔3〕地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受施工干扰：在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、平安、军事等方而的优越性。图1.3所示为一种泥土加压平衡式盾构施工原理简图图1.3所示为一种泥土加压平衡式盾构施工原理简图。刀盘实现挖掘功能并承受正面的水上压力，盾壳承受周围土层的水土压力并将水挡在外面，盾壳内装有排碴、管片拼装、推进和同步注浆与密封等机械装置，此外，盾构掘进机还有备种配套装备。盾构掘进机能够进展土体开挖、碴上排运、衬砌拼装和盾体推进等系列操作，使隧道构造施工一次完成。盾构机施工时，需先在隧洞*段的端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开场掘进并沿着设计的隧洞轴线推进，直到到达隧洞轴线中的另一竖井或隧洞的*个交汇点。根据施工条件的不同，将一段连续的掘进过程分为始发、初期掘进、正式掘进及到达掘进四个阶段。盾构机正式掘进时处于稳定的工作周期，即盾构机掘进—管片拼装(盾构机停)盾构机掘进……,出碴列车的运行周期与盾构机的工作周期相吻合，即：列车进入隧道运送管片时间+列车开出隧道运送碴土时间=盾构机一个掘进周期。土体的开挖有很多种，其中手工挖掘方式是最简单的一种方法，只有在特别的土质以及隧洞很短的极少数情况下才用，比拟普遍的是机械开挖。机械开挖有局部断面开挖和全断面开挖两种情况。局部断面开挖通常由装有特别刀齿和刀头的挖掘头或由挖掘铲对开挖断面进展*个部位的挖掘，并通过移动挖掘头或挖掘铲来完成对整个断面的开挖，其挖掘过程可由手工进展操作控制或自动化控制。全断面开挖包括：旋转刀盘挖掘，即由在不同半径位置依次排列的刀具切削土体来完成全断面的一次性开挖；高速射流进展的水力挖掘；挤压式的挖掘，即通过顶推力使具有良好塑性的土壤被挤入盾构前的开口中。目前，盾构掘进机大多采用回转刀盘进展全断面挖掘。开挖出来的物料运输，开挖出来的物料在隧道内的输送一般由输运管线(泥水)或皮带运输机装运卡车、装运出渣列车等方式。现代的衬砌技术般有预制管片、模扳浇注、喷混凝土等几种方式，盾构法施工大多采用预制管片。预制管片有铸铁，铸钢、预制钢、钢筋混凝土等类型。对于预制管片外壁面与开挖隧洞内壁面之间存在间隙，通过同步注浆方法进展填实，以减少地面的沉降。2构刀盘驱动概况和方式比拟盾构刀盘驱动系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，是盾构机的重要组成局部,其承当驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务。盾构驱动方式有三种:一是定速电机驱动,二是变频电机驱动,三是液压驱动。2.1电机驱动及比拟鉴于定速电机驱动时，刀盘转速不能调节,一般不采用。目前刀盘驱动方式常见有变频电机驱动、液压系统驱动方式,下表为盾构刀盘驱动方式比照表。表2.1盾构刀盘驱动方式比照表驱动方式变频电机驱动液压驱动体积：驱动局部附属局部大中小大传动效率高低维修保养技术要求高一般调速性能好好地层适应性好好洞内温度发热小、温度低发热大、温度高过载能力强强设备费用较高中等从这两种刀盘驱动方式的性能比照中可知,针对各种不同的地层它们都具有良好的调速性能,使刀盘能够很好地开挖。变频驱动设备费用高,但是具有较高的传动效率,较低的能源消耗,可节省电力费用；液压驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能,维修保养相对简单,可靠性高。因此两种驱动方式在盾构上都得到广泛的使用。2.2变频电机驱动变频电机驱动:刀盘驱动系统主要由变频电机、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成。