1、 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 姓 名 李茂林 学 号 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 邵阳学院毕业设计（论文） I 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。 论文开始 对盾构机进行简单介绍，主要包括 :盾构机的分类， 土压平衡
2、 盾构机的基本结构和 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行了分析 ， 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行了 原理介绍 ，并进行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行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 。 邵阳学院毕业设计（论文） II SUMMARY Shield machin
3、e is a mechanical, electrical, hydraulic, measurement, control, and other multi-disciplinary technology in a body, specialized in underground tunnel excavation technology intensive major engineering equipment. With diameter of 1.8 m this paper simulate shield cutting wheel drive hydraulic system des
4、ign and research objects. Brief introduction of this thesis to shield construction machine, mainly includes: the classification of the shield machine, earth pressure balance shield construction machine basic structure and principle of construction. Also kind of shield driven method are introduced, w
5、ith constant speed motor drive, cutter head speed cant adjust, generally do not use, common have frequency conversion motor drive, hydraulic drive mode, Then the complex condition of shield construction are analyzed, and put forward the suitable for complex conditions of diameter 1.8 m simulation of
6、 shield cutting wheel drive hydraulic system design scheme, and the principle of main control function module is introduced, and the system of hydraulic elements main parameter selection, calculation, checking and at the same time using the 3 d design software Pro/E for hydraulic system of the main
7、valve block and pump station, the optimization design and integrated design. Finally summarizes the full text, and prospects the future research direction. 目录 内容提要 I SUMMARY II 1 盾构机 介绍 1 1.1 盾构机的分类 1 1.2 盾构机的组成 及功能 2 1.3 盾构机的施工原理 6 2 盾构刀盘驱动 概况和方式比较 9 2.1 电机驱动 及比较 9 2.2 变频电机驱动 10 2.3 液压驱动 特 点 10 3 模
8、拟 盾构刀盘液压驱动 系统 及 集成设计 14 3.1 盾构刀盘液压驱动 系统原理设计 14 3.2 刀盘转速控制及功率限定控制 16 3.3 刀盘转动方向控制 18 3.4 液压驱动系统主要参数设计计算 与 元件 选型 19 3.5 压力损失验算 29 3.6 液压系统的发热和温升验算 30 3.7 盾构刀盘液压驱动系统 集成 32 4 结论及展 工作 望 36 4.1 论文总结 36 4.2 工作展望 36 参考文献 38 致谢 39邵阳学院毕业设计（论文） 1 1 盾构机介绍 随着人类文明 飞速 发 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
9、，促进 了 隧道施 工 技术的发展。 隧道的施 工 方法从传统的明挖法、盖挖法、矿 山 法发展到管段沉做法、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、安全性高、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 由盾构机与特定的基础地质、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
10、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、某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。北京、上海、南京、天津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。山西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”
11、，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；既邵阳学院毕业设计（论文） 2 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。广州地铁大塘 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
12、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部分的功能 ， 土压平衡式盾构主要组成系统包括
13、： 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。 邵阳学院毕业设计（论文） 3 图 1.1 盾构机组成简图 （ 1） 盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体 。 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
14、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 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
15、机再将碴土向后运输 ， 落入等候的碴土车中 。 邵阳学院毕业设计（论文） 4 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表面的环形空隙处 ， 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 。
16、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行换 。 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
17、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 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
18、培训有资质的人员，才可以通过气闸进出有压力的泥土仓。 邵阳学院毕业设计（论文） 5 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相同时，打开主室和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时打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
19、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
20、。 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
21、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，龙门吊邵阳学院毕业设计（论文） 6 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 由于隧道内空间狭小 ,大部分机电设备安装在盾构机的后配套拖车上 。 车架为门式结构 ,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。 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
