盾构机管片拼装机

盾构机管片拼装机目录1绪论.........................................................................................................................................11.1引言...............................................................................................................................11.2研究背景.......................................................................................................................11.2.1盾构机的发展历史.............................................................................................11.2.2我国盾构机的发展现状和发展前景.................................................................21.3盾构技术的工作原理及其特点...................................................................................31.3.1盾构机的掘进.....................................................................................................31.3.2掘进中控制排土量与排土速度.........................................................................31.3.3盾构机的组成及各部分在施工中的作用.........................................................32管片拼装机的结构分析.........................................................................................................72.1管片拼装机的整体结构...............................................................................................72.2回转系统的结构分析...................................................................................................72.3提升系统的结构分析...................................................................................................82.4平移系统的结构分析...................................................................................................92.5管片夹取装置...............................................................................................................92.6液压回路.......................................................................................................................92.7管片拼装机加工和装配要求.......................................................................................93管片拼装机的三维建模.......................................................................................................113.1UG的简介..................................................................................................................113.2UG建模的过程..........................................................................................................133.2.1建模准备工作...................................................................................................133.2.2建模过程..........................................................................................................133.3使用UG软件完成对重要部件小齿轮的三维建模.................................................143.4完成对管片拼装机回转系统和提升系统的装配.....................................................163.4.1回转系统的装配关系......................................................................................173.4.2提升系统的装配关系......................................................................................173.4.3完成对提升液压缸的装配过程......................................................................184对重要部件小齿轮的有限元分析.......................................................................................204.1对有限元法的介绍.....................................................................................................204.2简述齿轮机构的重要性及分析方法.........................................................................214.3齿轮材料的选择.........................................................................................................214.3.1齿轮的工作条件及可能的失效形式...............................................................214.3.2齿轮类零件的选材依据..................................................................................224.4静力学分析过程与步骤.............................................................................................244.5简述对重要部件小齿轮的ANSYS静力学分析过程..............................................254.5.1选择小齿轮为重要部件的理由.......................................................................254.5.2对相关数据的查找和计算...............................................................................254.5.3用ANSYS软件对小齿轮的分析过程............................................................264.6用ANSYS软件对重要部件小齿轮的模态分析......................................................344.6.1模态分析简介...................................................................................................3414.6.2对重要部件小齿轮进行模态分析步骤...........................................................355结论与展望...........................................................................................................................405.15.2研究展望.....................................................................................................................40致谢........................................................................................................