变频电机驱动刀盘旋转,刀盘速度可调,具有较大扭矩储藏和较高的传动效率,能源消耗较低,可节省电力费用，但其占用空间大。工作原理简图如下列图所示：图2.1盾构刀盘变频驱动系统原理简图变频器驱动电动机,在电动机输出轴上安装扭矩转速传感器,由扭矩转速传感器测得的输出扭矩T和转速n送到工控机,计算出电动机的输出功率P,将输出功率P与电动机额定功率N，这样对电动机的扭矩与转速做恒功率调节。这样电动机就始终在额定功率附近运行,到达高效节能的目的。2.3液压驱动特点刀盘液压驱动主要是由液压泵站、阀组、管路、驱动液压马达、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成。液压马达通过驱动刀盘旋转,刀盘转速通过液压系统调节。液压系统便于刀盘调速,具有良好的抗冲击能力和过载保护性能,维修保养相对简单,可靠性高；但其传动效率低,温升高。工作过程：通过泵和液压系统带动液压马达旋转工作，但是驱动液压马达转速很高，不能直接连接刀盘旋转切割，因此必须要通过减速机减速后，使输出的驱动小齿轮速度在所规定的速度范围之内，再由驱动小齿轮带动大齿圈转动，而大齿圈和安装刀盘的法兰连接，因此，大齿圈带动了刀盘法兰旋转，从而带动了刀盘的旋转实现了，刀盘的旋转切割。1三滚子轴向径向主轴承2大齿圈3减速器4螺旋输送管道5刀盘6滚刀图2.2刀盘与减速机马达的简图1减速机2马达3压力传感器4三位四通电磁换向阀5单向阀6两位四通电磁换向阀7低压溢流阀8高压溢流阀9插装阀10电动机11变量泵图2.3典型盾构刀盘多泵驱动液压传动系统原理图液压马达的选用目前主要有两种配置形式,其一是高速液压马达加齿轮减速装置,其二是直接采用低速大扭矩液压马达驱动。目前我国盾构机一般是采用高速液压马达加齿轮减速装置。图2.3为典型的盾构刀盘多泵驱动液压传动系统原理图。该系统是用多个变量泵驱动多个液压马达来控制刀盘转速,其有如下特点[4]：〔1〕大功率、超高压、闭式传动,构造简单、传动效率高,采用电液比例控制技术,数台电液比例变量泵和液压马达并联使用,便于选型和组合,适用而很宽,可以满足不同工况的使用要求；〔2〕通过比例放大器控制比例方向阀,可以很方便地调整变量泵的输出流量与方向,实现对液压马达的双向无级调速；〔3〕根据变量泵高压端压力传感器的实时检测值,限定比例放大器外部控制电压的给定值,可以实现系统的恒功率控制,控制精度根据使用要求山PLC程序设定,调整方便。恒功率传动控制系统有利于减少装机功率,适应复杂的地质变化,充分发挥盾构设备的潜力,增大作业范围,提高作业效率；〔4〕远程控制压力切断功能防止系统超压作业,响应速度快,调节方便,有效降低了压力冲击,提高系统的可靠性。可以为系统双向作业提供良好的平安保护措施；〔5〕具有较强的抗油液污染能力,系统清洁度要求与常规液压系统一样。3模拟盾构刀盘液压驱动系统设计盾构刀盘在掘进过程中，虽然工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘驱动系统需具备：大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调、在满足使用要求前提下减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘的驱动系统必须具有高可靠性和良好的操作性能，而采用全局功率自适应的泵控马达系统能大大减少回路过程中溢流损失和节流损失，散热效果也好。3.1液压驱动系统原理设计本文所设计的用于实验的盾构模拟试验平台刀盘直径为1.8m。刀盘的液压驱动系统采用一个变量泵和两个定量马达组成闭式控制回路驱动刀盘转动。液压系统中采用接近开关实时检测刀盘的转速，根据适宜的策略控制变量缸的位移，继而控制变量泵排量，形成按负载工况变化需要进展连续实时可控的刀盘驱动液压控制系统适应掘进中复杂工况，系统节能效果好[4]。