［硕士论文］盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究

［硕士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ］盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究 盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究 摘要 集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的 盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用 最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备，其刀盘驱动系统具有大惯 性、大功率和变负载的特点，而近来迅速发展起来的电液控制技术在 继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体，成为 盾构机驱动方式的发展趋势。论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出 发，针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象， 分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，探讨了一种具有更高可 靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性 及其冲击适应性，主文主要研究内容如下: 1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究 现状。分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点，对变频电机驱动和液 压驱动两种方式进行了对比。 2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性， 分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型，论述了 盾构扭矩的构成情况及计算方法。重点研究了盾构刀盘在切削过程中 负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。通过盾构刀具 切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证和分析了盾构掘进 过程中负载的随机性和冲击的产生原因。 3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘 驱动液压系统的优缺点，针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变 化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路，并采用比例阀控蓄能器来 控制负载的动态冲击。 4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动态特性 入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身 的影响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器 模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。 5.在已建立的数学模型的理论基础上，利用A州 [ESim图形化仿 真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建系统的动态 特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。研究结果表明，采用比例 阀控蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统可以能够很好地吸收负载 冲击，有效避免溢流损失，并回收部分冲击能量，具有较好的节能性 多中南大学硕士学位论文摘要 和可靠性。 关键词:盾构掘进机;刀盘驱动液压系统;AMESim仿真;负载冲击; 蓄能器中南大学硕士学位论文ABSTRACT ABSTRACT Shieldtunnelingmaehineonwhiehmechanieal，eleetrieal， information，measurement，场 draulieandeontroltechniqueswereapPlied hasfeaturesofhigheffieieney， quie知ess， highqualityandsafety， whieh madeitbethemostwidelyusedeons加 etionequiPmentinunderground tunnelingProjectintheworid.Thedrivesystemofitseuttethead15with thefeaturesoflargeinertia， highPowerandvariableload.Sincethe eleetro一冲 dranliecontroltechniquescloselyintegratedwitheleetronic teehnology， ithasbeeomethenewtrendofthedrivingmode.Basedon theactualworkingeonditions， aimingatimPaetloadandeuttethead deadlocking， theProblemsofexistingdrivingmodewereanalyzed，a drivingsystemwithhigherreliabilityandhigherenergyeffieieneywas Putforward， thesystem， 5dynamicPerformaneeandimPaetadaptability weremainlystudied.Themainresearchwork15asfollows: 1.ThedeveloPmenteourseandresearchstatusofshieldteehnology werereviewed.Theexistingdrivingmodeofcuttetheadwasanalyzed. 、乞riable一 frequeneydrivingmodewaseomParedwithhydrauliedriving mode. 2.FromthePersPeetiveofload， thebasicProPertiesofroekand5011 werediseussed， theeuttingmeehaniealmodelandthePhysical PhenomenaincuttingProcesswereexPounded.TheeomPositionof torqueanditsresearchmethodwasdeseribedindetail.TheimPaetload anditseffectaswellasthereasonofeuttetheaddeadlockingweremainly studied.BasedontheshieldtoolcuttingeXPerimentandthedata collectedfromtheshieldsite， theeausesoftheload， 5randornnessand imPactwereverifiedandanalyzed. 3.Shieldeutterdrivesystem， 5strueturewasanalyzed.The advantagesanddisadvantagesofexistingshieldcutterdrivehydraulic systemhasbeenstudied.Thedesignideasofshielddrivenhydraulic systemwasProPosedundertheenvironmeniforload.Basedontheload，a volumemotorcontrolloopofvariablePumP一 variablemotorwas Proposed.ThecombinationofProPortionalvalveandaeeumulatorwas usedtocontrolthedynamieimPaetloads. 4.Basedonfluidmeehanies， themathematiealmodelofthe 111 知中南大学硕士学位论文ABSTRACT cutterhead，s勿 draulicdrivingsystemwasestablished.St别 rtingatsystem dynamieeharaeteristics， theeffeetsoftheParametersofthesystemonthe systemitselfunderheavyimPaetloadwerestudied.HydranlicimPactand theealeulationmethodofitsPeakwereelaborated.Basedonthemodelof 冲 draulieaeeumulator， its勿 namiceharacteristicswereanalyzed. 5.Basedonthemathematiealmodelestablished， thesimulation modelofcuttethead’s妙 drauliesystemwasbuiltbyuseofthesoftware AN田 Sim.Thedynamieeharacteristicsofthesystemandadaptabilityof theimPaetwerestudiedbysimulation.Theresultsshowthattheshield rotaryeutterdrivehydraulicsystemcanabsorbloadimPaetwell，avoid theoverflow1055effectivelyandreeoverPartoftheimPaetenergyby usingtheProPortionalvalvetoeontralaceumulator.Ithasbetterenergy efficiencyandreliability. KEYWORDSshieldtunnelingmaehine，cuttethead’ 5hydrauliedriving system，A侧田 Simsimulation， loadimPact，aeeumulator IV中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要........................................................................................................................