暢海潮 王永新 劉夏艷
摘 要:盾構(gòu)掘進機是一種集機械、電氣、液壓、測量導(dǎo)向、控制、材料等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。盾構(gòu)法施工以自動化程度高、施工速度快、安全可靠、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點,已廣泛用于地鐵、地下隧道、飲水工程等項目。推進系統(tǒng)是盾構(gòu)機的關(guān)鍵系統(tǒng),它主要承擔著推進任務(wù),同時能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)控制。文章簡要介紹6.28m土壓平衡盾構(gòu)機的推力計算、推進油缸的規(guī)格參數(shù)和數(shù)量的確定、推進液壓系統(tǒng)設(shè)計;推進油缸的控制等。
關(guān)鍵詞:盾構(gòu)機;推進;液壓系統(tǒng);TBM
推進系統(tǒng)是盾構(gòu)機的關(guān)鍵系統(tǒng),它主要承擔著盾構(gòu)機的推進任務(wù),同時能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運動等功能。
推進液壓系統(tǒng)主要包括推進泵、控制閥組、推進缸和管路附件等。[1] 以下就6.28m土壓平衡盾構(gòu)機(以下簡稱EPB)推進液壓系統(tǒng)設(shè)計做簡要介紹:主要包括確定盾構(gòu)的推力;推進油缸的規(guī)格參數(shù)和數(shù)量的計算;推進液壓系統(tǒng)設(shè)計;推進油缸的控制等。
1 推力計算
盾構(gòu)機在前進過程中主要克服以下幾種力:
(1)土壓對刀盤作用力:
(1)
式中,F(xiàn)1為土壓對刀盤作用力,kN;p±為土壓,bar;D為刀盤直徑,m。
(2)上方土體對盾體的力:
(2)
式中,F(xiàn)2為上方土體對盾體的力,kN;D為刀盤直徑,m;L為盾體長度,m;de為土密度,kg/m3;MU為摩檫系數(shù)。
(3)盾體摩檫力(設(shè)備重力作用產(chǎn)生力):
(3)
式中,F(xiàn)3為盾體摩檫力,kN;m為盾體重量,kg;g為重力加速度;f為摩檫系數(shù)。
(4)刀具產(chǎn)生力:
刀盤上共安裝了60把刮刀、12把周邊刮刀、撕裂刀26把。根據(jù)每把刮刀在軟土中的推進力約為5.6 kN、每把撕裂刀的設(shè)計最大推力為250kN,計算刀具產(chǎn)生力:
(4)
式中,F(xiàn)4為刀具產(chǎn)生力,kN。
(5)后配套牽引力:
(5)
式中,F(xiàn)5為后配套牽引力,kN;m1為后配套重量,kg;g為重力加速度;f為摩檫系數(shù)。
(6)
式中,F(xiàn)'為推進力,kN。
EPB推力除克服以上阻力外,還應(yīng)考慮盾構(gòu)轉(zhuǎn)向、上坡等因素,所以EPB推力為以上5種力計算之和再乘以安全系數(shù)。
F總=iF'=1.1×36009.2=39610.12kN (7)
式中,F(xiàn)總為推進總推力,kN;i為安全系數(shù);F'為推進力,kN。
綜上所述,EPB推力取整為40000kN。
2 推進油缸布置及數(shù)量
EPB推進時,推進力是作用在管片上,因此推進油缸的布置主要考慮管片的結(jié)構(gòu)形式、分布方位、受力點布置、拼裝管片方便性等因素。EPB推進油缸采用圓周均布,可以保證管片受力平衡、Key塊方便安裝、油缸上下左右布置均對稱。
推進缸數(shù)量取決于一環(huán)管片軸向穿螺栓孔數(shù)量。采用5+1管片,軸向一圈螺栓孔數(shù)量為16個。該設(shè)備采用16組油缸(雙撐靴,防止撐靴因重力左右旋轉(zhuǎn),破壞管片止水條),共32個油缸。
3 推進油缸計算[2]
單缸推力:
(8)
式中,F(xiàn)為單缸推力,kN;F總為推進總推力,kN;n為油缸數(shù)量。
無桿腔直徑:
(9)
式中,F(xiàn)為單缸推力,kN;p為工作壓力,bar;D為無桿腔直徑,mm。
圓整后按標準取220mm。
活塞桿直徑:根據(jù)經(jīng)驗公式
d=0.8D=0.8×220=176 (10)
式中,D為無桿腔直徑,mm;d為有桿腔直徑,mm。