整个系统可实现两种工况,即软岩工况时的低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩,两种工况转换可通过控制电磁换向阀9.5来实现。当电磁铁C断电时,溢流阀9.4确定系统最高压力,此时,系统压力设定为10MPa,输出转矩小,但流量大(最大为300L/min),输出转速高；当电磁铁C通电时,溢流阀9.3确定系统最高压力,此时,系统压力设定为25MPa,输出转矩大,但流量小,输出转速低。在整个掘进过程中刀盘转速是是实时连续可调的，可通过调节变量泵12排量实现转速调节。压力传感器4测量液压马达的进油口压力,压力信的信号可实时反应到主泵比例阀上，构成速度闭环控制系统。液压马达2的正反转可通过电液换向阀7来控制,电磁铁B1通电,马达正转,电磁铁B2通电,马达反转,由此可知该系统输出功率始终与负载所需功率相适应当系统压力超过平安阀9.2设定的压力时，先导平安阀9.2导通后，插装阀的主阀芯翻开，系统溢流。压力管路过滤器10设有压差发讯装置10.2，当滤芯污染堵塞到进出油口压差为0.35MPa时，即发出报警(开关)信号，此时应及时更换滤芯，如此时不能1减速机2插装式定量马达3梭阀4压力传感器5、6球阀7二位四通电液换向阀8压力传感器9插装阀9.1单向阀9.2平安阀9.3溢流阀9.4溢流阀9.5二位四通电磁换向阀10压力管路过滤器10.1压力管路过滤器10.2发讯器11压力表12变量泵12.1变量泵放人器13电机14联轴器16减震条17吸油过滤器17.1滤芯18球阀19油箱20电子温度继电器21液位控制继电器图3.1盾构刀盘液压驱动系统原理图马上停机或无人来更换滤芯，设在过滤器盖内的旁通阀会自动开启，以到达保护系统平安的目的。主泵12出口安装了单向阀9.1，可防止当泵检修或系统停泵时油液倒流。当油箱内的液位控制继电器21报警时电液换向阀7应断电处于中位，电机13停转，主泵12停转。电子温度继电器20用来监测油箱中的温度，当油箱中的温度处于下切换点温度时，电子温度继电器20发出报警信号，并启动油冷却器。当油箱中的温度处于上切换点温度时，此时三位四通电液换向阀7应断电处于中位，电机13停转。3.2刀盘转速控制及功率限定控制盾构施工时要求刀盘转速连续实时可调,同时为了防止重载情况下电机超载,还需要对液压系统进展功率限定控制。由于本系统采用变量泵控定量马达的方案,因此刀盘转速的调节是通过控制变量泵排量实现的,同时,该泵内部变量机构含有功率限定模块,因此可以满足上述控制要求。系统采用了Re*rothLRDUZ控制型变量泵,这控制类型的泵可以实现流量、功率复合控制。变量控制机构工作原理如下图。变量控制机构包括带比例电磁铁的流量控制先导阀1、恒功率控制阀2、压力反应油缸3、推杆4、折形杆5、变量缸小缸6、变量缸大缸7和梭阀8。这是一个压力—位移一力反应式排量调节机构。先导级的位移输入由比例电磁铁给出,先导级的力平衡方程决定阀口开度,变量缸的力平衡方程决定变量活塞的位移。通过实验可得，泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流成比例。假设泵的G油口没有外接控制油，泵刚开启时，系统没有压力，推杆6上的弹簧推动它到最左侧位置，这时斜盘倾角最小，泵的排量最大。此时，变量缸7的活塞在最右侧位置，将其右侧的弹簧压缩到最短，安装在推杆6上的油缸3和杆4处在最左侧位置，先导阀1的阀芯在右位，右侧杆4上的弹簧压缩到最大，先导阀2的阀芯处在右位。随着系统逐渐建立压力，推动梭阀8的阀芯上图3.2变量控制机构移，液压油经比例阀1流入变量缸7的右腔，当变量缸7右腔压力及其弹簧力与先导阀1右侧弹簧力之和大于推杆6的弹簧力时，推杆6右移，同时变量缸7活塞左移，泵的排量变小。当系统压力到达3MPa时，变量缸7的活塞在最左侧位置，推杆6在最右侧位置，斜盘倾角最大，泵的排量为零，只有少量内泄漏。此时，油缸3和杆4处在最右侧位置，油缸3的活塞有微小的伸出。先导阀1右侧杆4上的弹簧压缩量最小，阀芯仍在右位，先导阀2的阀芯处在右位。