„„I ABSTRACT..........................................................................................................……111 目录......................................................................................................................„„V 第一章绪论...........................................................................................................„„1 1.1引言............................................................................................................„„1 1.2盾构施工法及盾构机概述........................................................................„„2 1.2.1盾构施工法概述.............................................................................„„2 1.2.2盾构机概述...........................................................................„„，...„„4 1.3盾构机的发展研究现状............................................................................„„6 1.3.1盾构机的国外发展历史和现状.....................................................„„6 1.3.2盾构机的国内发展历史和现状.....................................................„„7 1.4盾构刀盘驱动方式概述............................................................................„„9 1.4.1现有驱动方式分析.........................................................................„„9 1.4.2盾构刀盘驱动液压系统发展方向...............................................„„12 1.5本文主要研究内容..................................................................................„„14 第二章盾构刀盘负载特性分析及实验研究.....................................................„„巧 2.1岩土特性概述..........................................................................................„„15 2.1.1岩石特性概述...............................................................................„„巧 2.1.2土壤特性概述...............................................................................„„17 2.2盾构刀盘的切削机理及负载构成..........................................................„„19 2.2.1滚刀与切刀切削原理...................................................................„„19 2.2.2刀盘负载扭矩构成.......................................................................„„27 2.2.3盾构刀盘切削负载与驱动液压系统祸合关系...........................„„30 2.3刀盘负载冲击的原因和影响..................................................................„„31 2.3.1刀盘负载冲击的原因...................................................................„„31 2.3.2刀盘负载冲击的影响...................................................................„„34 2.4盾构刀具及刀盘动态切削冲击特性实验研究......................................„„36 2.4.1盾构刀具切削实验目的...............................................................„„36 2.4.2盾构刀具实验设备与试样制备...................................................„„37 2.4.3盾构刀具实验结果及分析...........................................................„„38 2.4.4盾构刀盘切削负载冲击施工现场测试.......................................„„40 2.5本章小结..................................................................................................„„42 第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计.........................................................„„44 3.1盾构刀盘回转驱动结构概述..................................................................„„44 3.1.1刀盘的支承方式...........................................................................„„44 3.1.2刀盘的驱动结构...........................................................................„„45 3.2刀盘回转驱动液压系统设计思路..........................................................„„46 3.2.1现有的回转驱动液压系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的分析.......................................„„46 3.2.2刀盘回转驱动液压系统设计思路...............................................„„49 3.3盾构刀盘回转驱动液压系统原理设计..................................................„„50 3.4本章小结..................................................................................................„„54 厂中南大学硕士学位论文目录 第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析.................„„55 4.1盾构刀盘驱动液压系统模型..................................................................„„55 4.1.1变量泵一定量马达系统..................................................................„„55 4.1.2变量泵一变量马达系统..................................................................„„57 4.1.3主要性能参数分析.......................................................................„„59 4.2液压冲击现象的物理过程与峰值计算..................................................„„60 4.2.1液压管道中液压冲击现象的物理过程.......................................„„60 4.2.2液压冲击最大压力升高值的计算...............................................„„61 4.2.3液压冲击波的传播速度，..............................................................„„62 4.3盾构刀盘驱动液压系统中蓄能器与数学模型......................................„„64 4.3.1吸收压力脉动的蓄能器............................„„。............................„„64 4.3.2吸收压力冲击的蓄能器模型.......................................................„„67 4，4本章小结..................................................................................................„„68 第五章基于AMESha的盾构刀盘回转驱动液压系统仿真研究....................„„70 5.1AMESim图形化仿真软件简介...............................................................„„70 5.2系统仿真模型的建立与参数设置..........................................................