圓整后按標準取180mm。
活塞桿強度計算:(活塞桿材料45號鋼,查表許用應(yīng)力?滓p=400MPa)
(11)
式中,σ為活塞桿許用應(yīng)力,Mpa;F為單缸推力,kN;d為有桿腔直徑,mm。
活塞桿強度滿足要求。
綜上:油缸尺寸?椎220×180行程2100mm
4 活塞桿穩(wěn)定性校核[3]
因為油缸總行程2100mm,而活塞桿直徑為170mm,LB/d=2100/180=11.67>10,需要進行穩(wěn)定性校核。
活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力:
(12)
式中,F(xiàn)K為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力,kN;E1為材料的彈性模數(shù),Mpa;J為活塞桿橫截面慣性矩,m4;K為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù);LB為極限長度,m。
(13)
式中,F(xiàn)力為活塞桿彎曲時能承受最大力,kN;FK為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力,kN;nk為安全系數(shù)。
油缸實際推力:
(14)
式中,F(xiàn)實為單缸實際最大推力,kN;D為活塞桿直徑,mm;p為最大工作壓力,bar。
所以穩(wěn)定性滿足要求。
5 流量計算
無桿腔面積:
(15)
式中,A1為無桿腔面積,m2;D為無桿腔直徑,mm。
有桿腔面積:
(16)
式中,A2為無桿腔面積,m2;D為無桿腔直徑,mm;d為有桿腔直徑,mm。
A 推進模式
推進速度80 mm/min時,需要流量:
(17)
式中,q1為推進泵供流量,L/min;n為推進模式工作油缸數(shù)量;v1為推進速度,A1為無桿腔面積,m2。
B 拼裝模式
伸出(速度為2000mm/min)需要流量:
(18)
式中,q2為推進泵供流量,L/min;n1為拼裝模式工作油缸數(shù)量;v2為推進速度,A1為無桿腔面積,m2。
縮回(速度為3000mm/min)需要流量:
(19)
式中,q3為推進泵供流量,L/min;n1為拼裝模式工作油缸數(shù)量;v3為推進速度,A2為有桿腔面積,m2。
6 推進系統(tǒng)液壓原理圖設(shè)計
6.1 液壓泵設(shè)計
通過計算可知,該系統(tǒng)在拼裝模式時需要的流量很大,壓力較低;而推進模式時需要的壓力很高,流量較低。因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)約能源的角度考慮,考慮采用雙泵供油回路來實現(xiàn)。又考慮到拼裝模式伸出、縮回需要流量以及推進伸出需要流量都相差較大,故采用三聯(lián)泵的形式來實現(xiàn),如下圖1所示:
推進油缸在工作過程中有兩種模式,一種是掘進模式,另一種是管片拼裝模式。[4]
掘進模式用比例變量泵1來供油:通過給比例閥4電磁鐵賦值大小來控制斜盤擺角,從而實現(xiàn)流量控制;此時,定量泵2和3采用空載啟動回路,流量直接通過先導(dǎo)溢流閥11和12流回油箱。
管片拼裝模式油缸伸出需要流量是由變量泵1、兩個定量泵2和3來實現(xiàn);油缸縮回需要流量是由變量泵1和定量泵2來實現(xiàn)。
泵出口處安裝了單向閥13、14、15,可防止當系統(tǒng)檢修或泵停止工作時油液倒流;同時14和15還能保證推進模式高壓油倒流到定量泵中。
該液壓系統(tǒng)采用2級調(diào)壓。在推進過程中,主要是由電磁閥5的b得電,溢流閥7設(shè)定壓力350bar來保證推進壓力。在管片拼裝過程中,主要是由電磁閥5的a得電,溢流閥6設(shè)定壓力100bar來實現(xiàn)壓力控制。
6.2 油缸分組控制設(shè)計