假设泵的G油口外接控制油，控制油压力到达3MPa,则泵在控制油压的作用下，变量缸7的活塞在最左侧位置，斜盘倾角最大，排量输出为零。当系统处于*一工作压力下，油缸3的下腔压力推动活塞使其处于*个位置，使折形杆S转动，因而，先导阀2的阀口开度与泵出口压力相适应。当外加比例信号大于200mA时，先导阀1的比例电磁铁推力大于其右侧的弹簧力，阀芯右移，阀口开度减小，进出口压差增大，因而，变量缸7右腔的压力减小，活塞右移，斜盘倾角变小，泵的排量增大。当比例信号到达600mA时，先导阀1的阀芯到最右侧，变量缸7右腔接油箱，活塞处于最右端，泵的排量到达最大。假设设定流量不变，当负载增大，系统压力变大，变量缸右腔压力增大，活塞左移，排量变小。同时，推杆6带动推杆4右移，推杆4上作用在先导阀1右侧的弹簧力减小，使先导阀1的阀芯右移，阀口开度变小，压差变大，使得变量缸的右腔压力变小，变量缸活塞又恢复到原位置，泵排量不变。如果工作压力使功率曲线超过，油缸3的活塞伸出，推动折形杆5转动，使先导阀2右侧弹簧大大压缩，先导阀2的阀芯到左位，进入到先导阀2的液压油全部进入到先导阀1，使变量缸7的右腔压力上升，活塞左移，斜盘倾角变大，排量变小。因此，恒功率控制优先于变量控制，如果设定流量或工作压力使功率曲线超过，则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排量。当低于功率曲线时，排量受控制电流的调整，泵输出的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化的影响，即，在功率限制范围内能适应负载的变化。所以，泵始终能工作于与负载匹配的工况，具有明显的节能效果。3.3刀盘转动方向控制盾构施工时要求刀盘可以实现正、反转。本系统采用三位四通电液力方向阀控制液压马达的油液流入、流出方向，实现马达转动方向的改变，从而控制刀盘的转动方向。系统采用了Re*roth4WEH型方向阀，是电—液操作方向控制滑阀，其内部机构如图2-6所示。此类阀主要包括阀体(1)、主控制阀芯(2)、两个对中弹簧(3.1)和(3.2)，带两个电磁铁(电磁铁"a〞：(5.1)，电磁铁，"b〞:(5.2))的先导阀(4)。主阀阀芯由弹簧或液压力保持在中位。在中位，两个弹簧腔(6)和(8)通过先导阀(4)供油，控制油可以由内部或者外部供应(外部供应油口*)。图3.34WEH型方向阀内部构造图领先导阀操作时，如电磁铁"a〞得电，先导滑阀(10)向左移动，因此弹簧腔(8)获得先导油压力而弹簧腔(6)保持无压状态。先导压力施压于仁阀芯的左端，并克制弹簧力(3.1)，最终使主阀P至B和A至T被连通。当电磁铁断电时，先导阀回到初始位置，弹簧腔(8)向油箱卸荷，控制油从弹簧腔经先导阀排入Y口回油箱。3.4液压驱动系统主要参数设计计算与元件选型盾构刀盘驱动液压系统由液压泵站、控制阀组、蓄能器组件、管路、液压马达、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成。盾构刀盘驱动系统技术要求如下[5]。〔1〕功能要求：1〕可实现主刀盘的正转、反转与停顿控制；2〕满足软土、沙土等不同工况下的负载要求；3〕主刀盘在规定的转速范围内可实现远程连续调节；4〕主刀盘在非工作状态下能点动与可靠制动；5〕可实现功率限定和过载保护；6〕最高压力限制和超压保护；〔2〕可靠性要求：1〕液压系统超载保护；2)液压系统超压保护；3)液压系统超温保护；4)工作状态下刀盘可靠制动保护；5)与电控系统配合可实现电液联锁保护。〔3〕工况分析：1〕刀盘驱动扭矩的实质配置应大于等于刀盘装备扭矩。盾构掘进时，推进速度、推进力、土仓中压力和刀盘转速都直接影响刀盘扭矩，因而刀盘装备扭矩必须根据地质形式、盾构形式、盾构构造决定。一般采用经历计算法计算刀盘装备扭矩T。经历计算公式：.式中：—刀盘装备扭矩单位为N.m;—盾构机的外径单位为m;—扭矩系数，根据盾构直径、土质等不同而不同，一般为：1.4-2.3。