„„71 5.3实际负载下盾构刀盘回转驱动液压系统仿真对比..............................„„74 5.4系统动态性能及其压力适应性仿真......................................................„„77 5.4.1液压系统动态特性仿真..........„„，..............................................„„77 5.4.2系统对于压力冲击适应性...........................................................„„81 5.4.3系统的节能性研究.......................................................................„„87 5.5本章小结..................................................................................................„„89 第六章总结与展望.............................................................................................„„91 6.1总结..........................................................................................................„„91 6.2展望..........................................................................................................„„92 参考文献...............................................................................................................„„93 致谢.......................................„„， ...............................„„，...................................„„98 攻读学位期间主要研究成果...............................................................................„„99中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1.1引言 随着我国现代化建设水平的不断提高，许多地区产生了诸如城市扩张、人口 膨胀、交通拥挤、大气污染、噪音污染等一系列问题，如果继续开发地面交通无 疑将导致上诉诸多问题陷入恶性循环。合理开发利用地下空间已逐渐成为目前国 内外公认解决建设用地与土地资源日益严重不足问题、促进社会可持续发展和环 境保护的最佳途径[l刀。 图1一1质构掘进机 地下建筑物的修建一般采用明挖法、暗挖法和盾构法。一般而言，明挖法多 用于平坦地形或埋深小于30m的场合，该方法几乎可以适应各种不同类型的结 构形式，使结构空间得到充分而有效的利用。但随着埋深的增加，采用明挖法会 使工期和费用显著增加且工期可预见性较差，在大型越江(海)工程中还会因为 所面临工程量浩大、不利影响因素过多而几乎无法实施;隧道暗挖法需要采取较 多辅助 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，施工降水等措施所引起的临近地区地下水位降低、地面沉降量增加 等问题较为突出，安全隐患严重，且当地基无自承载能力或承载能力较低、地下 水位较高时，隧道将无法开挖通过;盾构隧道施工(除竖井外)几乎不会对外界 产生交通影响，施工所产生的招生和振动也只发生在竖井口附近，该施工法能较 好地控制地下水渗漏和地表沉降，不影响地面交通和地下水位，工程费用几乎不 受隧道埋深的影响，目标工期和工程造价可控性好，施工风险相对较小，施工期 间不影响江河通航，不易受河床变迁影响，因而在国内外众多地铁隧道、排污隧 J中南大学硕士学位论文第一章绪论 道和大型越江(河)隧道修建中广为采用卜51。 目前，我国的城市轨道交通建设正处于史无前例的高潮。北京、天津、南京、 沈阳、成都、西安、深圳、长沙等地铁项目正在如火如茶地建设中，另外还有多 个城市的轨道交通建设规划获批或正在申报待批。城市地铁在扩大内需的政策支 持下，纷纷加大投资、加快建设。据不完全统计，目前全国有25个大城市正在 进行轨道交通的前期工作，总规划里程超过SOO0km，总投资超过8000亿元。“十 一五”期间，全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1500km[61。 在国内地铁隧道建设施工中，盾构法施工以其对周围环境影响小、自动化程 度高、施工快速、安全环保等优点显现出强大的优势，应用越来越多。随着长距 离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构法越来越受到 重视和青睐。特别是在地层条件差、地质情况复杂丈地下水位高等情况下，盾构 法更具有明显的优越性。因此，盾构产业化将具有广阔的市场前景[7]。 目前，盾构机的主要技术和设备生产主要集中在美、日、欧等少数几个发达 国家和地区，其中日、德的盾构机技术性能最为优越。作为隧道施工中极为重要 的掘进装备，盾构机在国外公司的垄断下依然大多依赖进口。[8]其高昂的购置费 和维护费，制约着施工成本的降低，致使基础设施耗资巨大。发展国产盾构，研 究、设计、制造符合中国国情的盾构，对打破国外技术垄断，提高我国设计制造 水平，振兴民族工业，带动重大装备制造业的发展具有显著的示范作用，提高盾 构技术水平对国民经济和国防建设都具有深远意义。 .2盾构施工法及盾构机概述 2.1盾构施工法概述 盾构施工是指使用盾构掘进机，一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳，一 边进行隧道掘进、出碴，并同时在机器内部拼装管片形成衬砌环实施壁后注浆， 尽量不扰动围岩而修建隧道的方法。采用盾构法修建而成的隧道称为盾构隧道。 盾构隧道施工的工作原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而 最大限度地减少施工对地面和地中建筑物的影响。工程中主要通过主动控制围岩 的应力释放和变形以达到削弱施工影响的目的，其措施包括:使用压力仓内的泥 土或泥水压力以平衡开挖面所承受的前方土、水压力;使用切削刀盘和盾构钢壳 对开挖四周进行被动支护;使用壁后注浆及时充填欠挖及盾尾孔隙等14，51。 如图1一2所示，盾构隧道施工流程主要包括如下几个步骤: (l)在修建区间隧道两侧端头修建竖井(或基坑)，作为盾构始发和接受竖 井(或始发和接受基坑)。中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1一2盾构施工流程图 (2)将盾构主机和相应配件分批次吊入始发竖井(或始发基坑)，于设计预 留始发掘进位置完成整机组装，调试各项参数以满足施工要求。 (3)在始发竖井(或始发基坑)预留开口处破壁施工，延隧道设计轴线顶 推前行。 (4)完成设计盾构区间隧道顶推施工。施工全过程主要可分为几个步骤: ?核心土体的开挖:保持盾构开挖面土、水压力略小于压力仓内支护压力以保持 掌子面的不断前行。?盾尾管片环拼装:当掌子面顶推单环装配式管片环幅宽长 度时，在刚性盾壳保护下完成整环管片拼装。?壁后注浆回填:为避免脱离盾壳 庇护管片环河实际开挖毛洞间所留下的盾尾孔隙附近无支护土体坍塌所引起的 较大地层损失和地表位移，通过设置在盾尾和管片上的预留注浆孔进行同步和壁 后注浆。?重复上述过程，开挖面不断前行，行成连续管片环和注浆环直至整条 隧道贯通。 (5)顶推施工至设计预定接受竖井(或接收基坑)，盾构再次破壁以结束施 I，拆卸盾构机并吊运完成[5， 9，101。 就本质而言，盾构隧道施工属于暗挖施工方法之一，故其没有明挖施工法的 诸多缺点。目前以开发的盾构施工法不仅适用于软土地层，而且适用于硬质地层 和岩层情况。归纳起来，盾构隧道施工具有以下主要优点: (l)施工对环境影响小。主要包括:出土量小，场地附近地层扰动沉降小， 对周围建筑物影响小;不影响地表交通，无需切断或搬迁地下管线等各种地下设 施，从而节省了大量的工程附加费用;对周围居民生活和出行影响小;无空气、 噪声和振动污染等问题。 (2)施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制。 (3)地表占地面积小，施工占地和征地费用小。中南大学硕士学位论文第一章绪论 (4)适用于大深度、长距离和高水头等恶劣条件下的施工，施工费用可控 性好。 (5)施工受天气状况和气候条件影响小。 (6)开挖出土量小，有利于降低工程成本。 (7)施工构筑盾构隧道柔度大，抗震性好。 (8)使用范围广，可广泛适用于软土、砂卵石、软岩乃至硬岩等各类地层 条件。 盾构隧道虽然优点众多，但仍存在一些不足之处，主要有: (l)当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。 (2)修建城市隧道时，弱隧道覆土太浅则施工困难较大;水下施工时，若 覆土太浅则将导致施工安全性较低。 (3)施工中隧道上方一定范围内的地表沉陷难以完全消除，特别是对于饱 和含水松软地层而言，施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范 围内。 (4)饱和含水地层和水下隧道施工过程中，该施工法所采用的拼装衬砌对 达到整体结构防水性的技术要求较高11’]。 1.2.2盾构机概述 盾构掘进机 (Shieldtunnelingmachine)是一种隧道掘进的专用工程机械。现 代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、 探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、 输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机是世界上最先进的 隧道掘进设备，主要由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、 液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等 几个部分组成，适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖，被广泛应 用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设112]。 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、硬岩盾构机(TBM) 和混合盾构机三类[l3一，51。 