错误～未定义书签。参考文献..................................................................................................................................41附录A附录B21绪论1.1引言近年来,我国开展大规模的城市市政工程建设,尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以普遍适用。在这种情况下,对城市正常机能影响很小的隧道施工方法--盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且一些地区已经有了较为广泛的使用。1.2研究背景1.2.1盾构机的发展历史盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段:一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构;二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构;三是以闭胸式盾构为代表(泥水式、土压式)的第三代盾构;四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。目前，最常见的是第三代盾构--土压平衡盾构和泥水加压式盾构。土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。士压平衡盾构无泥水处理设备，施工速度较高，比泥水盾构价格低，能获得较小的沉降量，也可实现自动控制和远距离遥控操作，由于开挖面得到安全的支护，因此现在的泥浆盾构和土压平衡盾构，甚至可以在困难的水文、地质条件下广泛应用。泥水加压式盾构(slurrypressurebalanceshield)，简称SPB盾构，是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。11.2.2我国盾构机的发展现状和发展前景盾构机全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，问世至今已有近百年的历史，经过不断改进和发展，成为目前世界最先进的地下隧道掘进机。其集机、电、液、传感、信息技术于一身，可在不影响地面状况的条件下作业，与传统施工方式相比大大提高了施工的效率、安全性，降低了成本，因而受到世界各国的青睐，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。在我国，盾构机在北京、广州、上海等10多个城市地铁和穿江越洋隧道施工领域发挥着巨大的效用。但是由于盾构制造工艺复杂，技术附加值高，盾构制造工艺为德国、法国、日本等少数国家所垄断，且价格高昂，在我国盾构市场上国外盾构机的占有率曾经高达95,以上。目前，在国家产业政策的大力支持下，由我国盾构机企业自主创新的国产盾构机已经成功打破国外的垄断地位，并在技术、质量等方面紧紧追赶世界。尽管由于历史的原因，国产盾构机在总体实力上与国外顶尖水平还有不小的差距，但是，在我国巨大隧道市场空间的带动下，国产盾构机的质量已经越来越好，与世界的差距也会越来越小。我国大约有85,的盾构掘进机依赖进口，欧洲和日本等公司的地铁盾构机在中国的盾构掘进机市场上占主导地位。其中，占据欧洲大半市场份额的海瑞克、以产量1670台居世界首位的三菱重工、以及拥有多个品牌的德国维尔特的表现最为抢眼，光德国的海瑞克就占据国内盾构机市场的70,以上。除了外资品牌，国内除隧道股份还有二重、上重、大重、沈重和首钢等企业，独立进行盾构机的生产或与德国海瑞克、维尔特、美国罗宾斯等外资合资、合作生产。为尽快改变这种被动局面，国家制定出台了重点扶持振兴盾构机国产化的相关政策，盾构机国产化终于开始“起跑”。随着国内市场需求量的增大，一些外资品牌纷纷进入我国，我国的盾构机有了少量生产。随着国内盾构机投资的不断增大和国际企业的进入，根据目前在建产能和计划投资情况，预计2010年我国盾构机的产量为50台左右。盾构机是装备制造业的标志性产品，也是当今世界上最先进的隧道掘进超大型专用设备。在中国日益重视开发利用地下空间的今天，具有十分广阔的市场前景。2010-2015年期间，中国规划建设的城市快速轨道交通项目总长度达1700公里，5000多亿元投资将聚集在这一领域。南水北调、西气东输等重大工程正在大量引入盾构机，盾构机施工和制造正在成为一个巨大的市场。至2010年，全国大约需要500台左右的盾构机。按照国际市场每台盾构机400-600万美元的价格计算，这一领域的潜在市场高达150亿-225亿元。因此，加速发展我国隧道掘进机的研发及产业化势在必行。目前，中铁隧道集团2与上海隧道股份是国家863隧道掘进机产业化基地，在隧道掘进机产业化和自主开发方面已经走在国内前列。国产土压盾构的关键技术指标已经达到国际先进水平，为我国掘进机制造业打下了坚实的基础，提升了企业与国家的核心技术竞争力。1.3盾构技术的工作原理及其特点1.3.1盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。1.3.2掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流入泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。1.3.3盾构机的组成及各部分在施工中的作用(1)盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6(25m。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给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右被分成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。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。(2)刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀3盘的开口率约为28,，刀盘直径6(28m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖刀，盾构机在转向掘进时，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，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。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行更换。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牢固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0-6(1rpm的无级变速。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，包括前室和主室两部分，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，为了避免开挖面的坍塌，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。(5)管片拼装机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梁相连接。(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4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，后者可以在停止掘进或维修时关闭，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)后配套设备后配套设备主要由以下几部分组成: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。A.管片运输设备管片运输设备包括管片运送小车、运送管片的电动葫芦及其连接桥轨道。管片由龙门吊从地面下至竖井的管片车上，由电瓶车牵引管片车至第一节台车前的电动葫芦—方，由电动葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管制、车再向前运送，供给管片拼装机使用。B.一号台车及其上的设备一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设备。盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机PLC自动控制系统、VMT隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。C.二号台车及其上的设备二号台车上有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、盾尾密封油脂泵及润滑油脂泵。液压油箱及液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、注浆泵等液压设备提供压力油。泵站上装有液压油过滤及冷却回路，液压油冷却器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂由12条管路压送到三排盾尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，以防止注射到管片背后的浆液进入盾体内。润滑油脂泵将油脂泵送到盾体中的小油脂桶中