2〕刀盘转速根据地质条件及施工要求确定，最高转速一般在0.5-1.5r/min。3〕由于盾构机的刀盘转速不可过大，因此在液压马达和刀盘之间要增加减速机，根据经历减速机的减速范围为20-2000。〔4〕设计参数此盾构机模拟试验台刀盘液压驱动系统设计参数：直径D=1.8m；扭矩系数a=2；；则刀盘扭矩：117kN.m；刀盘转速：0～6r/min；刀盘驱动：液压马达：2台；减速机：2台；减速机的减速比：；大齿轮齿数83；小齿轮齿数14；大齿圈速比：根据上述设计要求，对系统液压与动力元件进展计算并选型。3.4.1液压驱动原件的选型〔1〕液压泵的选型1〕液压马达的最大转速：.式中一刀盘最大转速,；一齿圈速比,；—减速机的减速比,。系统输出最大扭矩时刀盘转速为1.5r/min,此时马达相应的转速为：..2〕液压马达的最大输出扭矩：.式中：—马达的个数；—减速机及齿轮的总机械效率；3〕液压马达进出口工作压差：.式中:—马达的排量,；—马达的机械效率,；4〕由于马达出口直接回油箱,所以可认为执行元件最大工作压力：24MPa.故可选用Re*roth公司的A2FE45/61W—NZL191液压马达。其标称数据如下：排量；最高转速；最大流量；当量扭矩；当时，扭矩。5〕液压马达实际流量：.式中:—马达的容积效率,6〕液压泵的工作压力确定液压泵所需最大工作压力确实定[6]，主要根据执行元件在工作循环各阶段所需最高工作压力，再加上油泵的出油口到执行元件进油口处总的压力损失，即..包括油液流至流量阀和其它元件的局部压力损失、管路沿程损失等。参考以下阀压力损失。背压阀压力损失：；节流阀压力损失：；顺序阀压力损失：；换向阀压力损失：；根据经历可得总压力损失为。则可得液压泵所需最大工作压力。7〕液压泵所需最大排量：.式中:—泵的容积效率,液压泵的输出功率：.—马达的机械效率；—马达的容积效率；在盾构机中，泵一般采用轴向柱塞变量泵。柱塞泵的特点是泄露小，容积效率高，可以在高压下工作，并可实现变量。轴向柱塞泵还可分为两种：斜盘式和斜轴式。斜盘式轴向柱塞泵的传动轴中心线与缸体中心线重合，可通过改变斜盘与缸体传动轴中心线的夹角来实现变量。一般限用于小流量和中高压的场合。斜轴式轴向柱塞泵的传动轴相对于缸体中心线倾斜一个角度，可通过改变轴和缸体之间的夹角来实现变量。这种泵适用于要求排量大的场合，但构造复杂。根据上面计算的压力和流量，查产品样本资料，应选用Re*roth公司的A11VO260LRDU2/11R-N2D12K01变量泵。其标称数据如下：排量：；最大允许流量；最高转速；实际工况校核转速：.应选的泵符合工况要求。3.4.2系统主驱动用电机的选择与减速机的设计〔1〕电机的选择系统为单泵供油系统,则一台马达输出功率：.两台马达一样，则马达总功率.由上可知，电机的输出功率为：.式中：—马达的机械效率；—马达的容积效率；—泵的机械效率；—泵的容积效率；综合上述，根据功率可选择ABB公司的M2QA—225M4A三相异步电动机,其额定转速为1475r/min。其标称数据如下：额定功率：45W；额定转速：1475rpm；效率：92.5﹪；功率因数：0.88；电流：84A；转矩：291N.m；最大转矩：；转动惯量：；〔2〕减速机的设计由上文选择的液压马达最高转速，选定减速机的减速比。一级圆柱齿轮减速器最大为60.因此可以设计成二级斜齿轮圆柱齿轮减速器，低速级大齿轮齿数为83，与之配对的齿轮齿数为14；高速级小齿轮齿数为14，与之配对的齿轮齿数为142。高速级和低速级齿轮材料一样如下：小齿轮40Cr调质处理HB=280HBS；大齿轮45钢调质处理HB=240HBS；高速级配对齿轮模数为2，低速级齿轮模数为2.5。高速轴1、2设计，按齿轮轴设计，轴的材料取与高速级小齿轮材料一样，都采用40Cr。轴Ⅲ的设计计算，轴的材料选用40Cr〔调质〕，构造件如零件图。箱体的构造尺寸以及轴的构造如装配图。