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。比如，上海地铁使用的双圆软土盾构机的刀盘， 仅安装刮刀，不需要滚刀。 2.硬岩盾构机中南大学硕士学位论文第一章绪论 广义的硬岩盾构机是指岩石掘进机(化M)。它适用于硬岩且围岩岩层较致 密完整的一类盾构机。秦岭铁路隧道和引大入秦、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[l61。 软土和硬岩盾构机是在均一地层中使用的盾构机。 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。广州地铁大塘一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。 1.开胸式 严格意义上的开胸式掘进，是典型的硬岩掘进机(TBM)采用的掘进方式。 该掘进机在掘进中，皮带运输机伸入到刀盘后面，直接将渣土运输到矿车内，无 需经过螺旋输送器运输这个环节。这种模式适用于围岩自立性好的硬岩地层，如 微风化和中风化的围岩。 2.半开胸式 半开胸式通常又称半闭胸式或欠土压平衡式。在这种模式下施工时，密封土 仓内的渣土并不“饱满”，压力传感器显示的水力压力小于工作面的主动土压力。 也就是说，密封土舱内的渣土处于一种非平衡状态，且对于工作面的水力压力而 言，是在欠土压状态下施工的。采用这种模式施工时，工作面的岩土基本上能在 短时间内保持自立，或者盾构推进速度大于围岩变形失稳速度，因此不至于发生 软岩或软土自然塌落而出现过量超挖现象，从而可以避免地表发生沉降。这种模 式适用的地层一般是强风化地层、某些全风化地层、第三系半固结地层、自立状 况较好的某些硬塑残积地层，以及上述地层的组合地层。 3.闭胸式 闭胸式掘进应该是真正意义上的土压平衡式掘进，也就是盾构机密封土舱内 的土压力要与工作面的水土压力保持平衡。在实际操作时，是将密封土舱内的土 压设置为稍稍大于工作面的主动水土压，这样更有利于防止由于某种原因过量开 挖造成的地表沉降。这种模式适用的地层是第四系土层、部分残积土层、全风化 岩层、断层破碎带以及第四系土层与下部各种风化程度的岩石地层组成的复合地 层[’7]。垦国翩中南大学硕士学位论文第一章绪论 机受损，迫于无奈施工中断了7年。在 1841年，布鲁诺还是和他的盾构机成功地 顶到了彼岸，第一条盾构隧道贯通了，于 1843年正式投入使用l，81。 1874年英国工程师格雷蒙德(Greathead)在英国伦敦南线竹mwy隧道修建 中创造了比较完整的运用压缩空气进行防水的气压盾构施工法，其利用压缩空气 保持开挖面稳定，进行掘进，并且在盾构中拼装管片，通过其反力使盾构机向前 推进，这与现在的盾构法基本思路大致相同，为盾构隧道修建奠定了基础。 到了20世纪，盾构隧道施工在美国、英国、德国、前苏联、法国、日本等发 达国家开始得到应用和广泛推广:1930年到1940年左右，这些国家和地区已成功 使用盾构并相继建成了直径为3.0一14.Om的多条公路、铁路、地下铁道、上下水 道等工程 ;1960年起，盾构法在日本得到迅速发展，用途越来越广，成就也越来 越大，仅1955年到1980年的30几年内，日本就制作T3000台盾构机。 1970年初， 法国、德国及日本等国针对城市建设区的软弱含水地层中，由于盾构施工引起的 地表沉降，预制高精度管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型衬砌和防水 技术以及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套 设备。整个20世纪90年代盾构工法的发展速度极快，其特点是: (l)泥水、土压盾构技术的普及推广，技术细节的完善; (2)特种盾构工法的问世(各种异形断面工法，以及球体盾构、母子盾构、变 径盾构工法等); (3)大深度、大口径、长距离、高速施工、高地下水压等条件下各种施工 措施的成功运用; (4)特种施工技术的应用，如地下对接、管片自动组装、掘削面前方障碍物 的预报、掘除等技术11叼5]。 近年来，伴随液压技术、自动化技术、测控技术和相关产业的发展以及土压 平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发与接收等一系列关键技术难题相继攻克， 盾构机的制造技术得到了高速发展。世界范围内工程建设规模的不断扩大又为盾 构技术的发展提供了广阔的市场空间。 1.3.2盾构机的国内发展历史和现状 我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年，上海隧道工程公司结合上海软土 地层实际情况对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝 防水进行了系统试验研究。研制了1台中4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道 掘进试验，隧道掘进长度68m。 1%5年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的两台。 5.8m的网格 挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧道，掘进总长度1200m。 1%6年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用上海隧道工程设计院设中南大学硕士学位论文第一章绪论 计、江南造船厂制造的我国第一台中10.2m超大型网格挤压盾构掘进机施工，辅 以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1322m。 20世纪70年代，采用一台。3.6m和两台。4.3m的网格挤压型盾构，在上海金 山石化总厂建设1条污水排放隧道和两条引水隧道，掘进了3926m海底隧道，并 首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。 1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了一台中6.41m的刀盘式 盾构掘进机，后改为网格挤压型盾构掘进机，在淤泥质粘土地层中掘进隧道 1230m。 1987年上海隧道工程股份公司研制成功了我国第一台。4.35m加泥式土压平 衡掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m， 技术成果达到20世纪80年代国际先进水平，并获1990年国家科技进步一等奖。 1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18kill区间隧道采用7台由法国FCB 公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的中6.34m土 压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进Zoom以上，地表沉降控制+l一3。m。19% 年，上海地铁2号线再次使用原7台土压盾构，并又从法国FMT公司引进2台土压 平衡盾构，掘进24km区间隧道。上海地铁2号线的10号盾构为上海隧道公司自行 设计制造。 20世纪90年代，上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了6台。3.8m一中 6.34m土压平衡盾构、用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等，掘进总长度约 IOkm。在90年代中，直径1.5二3.Om的顶管工程也采用了小刀盘的土压平衡顶管 机，在上海地区使用了10余台，掘进管道约20km。 1998年，上海黄浦江观光隧 道工程购买国外二手。7.65m铰接式土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好， 顺利掘进隧道644m。 1998年，上海隧道股份成功研制国内第一台中2.2m泥水加压平衡顶管机，用 于上海污水治理二期过江倒虹管工程，顶进1220m。 1999年，上海隧道股份研制成功国内第一台3.8X3.8m矩形组合刀盘式土压 平衡顶管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m，建成两条过街人行地道。 2000年2月，广州地铁两号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股 份改制的两台中6.14m复合型土压平衡盾构，在珠江底风化地层中掘进。 2004年，上海隧道股份公司开发成功了我国首个拥有自主知识产权的中6.34 m地铁土压盾构“先行号”，凭借“先行号”在施工中的优异表现和出色性能， 2006年上遂一举承接了22台国产盾构订单，打破了“洋盾构”的垄断。 2008年，由北方重工沈重集团研制的“QJRN一112泥水平衡盾构”，是能够 同时在高水压、软硬不均、渗透性强、高石英含量等复杂地质构造中进行隧道掘中南大学硕士学位论文第一章绪论 进的大直径(小n.182m)膨润土气垫式泥水平衡盾构 [26-28)。 我国在盾构的研制过程投入了大量的人力物力，取得了一定的成果，在一定 程度上打破了国外盾构厂商牢不可破的垄断局面。但是由于我国盾构发展起步较 晚，国内盾构技术仍然存在如下问题: (l)对土层地质条件的适应能力差。我国现有盾构机与地质条件的适应性、 盾构机刀具与土体的适应性、刀具磨损问题及刀盘刀具组合配置与地质条件的适 应性研究还较落后，己经严重影响到盾构技术的发展。 (2)总体设计和系统集成技术落后，制约我国盾构机技术的发展。我国目 前尚没有完全适合国情的系统的设计经验数据，没有完全掌握系统的安装、调试 技术，所以国产盾构存在性能不稳定的现象。 (3)国内配套设备和关键件的设计、生产技术水平低。盾构关键部件如大 轴承、驱动马达、液压阀件许多还需要进口，影响盾构机的国产化进程。刀盘刀 具设计技术、刀具的可靠性和寿命方面还存在一定的差距。 (4)缺乏必要的模型试验与系统仿真研究。在盾构机虚拟样机建立与动态 仿真，盾构机施工作业过程的数值仿真，刀盘系统与纠偏系统的数值仿真与模型 试验等方面与国外存在一定的差距，直接影响了自主研发水平的提升。 (5)可靠性低，自动化程度低，盾构自动方向控制和盾构姿态控制等相关 技术方面还不成熟。国内盾构施工所采用的管片拼装系统虽然实现了管片移动的 机械化，但是管片的对中、就位、拼装等大多数还是靠人工作业。 (6)盾构工法不多。地下盾构对接技术、竖井隧道施工一体化技术、盾构 直接切削竖井井壁的进出洞技术等课题目前均属空白。 1.4盾构刀盘驱动方式概述 1.4.1现有驱动方式分析 刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾 构的刀盘工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘的 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 用要求的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。