由于地層變化頻繁、軟硬交錯,盾構(gòu)機經(jīng)常通過掌子面軟硬不均地層,造成刀盤受力不均,從而使盾構(gòu)姿態(tài)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、抬頭、低頭的現(xiàn)象,導(dǎo)致盾構(gòu)的掘進軸線與隧道設(shè)計軸線發(fā)生偏離。為了糾正盾構(gòu)姿態(tài),將32個推進油缸共16組,分成上3組、下5組、左4組、右4組共4區(qū),每個分區(qū)都有一只油缸配置位移傳感器[5],并可以單獨調(diào)整每組推進油缸的推進力和推進行程,這樣就可以實現(xiàn)盾構(gòu)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行。采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)對盾構(gòu)的姿態(tài)進行監(jiān)控,操作者根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)每組推進油缸的壓力,及時地調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài),從而可以使掘進中盾構(gòu)機的軸線盡量擬合隧道設(shè)計軸線。
在獨立分組中,采用節(jié)流控制方式,通過比例溢流閥和比例調(diào)速閥來實現(xiàn)壓力和流量的復(fù)合控制,提高系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng),其分組控制原理圖如圖2所示。
掘進模式,壓力油從進油口P進油,經(jīng)過比例調(diào)速閥1后,再經(jīng)過三位四通電磁閥6(b端得電),然后壓力油經(jīng)過單向閥8后進入推進油缸無桿腔,壓力傳感器12將檢測到的壓力信號傳遞給PLC,最后反饋給比例溢流閥2,根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)比例溢流閥的值,以保證推進缸輸出力;推進速度大小的控制,則由油缸內(nèi)置位移傳感器檢測到的信號傳遞給PLC,最終反饋到比例調(diào)速閥1,從而調(diào)節(jié)調(diào)速閥1開口度大小來實現(xiàn)。形成兩個互鎖的閉環(huán)控制,保證推進系統(tǒng)控制精度。推進缸有桿腔的油液直接通過三位四通電磁閥6流回油箱。另外,當遇到硬巖或者特殊條件時,負載瞬間加大,為了保護系統(tǒng)安全,特添加溢流閥11保證推進模式系統(tǒng)的安全。
管片拼裝模式,先是兩位兩通電磁閥7得電,把無桿腔高壓油卸荷。壓力油經(jīng)過進油口P進油,經(jīng)過插裝閥3(兩位四通電磁閥4得電),再經(jīng)過三位四通電磁閥6(a端得電)進入油缸有桿腔;無桿腔的油液經(jīng)過插裝閥9(兩位兩通電磁閥10得電),直接回油箱。
當一片管片拼裝完畢后,需要推進缸伸出頂緊該管片。此時壓力油經(jīng)過進油口P進油,經(jīng)過插裝閥3(兩位四通電磁閥4得電),再經(jīng)過三位四通電磁閥6(b端得電),然后通過單向閥8后進入油缸無桿腔;同時有桿腔的油液經(jīng)過三位四通電磁閥6后直接流回油箱。
7 結(jié)束語
通過對6.28m的TBM推進液壓系統(tǒng)的設(shè)計,對確定推進油缸參數(shù)和流量計算形成了一套成熟的計算方法,并深入了解TBM的推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計思想(尤其是大流量的設(shè)計),這些成果對于以后盾構(gòu)的開發(fā)、改造及施工選型起到積極的作用。
參考文獻
[1]張成,徐莉萍,任德志,等.雙護盾推進液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].機床與液壓,2010, 38(16):44-46.
[2]周德繁,張德生.液壓與氣壓傳動[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2013.
[3]李壯云.液壓氣動與液力工程手冊:上冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.2:375-379.
[4]王國義.盾構(gòu)推進系統(tǒng)及故障排除[J].山西建筑,2008,26(2):338-340.
[5]劉福東,郭京波.土壓平衡盾構(gòu)機推進液壓系統(tǒng)設(shè)計分析[J].隧道建設(shè),2011.
作者簡介:暢海潮(1986,3-),大學(xué)本科,北方重工集團有限公司盾構(gòu)機分公司,助理工程師。