3.4.3液压控制元件的选择液压元件的选取原则[6]:1〕、考虑系统各局部的最高工作压力，即考虑液压元件的承压能力；2〕、考虑系统各局部所需最大流量，即考虑液压元件的通流能力；3〕、考虑各公司液压产品的可靠性与性能。液压阀及过滤器的选择[7]根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量，可选择这些元件的型号及规格。该模拟盾构刀盘液压驱动系统的中所有阀的额定压力为26Mpa，额定流量根据各阀通过的流量确定为200L/min，250L/min，300L/min三种规格。梭阀：采用贺德克公司中型号为WVT-l0S-*管式安装的球型座阀。其公称压力为=35MPa。球阀：整个系统压力很大，故采用贺德克公司中KHM-G11/2高压球阀。平安阀：采用力士乐DB6D直动式溢流阀，最大工作压力:31.5MPa，最大体积流量：60

l/min。溢流阀：可采用力士乐公司中型号为DBD-S6K1直动式溢流阀。3.4.4液压油的选择由于该盾构刀盘旋转切割液压系统的压力比拟高、工作的环境温度也比拟高、工作部件做旋转运动，故宜选用粘度较高的压力油来减少容积损失。该液压变量泵对液压油粘度也有要求，通过查阅有关液压手册和产品样本得该泵适用与于粘度较高的液压。通过上面分析以及结合次系统的考虑，可选用抗磨液压油型号YB-N46液压油，简称N46号抗磨液压油。40度时运动粘度为。3.4.5液压辅助元件设计和选择〔1〕油管设计和接头的选择[7]根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定，由于次液压系统为高压系统，应选用20号优质碳素构造钢冷拉成的无缝钢管，它的抗拉强度大于410MPa。则油管尺寸内径可按下计算公式：式中：—为通过油管的最大流量，=—为管道内允许的流速，一般吸油管取0.5-5m/s；压力油管取2.5-5m/s；回油管取1.5-2m/s。令；；。吸油管内径为.回油管内径为.压油管内径为.油管最大壁厚为.式中：—油管材料的许用压力；—为材料的抗拉强度，无缝钢管查机械手册可取；这时=；—为油管壁厚；—为管内最大工作压力；—油管内径；—为平安系数，当时，。其余油管接口有关尺寸可根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定。油管的接头全部选用卡套式管接头，卡套式直通管接头(GB/T3733-2008)；卡套式锥螺纹直通管接头(GB/T3734-2008)；卡套式锥螺纹弯通三通管接头(GB/T3744-2008)；卡套式三通管接头(GB/T3745-2008)。〔2〕油箱的构造设计油箱的作用是储油、散发油的热量、沉淀油中杂质、逸出油中气体。在该模拟盾构机中采用开式油箱，油箱的有效容积可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定[8]。因此油箱的有效容积可按下述经历公式确定:..式中:—油箱的有效容积,L；—与系统压力有关的系数,高压系统取6-12，；—系统中各执行元件同时工作时的最大流量,包括刀盘驱动。则各驱动的总流量为=289.9+23.1=313L/min。为了在一样的容量下得到最大的散热面积，外形以立方形或长六面体为宜。油箱的顶盖上一般要安放泵和电机以及阀的集成装置等，据此可以确定箱盖的尺寸。另外最高油面只允许到达的80%，这样可以确定箱体高的尺寸。油箱的总容积可按下述经历公式确定:=l.25.所以,油箱内长:宽:高可分别设计为mm:mm:1000mm。油箱用厚度为3mm的不锈钢钢板焊接而成，顶盖一般要适当的加厚可设置为4mm。油箱整体设计为采用骨架式构造，因为该油箱为大容量且为较高；油箱底脚高度设计应在150mm以上，为了散热、搬油、和放油；油箱四周要安装吊耳，为了吊装和运输；油箱要设置2个隔板，高度约为油面的三分之二或接近油面。是为了将吸油和回油隔开，使油液循环流动并且别离回油带进来的气泡和杂质。