目前常见的刀盘的驱动方式有电机驱动方式和液压 驱动方式。 其中电机驱动方式又分为单速电机驱动方式、双速电机驱动方式和变频电机 驱动方式。双速电机驱动方式采用变换极对数达到变速，但只有两档。其结构简 单、可靠性强、价格便宜，但体积大，不适合中、小型盾构机的选用，启动电流中南大学硕士学位论文第一章绪论 大也是它的劣势，但对于变化不十分突出地质而言，采用双速电机也是合适的。 单速电机驱动方式不能调节速度，并且不能带负载启动，需要增加磁粉离合器。 在投入和功能的比较上，越来越缺乏竞争力，因此较少使用。因此，电机驱动方 式中现在较为常用的为变频电机驱动方式Iz9】。 变频电机驱动方式调速在 0-50Hz范围内可达到全额扭矩，电动机功率恒定。 变频驱动的优点是:启动电流小，效率高，调节环路的反映好，配备的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 感应 变频电机维修简单;噪音低、冷却性能好，可改善环境温度。但其控制部分要求 具备一定的工作环境，需要解决潮湿环境下的潮湿问题，对环境中的湿度也很敏 感。近年来随着对变频技术和设备的开发，使得应用范围越来越广泛，价格上比 液压驱动具有优势。它的另一个优点是便于盾构机的使用和保养，更换刀具时， 刀盘转动可随时停止在指定的角度，也非常方便地通过改变相序，来改变刀盘转 动方向。 采用变频调速驱动时，应按每台电机有其自己的变频器配置，目的是在主变 频器不工作时，盾构机仍能正常运行，从而实现刀盘驱动的平稳性;从性能及控 制上，要求各变频器之间信号交换时间要降到最低，以保证他们之间的同步性; 电机上应装有扭矩限制器以保护主驱动器不受尖峰扭矩的损坏，并在扭矩限制器 动作后及时复位[30]。 液压驱动方式通常采用变量泵一变量马达闭式容积调速回路。主泵采用比例 变量控制，可以控制泵的变量斜盘方向，控制马达的正反转。还可以实现输出流 量根据输入电信号大小而改变，从而满足液压马达输出转速连续调节的要求。主 泵还集成了补油泵、闭式控制回路和主泵变量控制回路，通过集成使系统结构简 单，减少了管路和降低了泄漏，便于维护和使用。主泵与马达直接相连，马达采 用轴向柱塞变量马达，通过变速箱的小齿轮驱动主轴承大齿轮，带动刀盘产生旋 转切削运动。调节马达的排量可以实现软土挖掘工况的低速大扭矩和硬岩工况的 高速小转矩运行。主泵还具有压力切断功能，防止系统超压工作，相应速度快， 调节方便，可以有效降低压力冲击，提高系统的可靠性，为系统双向作业提供良 好的安全保护。当预测有卵石的易于产生冲击荷载的地质条件及小半径曲线施工 想缩短盾构机长时，多半都选择液压驱动13’ ~341。盾构中两种刀盘驱动方式性能 对比如表1一1所示[35]: 通过表l一1可以看出虽然液压驱动方式效率较低、噪声较高、发热量大，后 续台车需要的体积大，但是其同时也具有跟盾构刀盘驱动环境相关的一些优点: 1.更好的功率质量比，同等功率下马达体积甚至可以达到电机的10%、12%左右， 这使得马达的轴向尺寸小，便于布置;2.工作平稳，更易于实现快速启动、制动 和频繁地换向;3.能在大范围内实现无级调速，包括在运行过程中随时调整转速;中南大学硕士学位论文第一章绪论 4.通过与电液比例控制技术相结合，更易于实现远程自动化，更易于根据环境情 况实时修改调节系统参数。5.相对于电气装置，液压系统更易于实现过载保护， 并且液压元件能够自润滑，使用寿命较长。6.相对于变频控制柜对于环境的温度 湿度等维护要求，液压系统的维护更为简单和方便。7.变频调速运行时对井下其 它设备的运行干扰大，特别是对信号和控制系统干扰更大，液压系统对周围系统 的影响较小。 表1一1质构刀盘驱动方式比较 性能变频电机驱动 大小中体积(驱动部分) 体积(附属部分) 液压驱动(B)备注 一般情况下二者体积比为2:1。 B的泵站通常设置在后配套台车， 体积较大。小中 噪音 传动效率 环境温度 调速特性好 地层适应性一般 维修保养一般一般 过载能力 设备费用 同步精度 带载启动可以 A效率约为0.95，B的效率约为 0.50.变频电机通过减速机直接驱 动刀盘的驱动方式具有最简单的 能量传递结构，其效率最高也最节 能。而液压经过了电能与机械能、 机械能与液压能和液压能转化为 机械能三个转化过程，其间不可避 免地造成了较多能量损失. B功耗大，环境温度较高。 A可以采用变频控制转速并微调; B可以通过控制泵或者马达的排 量无级调速。 A适用于地层单一，扭矩变化不大 的工况;B具有更好的控制性来调 整转速和扭矩以适应地层变化对 于刀盘驱动系统的要求[36]. A的变频器需要控制合适的温度 湿度以防止外间干扰导致跳闸，B 需要对系统的泄漏和异常振动进 行相应的例行检查。 A通常使用离合器，B可以通过压 力切断和溢流来防止过载。 A的变频器价格较高。 B较之A的同步调节较为容易，同 步精度高[3刀。 总之，液压传动和电液控制技术固有的特性非常适合盾构掘进机动力传递和 控制的特殊要求。在液压元件的制造工艺不断改进，液压系统控制策略不但优化中南大学硕士学位论文第一章绪论 的发展趋势下，液压系统的传动效率将会逐步提高，采用先进的液压传动及控制 技术将是盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向[38]。 .42盾构刀盘驱动液压系统发展方向 在盾构技术的进步与发展中，其一大跨越是在盾构隧道施工中引入了机械开 挖来代替人工开挖，这大大提高了盾构的掘进效率及施工工人的安全性。第一个 机械化盾构的专利于1876年出自英国人约翰?荻克英森?布伦顿 (JohnDickinson Brunton)和姬奥基?布伦顿 (GcorgeBnmton)的申请。其设计的盾构由几块板构 成半球型的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转 运至胶带输送机上，再将它转到后面从盾构中运出。18%年普莱斯(Priee)以 自己的名字申请了新的盾构专利，并于1897成功应用于伦敦的粘土地层。它第 一次将格瑞海德盾构与旋转刀盘组合在一起，通过驱动轴由电机驱动，具有了现 代盾构驱动方式的特点。1963年，日本 SatoKogy。公司首先开发出了土压平衡 盾构，此时其盾构上己经成功应用了液压驱动技术。在它的盾构上采用了液压油 缸式刀盘推进系统以及液压马达驱动的刀盘和螺旋输送器了。局限于当时的液压 技术水平，此时的盾构液压系统只能采用效率较低的阀控调速系统[39]。 由于液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低，因此，节能一 直是液压动力传动的主要研究方向之一。针对液压控制方式的节能发展，江木正 夫(日本流体动力工业会会长)将其分为五个阶段，“阀控制”为第一阶段，“负载敏 感阀控制”为第二阶段，“负载敏感泵控制”为第三阶段，“泵容积控制”为第四阶 段，“泵回转速控制”为第五阶段[40]。 与此对应的，随着液压技术发展，20世纪70年代的盾构刀盘驱动开始采用变 量泵驱动液压马达技术，但控制方式还比较简单。20世纪80年代以后，大排量比 例变量泵的出现后，盾构刀盘驱动普遍采用电液比例控制的变量泵驱动变量马达 (泵马达)，以及比例恒功率控制技术[4l]。二次调节技术也有应用的实例，即驱动 元件采用泵马达，主要用于改善马达故障时刀盘工作性能[’2]。由于变频技术的 发展，变转速容积调速技术逐渐受到重视，是未来盾构刀盘驱动节能的重要发展 方向[43书]。 在国内，浙江大学首先开始了盾构刀盘驱动液压系统的研究工作，设计并建 立了盾构掘进机模拟实验台，把节能性作为了盾构液压驱动系统的研究方向。 [4649]对盾构推进系统进行了基于压力流量复合的负载敏感泵控系统的研究，并提 出了相应的先进控制方法[’9一52]。同时，对于刀盘回转驱动液压系统，提出了大闭 环控制的变排量容积调速驱动方式，进行了刀盘转速智能控制的研究[53一55]。同时， 研究了盾构刀盘变频驱动液压系统，其综合了变频电机与变排量泵控马达的优 点，在小扭矩工况下具有更好的节能效果[56]。此外，广东工业大学将二次调节中南大学硕士学位论文第一章绪论 技术应用于盾构EPB模拟系统，使驱动系统工作在恒压状态，并能够对螺旋输送 器的惯性动能进行回收15刀。 此外，在盾构施工过程中，刀盘驱动系统一直面临着地质条件复杂、负载变 化剧烈、冲击频繁的不利工况，这对刀盘驱动系统的机械特性以及可靠性同样提 出了要求。如何在掘进过程中利用液压系统的本身特性来降低负载冲击对刀盘驱 动系统的影响，减小刀盘驱动系统的故障率，提高系统的可靠性，保障系统长时 间持续稳定的工作状态同样是未来盾构驱动系统需要考虑的。尤其现在在一些特 殊隧道所要求的巨型化盾构上，如西班牙马德里M30公路隧道使用了必15.2m盾 构采用了50台液压马达、24台泵和12台电机组成刀盘驱动液压系统，驱动功率达 14000kwl581;A3o公路南隧道使用的娜5.1盾构，其推进系统有57只液压缸，能 发出最大317000咖?m的推力，刀盘驱动使用28台变频电机，每个358kw，总共 loo24kw，系统总安装功率达15000kw[59】。在盾构的巨型化发展趋势下，刀盘驱 动液压系统也面临着高压大流量的发展趋势，这在一方面对刀盘驱动系统的节能 性提出了要求，同时也对系统的可靠性提出了要求。这不仅仅要求液压元件提高 自身的可靠性，同时也要求驱动系统能够具有更好的抗冲击性和高可靠性。 日本TAMA]灯SHOJI和KAI， 0MINORU于 1994年申请的“盾构掘进机的液压 驱动技术”专利中，采用了泵控容积调速回路，不仅解决了多个马达驱动的冗余 干涉问题，大大降低了能耗，同时利用一个齿轮驱动装置实现了将某一失效的液 压马达处的压力能转移到其它正常液压马达侧，使得刀盘可以继续运转，而不会 因为某个马达出现故障就停机维修[4s，60]。这就从系统的角度提高了盾构刀盘驱动 系统本身的可靠性，可以使得盾构整体使用寿命增加，因液压系统故障停机的概 率减小。同样，浙江大学也提出了基于系统重组的盾构刀盘驱动液压系统，以小 排量泵组合代替目前国际上常用的大排量泵组合，各泵及其控制系统相对独立， 在单个泵故障时能够实现系统重组132]。而广东工业大学提出的将二次系统应用 于土压平衡盾构，可以在螺旋输送机系统建立一个恒压环境，使得液压系统能够 较小地受到排土时物料的冲击影响。 综上所述，国外不少学者和研究人员都较早地开始了盾构刀盘驱动液压系统 的相关理论和实验研究，从液压元件制造加工、液压系统设计到液压系统控制等 方面的理论和技术都已经较为成熟。而近年来国内在盾构刀盘驱动液压系统的节 能性和可靠性方面进行了不懈的探索和研究，在液压系统的设计、优化和控制方 面都取得了较多成果。而盾构本身的不断巨型化、地质适应性要求不断提高的发 展趋势也表明，如何应对盾构刀盘驱动液压系统在多场祸合作用下负载剧烈变化 所带来的冲击与功耗损失将成为新的研究内容，这也与系统本身的节能性与可靠 性的发展方向是契合的。中南大学硕士学位论文第一章绪论 1.5本文主要研究内容 由前文所述，基于盾构施工现存的问题和国内外盾构机的研究现状以及当今 隧道工程的需求，本文以盾构刀盘回转驱动液压系统作为研究对象，进行了深入 研究。主要工作内容如下: 1.综述了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究现状。分析 论述了盾构刀盘的现有驱动方式，通过对变频电机驱动和液压驱动两种方式进行 比较发现，电液比例控制液压系统在盾构刀盘驱动领域具有更为优势和发展前 景。