油箱要设置空气滤清器，布置在顶盖上靠油箱边缘处，目的是为了使油箱与大气相通，保证泵的自吸能力，以及滤除空气中的灰尘杂物，还兼作加油口用。油箱还要设置液位计，监测油面高度，为标准件，可选用黎明公司型号为YWZ-500。油箱底面做成斜面，在最低处设置放油口，用放油阀堵住，换油可翻开放走污油。油箱盖板和窗口连接处都设置成加密封垫，各进、出油管通过的孔都需要装有密封垫。油箱具体构造和位置见图纸。〔3〕滤油器的选择选择普通过滤精度的自封式吸油滤油器，公称流量要大于滤油器一般是按泵的额定流量的两倍选取吸油过滤器，经过查表可选择型号为TF-600*100L,滤芯配套选择型号为TF*-600*100。〔4〕冷却器的选择液压系统的工作温度一般希望在30度到50度的范围之内，最高不要超过65度，最低不低于15度。由下文系统发热可知，工作温度明显超过了极限，又该液压系统靠自然冷却仍不能使油温控制在正常工作范围之内，因此需要安装冷却器。由于次模拟盾构机是在野外工作的机械，宜采用风冷式冷却器。根据工作条件和环境选择型号为OKAF-EL4S/28/2.OBlM/A/LF160/4/1的空气冷却器。3.5液压系统的压力损失验算〔1〕确定油液的流动状态[9]根据公式.式中：—为平均流速〔m/s〕；d为油管直径〔mm〕；为油的运动粘度〔〕；q为通过的流量〔〕。则进油管路中液流的雷诺数为：.回油路中液流的雷诺数为：.由上可知，进、回油路中的流动都是层流。〔2〕沿程压力损失在进油路上，流速；在回油路上，流速为进油路流速的两倍；通过公式计算得：.〔3〕局部压力损失由于采用集成块式的液压装置，所以只考虑阀类元件的集成块内油路的压力损失。通过的局部压力损失按公式：.式中为通过阀的实际流量；为阀的额定流量下的压力损失；为阀的额定流量，、均可由产品目录中查出计算。根据经历取集成块进油路的压力损失0.04MPa，回油路的压力损失0.06MPa，则进油路和回油路总的压力损失和为。执行元件马达压力损失根据经历可知为0.2MPa。则总的的压力损失为；从以上验算结果可以看出，各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失，而且比拟接近，说明此液压系统的油路构造、元件的参数是合理的，满足要求。3.6液压系统的温升验算液压系统中所有的能量损失将转化为热量，使油温升高，系统泄漏增大，影响系统正常工作。由此可知刀盘驱动液压系统需要散发的热功率和主驱动电机的功率损失全部转化成热量,则系统应散发的热功率为:式中:—马达的机械效率；—马达的容积效率；一主驱动泵的容积效率；一主驱动泵的机械效率；一主驱动电机的输出功率。当液压系统的散热量等于发热量时,系统处于热平衡状态,液压系统的温为:.式中:—液压系统的温升，；一系统所能散发的最大热功率；；—油箱的最小散热面积。.—油箱的散热系数,当自然冷却通风良好时,。由于油箱中油液允许的温升值一般为,而所计算出的系统温升不在允许温升范围内,因此该系统中需要设置冷却器。油箱的散热功率为换热量SL系列旋流式油冷却器特点传热面积广、能适合大流量、不漏油、具有良好的传热管以及装配容易等优点。故可选用黎明公司的SL—526型立式旋流式油冷却器。冷却器外径为139mm，管外测试压力1.5MPa,管内测试压力1.0MPa。表3.1经整理可得该模拟刀盘驱动系统液压元件明细表序号名称规格型号及说明数量生产厂商1减速机2自制2插装式定量马达A2FE45/61—W—NZL1912Re*roth3梭阀WVT-IOS-*1Hydac4压力传感器HDA3844-A-400-0006Hydac5球阀KHM-G11/2-1212-O1*2Hydac6球阀KHM-G11/2-1212-O1*2Hydac7三位四通电液方向阀4WEH32G6*/6AG24NTS2B081Re*roth8压力传感器HDA3844-A-400-0001Hydac9插装阀1自制9.1单向阀1常用9.2平安阀0811