在盾构刀盘驱动液压系统节能性与可靠性的发展方向下研究对负载冲击的适 应性。 2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本性质，盾构刀盘 上主要刀具的切削物理现象以及切削力学模型，详细论述了盾构扭矩的构成情况 及研究方法。研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及 冲击带来的影响。以盾构刀具切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证 和分析了盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因。 3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘驱动液压系 统的优缺点，在盾构的负载环境下提出了驱动液压系统的设计思路，提出了一种 基于负载变化的变量泵一变量马达的容积控制回路，并且采用了比例阀控蓄能器 的组合来控制负载的动态冲击。 4.以流体力学为基础构建了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动 态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影 响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器模型的基础上分 析了其对于压力冲击的吸收作用。 5.在已建立的数学模型的理论基础上，利用AMESim图形化仿真软件建立 了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建的系统的动态特性以及对冲击的适 应性进行了深入地仿真研究与分析，对于前文建立的系统数学模型的分析结果进 行了对比验证。中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 第二章盾构刀盘负载特性分析及实验研究 盾构的作业对象就是各种岩石、土及砂。他们对盾构的选型设计、性能参数 的设定、施工进度预测、后配套附属设备的设计、施工风险等都有重大的影响。 而刀具作为盾构刀盘上的切削工具，其切削机理和受力情况对刀盘的负载研究至 关重要。本章在查阅现有文献、实验验证与工程现场调研测试的基础上，从负载 的角度对盾构刀盘切削特性进行了研究，分析了负载冲击及刀盘卡死的原因和影 响。 2.1岩土特性概述 2.1.1岩石特性概述 岩石是由彼此结合在一起的或多或少的结晶矿物成分构成的物质。岩石是组 成岩石圈的主要物质。一般是固态，是地壳发展过程中的自然产物。有一种或几 种造岩矿物或天然玻璃质所组成，并具有一定的结构和构造。根据形成岩石的地 质作用可将岩石分为火成岩、沉积岩和变质岩三大类。广义的岩石还包括松散的 砂、砾和火山碎屑等。 岩石对于对盾构切削影响较为重要的因素有: (l)岩石的强度。岩石的强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩或剪切等) 作用下抵抗破碎的能力。坚固岩石和塑性岩石(如泥岩或豁土岩)的强度，主要 取决于岩石的内连接力和内摩擦力，而土层的强度主要取决于内摩擦力。岩石的 内连接力主要是矿物颗粒之间的相互作用力(岩浆岩、变质岩类)，或者是矿物 颗粒之间及其与胶结物之间的胶结力(沉积岩类)，或是胶结物与胶结物之间的 连接力。一般颗粒之间的相互作用力(如岩浆岩类)大于胶结物之间的连接力(如 沉积岩);而胶结物之间的连接力又大于颗粒与胶结物之间的胶结力，当然有的 为硅铁质胶结物时，这一规律并不明显，甚至出现逆序。构成岩石的矿物成分、 胶结物质、结构、孔隙度、层理等自然因素和岩石在外力作用下产生变形的形式 因素，是影响岩石强度最基本的“元素”。 (2)岩石的硬度。岩石的硬度是指岩石抵抗其他物体(诸如切削刀具)压 入的阻力。岩石的硬度在本质上取决于组成岩石的矿物硬度及结构强度。影响岩 石硬度的因素与强度因素相似，但层理对硬度的影响与强度相反。垂直层理方向 的硬度最小，而平行层理方向的硬度值最大;一般岩石，其平行层理的硬度为垂 直层理硬度的 1.1一 1.8倍，所以在垂直层理方向上，岩石比较容易破碎。表2一1中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 为岩石坚硬程度的划分。 (3)刀具的研磨性。当刀具切削岩土时，在摩擦过程中岩土磨损刀具的能 力称为刀具研磨性。岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面处产生破碎，多数情 况下颗粒本身不破损。因此，岩石上的矿物与破碎下来的矿物颗粒都在磨损刀具， 并且矿物颗粒的硬度越大，则磨损作用越大。一般而言，滚刀的研磨性随岩石中 石英的含量增大而增大。 表2一1岩体坚硬程度的划分 单轴饱和 名称定性鉴定代表性岩石抗压强度 (MPa) 锤击声清脆、有回弹、 坚硬岩震手、难击碎;浸水后， 大多无吸水反应。 >60 硬质岩 较坚硬岩 锤击声较清脆、有轻微 回弹、稍震手、较难击 碎;浸水后，有轻微吸 水反应。 60~30 锤击声不清脆、无回弹、 较软岩有凹痕、易击碎;浸水 后，指甲可刻出印痕。 30~15 软质岩 软岩 锤击声哑、无回弹、有 凹痕、易击碎;浸水后， 手可册开。 锤击声哑、无回弹、有 较深凹痕、手可捏碎; 浸水后，可捏成团。 未风化阳微风化 花岗岩、正长岩、闪长岩、辉 绿岩、玄武岩、安山岩、片麻 岩、石英片岩、硅质板岩、石 英岩、硅质胶结的砾岩、石英 砂岩、硅质石灰岩等。 弱风化的坚硬岩;未风化一微 风化;溶结凝灰岩、大理岩、 板岩、白云岩、石灰岩、钙质 胶结的砂岩等。 强风化的坚硬岩;弱风化的较 坚硬岩;未风化一微风化;凝 灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥 灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页 岩等。 强风化的坚硬岩:弱风化一强 风化的较坚硬岩;弱风化的较 软岩;微风化的泥岩等。 15~5 极软岩全风化的各种岩石;各种半成山<勺石.。 (4)断裂带及地层的层理、节理、裂隙发育程度。地层层理的密集度、节 流、裂隙的发育程度及其方向，也是影响滚刀破岩的重要因素之一。目前，大多 以岩石质量指标(RQD)来反映其断裂带、节理、裂隙等发育程度。 节理:岩层的连续性遭到破坏而形成裂隙的一种构造。裂隙面两边的岩层， 没有发生显著的相对移动，这是与断层相区别的主要标志。多半成群出现，大小 不一，有的相互平行，有的纵横交错，将岩石切割成多边形的条块，是矿液和地 下水的良好通道和沉积场所，对矿床的行程及地下水的储集有重大影响。 裂隙:岩石受地质作用影响而出现的裂缝。地壳运动引起的裂隙称“构造裂 隙”，风化作用引起的裂隙称“风化裂隙”;在火成岩冷凝及沉积物固化的过程中中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 产生的裂隙称为“原生裂隙”。 断层:岩层的连续性遭到破坏并沿断裂面发生明显的相对移动的一种断裂构 造。该断裂面称为“断裂层”;两旁的岩块称为“盘”，如果断层面是倾斜的，在断 层面以上的一盘称“上盘”，断层面以下的一盘称“下盘”;如果是直立的，就没有 上下盘之分。根据断层的两盘相对移动的性质，可分为正断层、逆断层和平移断 层161，621。 2.1.2土壤特性概述 全断面盾构施工的地质一般是土体，土体是由于地球表层的整体岩石，在大 气中经受长期风化作用后形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒在不同的自 然环境条件下堆积(或经搬运沉积)而形成的。根据土的堆积或沉积条件的不同， 土可以分为残积土和运积土两类。 残积土是指岩石经风化后仍留在原地未经搬运的堆积物。其明显特征是颗粒 多为角粒且母岩的种类对残积土的性质有显著影响。 运积土是指岩石风化后经流水、风和冰川已经人类活动等动力搬运离开生成 地点后再沉积下来的堆积物。根据搬运土的动力不同，运积土又可分为冲击土、 风积土、冰债土和沼泽土等。 对土进行分类，一般首先判别该种土是属于有机土还是属于无机土。若土的 全部或大部分是有机质，则该种土就属于有机土;含少量有机质的土为有机质土， 否则，就属于无机土。土的一般分类如图2一1所示。 漂石(块石)粒 卵石(碎石)粒 无机土粗粒土{砾类土砂类土 细“土{ 粉土 粘土 有机土 ll||||、l||||||、 土 图2一1土的一般分类 自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。随着颗粒大小不同，土 的性质相应地发生着变化。例如粗颗粒的砾石，具有很大的透水性，完全没有粘 性和可塑性;而细颗粒的粘土则透水性很小，粘性和可塑性较大。颗粒的大小通 常以粒径表示。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围分为若干粒组，中南大学硕 士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。表2一2表示国内常用的粒 组划分及各粒组的主要特征。 表2一土粒粒组的划分 粒组名称粒径范围(mm)一般特征 漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒透水性很大，无粘性，无毛细水。 细细粗粗中中 圆砾或角砾 颗粒 沙粒 >200 200~20 20~10 10~5 5~2 2~0.5 0.5司.25 极细 0.25~0.074 0.074~0.05 0.05~0.01 0.01~0.005 <0.005 透水性大，无粘性，毛细水上升高度 不超过粒径大小。 易透水，当混入云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增加;无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散;毛细水上升高度不大， 随粒径变小而增大。 透水性小;湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩;毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象。 透水性很小;湿时有粘性、可塑性， 遇水膨胀大，干时稍有收缩;毛细水上升 高度大，但速度较慢。 粗细 粒粒粘粉 注:1.漂石、卵石和圆砾颗粒均呈一定的磨圆形状(圆形或亚圆形);块石、碎石和角 砾颗粒都是带有棱角的。 2.粘粒或称粘土粒;粘粉或称粘土粉。 3.粘粒的粒径上限也有采用0.002mm的。 对于盾构施工的地质环境，土体的特性和影响因素有:11’] (l)土体抗剪强度及灵敏度 各类土体抗剪强度的大小和在各种情况下的变化规律有很大差别。大多数粘 性土受扰动后，因重塑作用而失去部分抗剪强度和刚度，而砂性土又易在一定动 水压力作用下发生液化而完全失去抗剪强度。硬粘土及粘土胶结的粒状(砂土或 砂砾)土具有相当高的抗剪强度，一般可达到10kPa以上，而且在地下水变化， 或开挖扰动的情况下，抗剪强度的降低值较小，因此它们是抗剪强度高的稳定地 层。在有少量粘性的砂土、粉土或细砂土中，当土体不受水压作用但含有适度水 分，处于潮湿状态时，可具有一定强度。其一旦受到渗流水压作用后，抗剪强度 即消失，土体流动乃至涌土崩塌。在毫无粘结性的砂性土或砂砾土中，不论是在 地下水位以下或地下水位以上，土体因无内聚力易于流动。在挤入性的软塑至中 塑粘土层中，其抗剪强度较高，灵敏度较低，隧道净空不大。 (2)开挖面的土体稳定性 隧道开挖面的土体稳定性决定了盾构机的选型以及施工方法，可以通过式 2一1得到开挖面土体的稳定系数中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 N=旦止丑.n 凡 (2一l) 式中:Pi—隧道施工中采用气压或其它加压方法施加于开挖面的侧向压 力; n—折减系数(当采用全点满开挖盾构时，n=l;当盾构正面部分 封闭，可按经验判断，采用小于1的折减系数); 凡—土体不排水抗剪强度; Pz—开挖面中心处土体垂直压力，计算方法由式2一2可得 几=Z入(2一2) 式中:Z—开挖面中心距地面深度; yv—土体容重。 设隧道直径为B，则有 当z/B之2，N之 l十工丑/z6 时，则开挖面塌坏; *，，。，。、了、Zz/B+1，。11二，二古二.。二月乙/刀乏‘，Iv‘一一下尸一一一“，J，男幼/11乙己亡J孔四J创圈万I、o 1+立B/Z 6 当隧道埋于塑性粘土中，开挖面中心埋深Z与隧道直径B的比值大于2时， 在不同的N值下隧道施工稳定情况如表2一3所示。 表2一3不同N值开挖面的稳定情况 N值隧道施工中受到的影响 盾构开挖面附近土体发生剪切破 坏，土体位移，使盾构控制困难，出 现盾构下沉趋势 盾构开挖面前土体剪切破坏，使 土体向开挖面移动。 粘性土可以很快挤入盾尾空隙。 粘性土有一定挤入速度。 粘性土的挤入速度比较慢，不致 产生问题。 由于正面 不稳定，需要全 断面支撑或用都要 加气压或泥水考虑用挤 平衡装置的盾入土体作 构以稳定开挖用于隧道 面。支护结构 隧道施工上的载荷。 开挖面没有特 殊困难。 7沪6勺峥月口尹O,勺峥月，1 2.2盾构刀盘的切削机理及负载构成 2.2.1滚刀与切刀切削原理 1.滚刀的切削机理 掘进机所使用的破岩滚刀，主要有镶嵌硬质滚刀、齿面滚刀、单刃盘形滚刀、中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 双(或三)刃盘形滚刀等。目前，使用较多的是盘形滚刀。最先在掘进机上使用 盘形滚刀的是美国罗宾斯公司，它与早期的切割刀相比具有破岩效率高、比能耗 低和刀具磨损量小的特点。 安装在刀盘上的盘形滚刀在液压油缸的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋 转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴线公转，同时绕自身轴线自转。盘形滚刀在刀 盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过相应 的硬度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射 裂纹;进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸 并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程，如图2一2所示 [63}。图2一3为UDEC软件中进行滚刀切削仿真得到的岩石裂纹扩展过程。图2一4 为实际盾构施工现场得到的滚刀破岩碎片。 图2一2滚刀破岩原理示意图 一“‘一l班4~-.一， 乍乍脚势势 个个个 个 甲甲竿 竿 图2一3盘形滚刀切削破岩机理仿真中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析里塑丝堕 图2一3滚刀切削岩石碎片 滚刀在切削岩石的过程中，会对岩石施加3个方向的作用力，见图2一4。垂 直力凡，由刀盘的推力提供;水平滚动力凡，由刀盘扭矩提供;滚刀边缘的侧向力 Fs，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力所产生。 有关盘形滚刀破岩机理， 图2一盘形滚刀受力示意图 国内外许多学者进行了大量实验研究，得出很多宝 贵的有价值的结论，但对于盘形滚刀破岩的物理现象和力学特征，至今尚未研究 清楚，科罗拉多矿业学院预测公式被较为广泛的运用。。在现有的理论中，科罗拉多矿业孕阮钡侧公八做权刀，、。。七用。 美国科罗拉多矿冶学院通过岩石切割试验台测得大量盘形滚刀受力数据 盘形滚刀首先将下方的岩石压碎，并假定楔形刃侧对岩石作用力的横向分 量对岩脊(两相邻道间距间的岩石)产生剪切破碎加图2一5所示中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 一一 SSSSS lllllllllllllllllllllllllllll lllll世y.汇，日日.二‘二砂 砂 sss一 Zhtan旦 旦旦旦旦旦旦旦Zhtan竺’ ’ 2222222一 ))) 图2一5滚刀剪切破碎岩石模型 (l)垂直推力凡 盘形滚刀的垂直推力凡由两部分组成。一部分是将其下方岩石压碎的作用 力凡，，另一部分是将两相邻刀间距间的岩石剪掉的作用力凡2。其中，凡，的计 算同伊万斯理论，即盘形滚刀破岩所需要的垂直推力凡与盘形滚刀压入岩石区 域在岩石表面的投影面积A成正比，其比值为岩石单轴抗压强度o-c。科罗拉多 矿业学院预测公式与伊万斯理论不同的是其认为盘形滚刀与岩石的接触面积为 三角形(图2一6)，则 2tan三 2 子子子 \\\ 一一一 一 阴影域为杏 阴影域为A 图2一6伊万斯公式用图 A二R功 htan竺=护武1一cos山tan竺 2’一’‘2 (2一3) 则有 凡，一A吼一二RZ必(l一cos必)tan答乙(2一4) 凡，=2认武s一Zhtan与tan竺2’2(2一5)中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 因此盘形滚刀的垂直作用力凡为: 凡=凡，+凡2=A久=吼护必0一cos勿tan:天砂(s一2方tan竺)tan竺(2一6)2’22+a一2 将cos卜丝二五，即二万丽代入并整理:R 凡一茄沂「兰。+2:浮一2，an与tan竺一3“’hZ‘一2(2一7) (2)水平滚动力凡 水平滚动力凡由垂直推力凡乘以常数C来决定，C称为切割系数。 凡=凡tan刀=凡C(2一8) 式中:C=tan刀=(l一eos必)， 沪一sin沪eos沪 2.切刀的切削机理 刀具作用在土块上，会使土块发生弹塑性变形，当刀具上的作用力达到某个 临界值时，或者说当土内的应力大于土的抗剪切能力时土体将会发生破坏，土块 沿剪切面从土体中分离出来。刀具作用在土块上使土块从土体中分离开，土块和 土体之间产生了剪切面，剪切面的形成就是土的破坏过程。剪切面的大小和形状 决定了刀具的阻力。 图2一7土切削破坏模型 在刀具的作用下发生破坏，过刀尖点沿切削方向的一条直线将被切削土分成 两部分，如图2一7所示，这两部分在刀具作用下都会发生不同形式和不同程度的 破坏，但是影响切削阻力的主要因素是线上部分土的破坏，土的破坏有剪切破坏、 脆性断裂和流动破坏几种不同的形式，如图2一8中b、。和d所示。图片是根据 澳大利亚学者J.M.fielke和英国学者U.B.Aluko分别于19%年和2000年拍摄的 照片绘制的165]。其中脆性断裂主要发生在脆性 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的切削破碎中，如干土和岩 石等。流动破坏是一种复杂的破坏形式，因为在破坏过程中涉及到大变形、不连 续和接触问题。剪切破坏是最常见的土的破坏形式，由于土的刚度和强度都很小，中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 剪切破坏难免要涉及到大位移和大变形。 习未破坏前冲剪切破坏 公脆性断裂d)流动破坏 图2一8土的切削破坏形式 切刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面 土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力， 不断将开挖面前方土体切削下来。切削时，刀具通常做2个方向的运动:一个是 沿开挖面的运动，它起分离岩土的作用;另一个是切入开挖面的运动，它改变切 屑的厚度，如图2一9所示[661。 图2一9盾构切削刀切削原理图 由图2一8，各切刀的周向方向运动线速度为 K=2”rxn 式中rx—各刀具的安装半径; n—刀盘转速。 轴向运动速度即推进速度为 (2一9)中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研塞 K=几n 式中爪—刀盘每转的刀具深度。 各切刀的切削厚度即切深为 尸_兰 (2一10) (2一11) 式中m，eeee.同一安装半径上的切刀数量。切深P将不会超过刀盘面板(或 辐条)与切削面之间的距离H。 由图2一9所示切削刀运动关系可知 ‘__。_Kt以i吼=下厂厂x(2一12) K二2” rxntanox(2一13) 各切刀的切深 n_Vz_几=—‘ 刀刁n 竺性竺竺鱼=胜tan凤(2一14) 尹刀n脚 刀盘旋转切削时，理想工况是各切刀的切深恒定不变，即Px=C，但实际上 做到这一点是很困难的。这是因为刀盘的刚度(取决于刀盘的厚度)和支承刚度 (取决于刀盘的支承方式)并非无限大，导致刀盘上各切刀的切深存在差别。而 且由于开挖面土体的不均匀性、松散性和崩塌性，也使各切削刀的切深差异很大。 盾构切刀一般采用楔形刀具，它常用以下几何参数来表征，见图2一10。 切削面—刀具切削后产生的平面; 前刃面—切削渣土流过的表面; 后刃面—新的切削面所对应的刀具表面。 图2一10切刀的工况及受力分析 切削刀工作角度(如图2一10所示)为:切削角a、尖劈角(刃角)p，后角5， 前角Y，其中切削角a=刀+占， 切削角大于9俨时，前角为负值。 a+r=90‘。切削角小于900时，前角为正值; 刀具切削时，切屑顺着刀具前刃面流动，设切屑前端由于剪切作用而出现破中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 ，一一，_一~.一~._~.一:、__一、，一，.，，、、，，_，，、、，~一，___1__坏，剪切破裂面与切割面成e夹角，由塑性力学和土力学原理知，夕=会(90一肉，2、 沪为土的内摩擦角。 取切断土体作为隔离体，进行力的分析。作用在其上的力有刀具与土体接触 面上的法向力、摩擦力，剪切破裂面上的法向力、摩擦力及粘结力。因切断土体 较小，且流动速度较慢，此处暂不考虑土体的重力和惯性力。 由力的平衡关系，可得 {狱一、、sin“+。cos。一(二 {稼+、、。05。一凡s、。一(二 +从凡)sino=0(2一15) +从拭)eoss=O(2一16) 联立求解，可得N0和从。 根据作用力与反作用力的关系，可得 =戈cosa一巧戈sina二 C夕 A(sins+从eoss) =戈sina+巧戈cosa一警(。。Sa一巧3‘一，(2一17) 凡月 尹;、 其中 {A_竺兰竺二巡进竺竺撰旦丝上全兰鱼旦Sina+巧 cosasins+料cosaB=(eosa一巧sina)(sin夕+从eos夕)+(eoso一从sin夕)(sina+巧eos。)