105217NG631.5MPa1Bosch9.3溢流阀DBDS6K1*/2001Re*roth9.4溢流阀DBDS6K1*/311Re*roth9.5二位四通电磁换向阀108100912271Bosch10压力管路过滤器QUI-H630*lOBP1黎明10.1滤芯H*-630*lOQ1黎明10.2发讯器24VCMS1黎明11压力表HM63-400-B-M14*1.5-FF1Hydac12变量泵A11V0260LRDU2/11RNZD12K011Re*roth12.1放大器PV24FE/201Re*roth13电机M2QA45KW-4B351ABB14联轴器875.75-P000502ROTE*梅花形1KTR15钟形罩PL550/1/3-001KTR16减震条DSM280M1KTR17吸油过滤器TF-600*100L1黎明17.1滤芯TF*-600*1001黎明18球阀KHNVS-G4-22331Hydac19油箱1自制20电子温度继电器ETS1701-100-000+TFPI00+S.S1Hydac21液位控制继电器ENS3216-2-0520-0001Hydac空气冷却器OKAF-EL4S/28/2.OBlM/A/LF160/4/11Hydac液位液温计YWZ-5001黎明液压空气滤清器EF4-651黎明集成块1自制管道/连接件1其它3.7集成阀块及泵站设计〔1〕集成阀块的设计插装阀控制具有工作压力高、通流能力大、动作灵敏可靠、密封性好无泄漏的特点,并且构造简单、易于集成,使系统具有构造紧凑、本钱低的特点。由于模拟盾构机的液压系统比拟复杂,使用集成阀块(一种液压系统无管化连接方式)可省去大量管子和接头,充分利用各个液压元件的功能,使得构造更紧凑密封性更好,便于安装、调试和维护。模拟盾构机的刀盘驱动液压系统由2个液压分区组成,假设使用集成阀块对其进展连接,不仅构造设计简单,而且也大大简化了系统油路构造,有利于安装和维护[11]。由于该刀盘驱动液压系统的流量很大，故采用了二通插装阀构造，它具有构造简单、抗污染能力强、性能可靠流动阻力小、动作可靠、易集成、无泄漏等一系列优点，特别适用于大流量液压系统的集成化控制。本系统的平安压力由平安阀调定，通过两个溢流阀和一个电磁换向阀为系统设定了两个最大压力，以适应挖掘中的两种工况。插装件为锥阀构造，是D型带阻尼孔的NG32通径插件。通过合理设计控制盖板的流道与先导控制阀组合后可以控制插装件的工作状态，控制盖板内还配置一个阻尼螺塞，调整插装件的响应时间。先导控制阀采用NG6通径溢流阀和电磁换向阀，控制插装阀的启闭。所有插件安装在符合DIN24342的安装孔内，阀块按回路要求加工主级及先导油路通道，与插装件、控制盖板和先导控制阀件构成液压系统控制块体。图3.4插装阀构造设计框图系统设计中还广泛采用了三维参数化设计软件,提高了设计效率,保证了设计的准确性及加工的便利。采用PRONE设计的集成阀块三维设计如下列图3.5所示：图3.5集成阀块三维设计加工图如下列图3.6所示：图3.6集成阀加工图在集成阀块中，变量泵出油口P连接到阀块P口，P口与先导单向阀插件1A、先导平安阀插件2A,先导溢流阀插件3A油口相通，并与压力传感器与压力表接口相通。单向阀1B口接阀块出口A，通向控制刀盘驱动马达正反转的三位四通换向阀，平安阀插件的控制口2*通过盖板流道接先导平安阀P口，溢流阀插件的控制口3*通过盖板流道分别与高压先导溢流阀P口和2位4通过换向阀P口连接，2位4通过换向阀A口通过盖板流道与低压先导溢流阀P口相通，先导平安阀T口、高压先导溢流阀T口和低压先导溢流阀T口通过盖板流道与各自阀块上的回油孔连通，这三个回油孔均与主回油通道连通并接阀块T口，另外，平安阀插件2B与溢流阀插件3B与主回油通道连通并接阀块T口。〔2〕液压动力站设计考虑到动力站将来会放置在盾体内部，由于盾体内部空间有限，设计时将刀盘泵站布局为串列式，即泵与电机在前，油箱在后。为了尽可能增大油箱的容积，油箱设计成