(2一18) 式中月—切刀沿开挖面方向的分力; 凡—切刀垂直开挖面方向的分力; N0—刀刃与土体接触面上的法向力; 丛—刀刃与土体剪切破裂面上的法向力; 巧—刀刃与土体接触面间的摩擦系数; 巧—刀刃与土体剪切破裂面上的摩擦系数; C—剪切破裂面上土体的粘聚力; S—剪切破裂面的面积。 一般来说，切削刃口磨钝后，由于磨损面对岩土的挤压作用和磨损面与岩土 间的摩擦力，会使切削阻力增加40%~100%。中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 由各切削刀在刀盘上的安装半径兀，可求得切削力对刀盘所产生的扭矩和推 力分别为 T=艺凡乙 F=艺Fn， (2一19) (2一20) 2.2.2刀盘负载扭矩构成 要使盾构掘训顶利，需要配备足够的扭矩保证盾构推进时刀盘正常转动，同 时考虑到功率配备的盈余量，需要对盾构的装备扭矩大小进行确定。目前国际上 对盾构掘进机刀盘装备扭矩的设计主要有两种方法，日本《隧道标准规范(盾构 篇)及解释》给出了这两种方法[，0l: (1)a系数法 为方便计算，大多采用下式作为扭矩的配备标准: T=aD3(2一21) 式中:T—装备扭矩(咖?m); D—盾构直径(m); a—扭矩系数. 设备的扭矩系数。因盾构类型、土质等而变化，其平均值一般在下列范围内: 机械化开挖盾构:a=8一14; 土压平衡式盾构:a=l小23; 泥水加压式盾构:a=9一15. 采用这种经验公式进行估算时，扭矩系数a的取值尤为重要。但是建立在以 往施工经验基础上的a具有一定的选择范围，选择依据较为模糊，无法在事先较 为确切地进行选择。这就造成有时因扭矩系数取值过小，致使盾构机在复杂地层 中掘进时刀盘扭矩不足和脱困困难;又或者，有时因扭矩系数取值过大，造成盾 构机驱动装置的成本和机身质量增加，给运输、安装带来不便。 (2)理论计算法 在理论计算法中，关键是确定刀盘扭矩的影响因素和各扭矩分量的计算方 法，将盾构施工过程中各种情况都加以全面、系统地考虑分析，并通过数学、力 学方法建立了刀盘扭矩估算的理论模型。由于盾构机机型和刀盘结构等情况各不 相同，刀盘扭矩的影响因素和计算方法也不尽相同。由于土压平衡盾构在目前的 城市地铁施工中应用较多，因此，以面板式土压平衡盾构为例，其装备扭矩计算 如下16肠9]: 耳=不+爪+兀+兀+兀+兀+不(2一22)中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 式中:几—刀盘总扭矩; 不—刀盘刀具的切削阻力扭矩; 兀—刀盘正面与土体的摩擦阻力扭矩; 兀—刀盘背面与渣土的摩擦阻力扭矩; T4—刀盘转动时刀盘开口内的剪切摩擦阻力扭矩; 兀—刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩; 兀—刀盘构造柱和搅拌臂搅拌渣土产生的摩擦阻力扭矩; 界—刀盘转动时机械自身内摩擦阻力扭矩。 (l)正面、侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩不 刀具的切削阻力扭矩除了与地层参数有关外，还与刀具的类型(如滚刀、切 刀等)、数量和刀具布置的位置有关。当盾构穿越岩层或卵石土层时，一般盾构 机刀盘上除了设置有切刀外，还应有用于硬岩的盘形滚刀。因此，扭矩估算时应 考虑盘形滚刀对刀盘扭矩的影响，即 不=从月凡十飞凡尺(2一23) 式中:不1—盘形滚刀切削产生的地层抗力扭矩; 不2—切刀的切削阻力扭矩。 根据隧道围岩条件的不同，盘形滚刀切削产生的地层抗力扭矩的计算也不 同。对于较硬围岩，可按式2一24计算: 不1二伪只凡(2一24) 式中:伙—刀盘上滚刀的数量; 凡—为盘形滚刀上的水平滚动力; 凡—盘形滚刀的平均回转半径。 对于软土地层，可以近似认为盘形滚刀上的滚动力等于切刀上的切削力。土 压平衡盾构在软土中掘进时，切刀是刀盘上设置的主要刀具，切刀的切削阻力扭 矩为 不:=几凡尺(2一25) 式中:从—刀盘上切刀的数量; 凡—单个切刀的切削阻力; Rc—切刀位置的平均半径。 (2)刀盘正面与土体的摩擦阻力扭矩兀: 盾构机向前掘进时，刀盘正面与土体之间发生摩擦，产生摩擦阻力扭矩。该 扭矩的大小与刀盘开口率、土体参数以及开挖面的土压力有关。对刀盘进行力学 分析，有中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 :一广广(l一a0)(，一、+cms)rde(2一26)式中:D。—刀盘直径; a0—刀盘开口率; 产，—刀盘与土体之间的摩擦系数; 吩—刀盘正面的水平土压力; 编—刀盘与土体之间的粘聚力; r—刀盘上微小单元面积的转动半径; A—刀盘面积。 (3)刀盘背面的摩擦阻力扭矩兀 盾构掘进时，泥土舱内的渣土被加压，随着刀盘的旋转，刀盘背面与渣土相 互摩擦，产生摩擦阻力扭矩兀 :一嘿(卜a0)(、二+c一，l乙(2一27) 式中:气—渣土舱内初始平均渣土压力。 (4)刀盘开口内土体的剪切摩擦阻力扭矩兀 盾构向前掘进时，刀盘切削下来的渣土从刀盘开口挤进泥土舱，随着刀盘的 转动，开口内土体被剪切，产生剪切摩擦阻力扭矩兀 ;一广色a0(、二+、rdA一华a0(、二+、)(2一28)刊~O 式中:氏—渣土的内摩擦因数; ‘—渣土的粘聚力。 (5)刀盘侧面的摩擦阻力扭矩兀 当盾构刀盘在环口切的前方并突出于盾构环口切时，在刀盘转动切土过程 中，其侧面(外周)与土体发生摩擦，产生刀盘侧面的摩擦阻力扭矩兀 7._二几，_.二女，.l，，，‘二.Dc\I，.。、，，。。兀‘于二tccms+二汗三r’tc编(凡+子)(l+戈。)(2 一29)2“~4‘“’形、“2’、”“”一一一 式中:r—土的容重。 (6)刀盘构造柱和搅拌臂的搅拌阻力扭矩几 土压平衡盾构掘进时，刀盘切削下来的渣土通过刀盘的开口进入泥土舱内， 再通过刀盘构造柱和搅拌臂搅拌，成为均匀的流塑态土体。 由于泥土舱内渣土的塑性较开挖前有较大提高，可以认为刀盘构造柱和搅拌 臂在压力舱内搅拌渣土时各表面上所受的土压力相等，等于泥土舱渣土的平均土 压力，则刀盘构造柱和搅拌阻力扭矩中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 兀=兀，十兀:=n气凡(杏+编As)(2一30) 式中:几，—刀盘构造柱的搅拌扭矩; 凡2—刀盘搅拌臂的搅拌扭矩; n一一搅拌臂的个数; Ra—搅拌臂的平均回转半径; 杏—搅拌臂迎土面的面积; As一一搅拌臂侧面的面积。 (7)刀盘上作用的其它摩擦阻力扭矩不 刀盘上的其它摩擦阻力扭矩主要为刀盘回转传动结构内部的摩擦扭矩，约占 总扭矩的3%，组成如下 界=界1+不2+不3(2一31) 式中:几—刀盘密封装置的摩擦阻力扭矩; —轴承的摩擦阻力扭矩; —减速装置机械摩擦扭矩。 几几 2.2.3盾构刀盘切削负载与驱动液压系统祸合关系 刀盘回转驱动液压系统作为刀盘回转的驱动源，刀盘上所有切削负载都会通 过刀盘传递至液压马达，成为液压系统的外负载，并最终转化为液压系统的压力 值表现出来。在流量祸合系统中，这种外负载的变化与压力是存在对应关系的， 所以，当负载出现变化时，压力会出现同样状态的变化。 实际上，由于盾构刀盘的本身工作状态和安装尺寸等限制，通过传感器直接 测试刀盘扭矩是既不经济也不合理的，其往往通过液压系统压力值与外负载的直 接祸合关系来进行检测。截取实际盾构参数计算程序如下: “%MF564:=355.0; IF%M450AND%MW400>18THEN IF%MF560>0.0THEN %MF562:=%MF564*(1.0一 (INT--TOJ比AL(%QW、1.2.56\0.0.2一%KW583)/1030 0.0)*0.7); ELSE %MF562:=%MF564; END一F; %MW450:=REALJOesINT(((0.822*1.59*94.71*%MF562*7.93*6.0)/100.0)*I NT--ToweREAL(%MW400一14)/1000.0);中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 %MF564:=355.0; %MF562:=%MF564*(1.0一(取几TOesREAL(%QW、1.2.56\0.0.2一 %KW583)/1030 0.0)*0.7):” 由以上程序可以知道，在实际中，刀盘的扭矩计算公式还是通过检测马达的 排量和马达AB口的压差，通过马达的输出扭矩来计算刀盘的扭矩，如式2一犯 所示。 二_珠义二二—?如?20万生热?、.。=三二互旦.二止玺二卫些100’nl’飞’n(2一32) 式中:珠—马达实时排量; 如—马达A、B口的压差; 呱—马达效率，此处为0.822; 玛—马达减速器传动比，此处为94.71; 、—减速器小齿轮与刀盘驱动轴承齿圈的传动比，此处为7.93; n—马达台数，此处为6。 将式2一犯中的T换成式2一22中的几，此时外负载就与盾构刀盘回转驱动 液压系统相祸合，当外部负载发生变化时，系统压力会发生相应变化，当外负 载的变化频率较高，即发生突然冲击时，马达变量机构无法实时相应时，此时 可以视马达为定量马达，则外负载与系统压差呈线性关系，此时系统压差也会 发生瞬时升高产生冲击。 2.3刀盘负载冲击的原因和影响 2.3.1刀盘负载冲击的原因 在盾构施工的过程中，往往伴随着较大的负载冲击，使得盾构施工过程中出 现各种机械故障或者施工阻碍。这些负载冲击一方面与复杂的地质环境有关，另 一方面与盾构机的设计和施工管理有关，是一种综合的表现，具体分析如下: (l)地质因素 我国国土面积宽广、幅员辽阔，盾构施工的地质环境复杂多变，既有上海地 铁线那种较为均一的软土地质，也有秦岭隧道那种硬岩乃至超硬岩隧道，还有广 州地铁线较为复杂的软土与硬岩复合地质。在较为恶劣的地质环境下使用盾构机 掘进时，往往会出现较大的负载冲击。 a.在岩石分布地层，刀具本身的破岩过程是一个能量积蓄—释放的过程， 岩石破碎的过程中，能量的释放本身就会导致刀盘的冲击。如图2一10所示为美 国科罗拉多矿冶学院滚刀切削实验录像截屏，可以清楚地看出，滚刀在切削岩石中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 过程中，岩石在破碎的过程中能量释放，向外进射飞溅。同时岩石的节理发育不 均，也会影响到刀具破岩的效率，造成不同的冲击。 b.盾构的掘进环境往往较为复杂，往往会出现岩土交叉的复合型地质，即 使是均一的地层，也会出现软硬不均的情况。在软硬交变的地质不均地层掘进时， 同一个掌子面上，刀具在软岩区域的贯入度Pl与在硬岩区域的贯入度几不同， Pl>八，设p=p，>八，会出现图2一n所示的情况，刀具从软岩区域过渡到硬岩区 域时，会经过一个高为p的台阶，p越大，刀盘转速n越大，刀圈受到的冲击载 荷越大口0]。 图2一10岩石切削过程中向外迸射画面截屏 图2一11地质不均地层刀圈受力示意图 c.在不良地质塌方地段施工中，受刀盘前的大石块的影响和破岩的断续进 行，以及塌方落石都会对盾构刀盘造成冲击。 d.在高应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动 力失稳现象，称之为岩爆。盾构施工的隧道为圆形断面，避免了局部应力集中， 相对减少或削弱了岩爆的发生。在盾构施工中出现岩爆时，岩块会出现爆裂飞出， 冲击刀盘刀具，严重时会发生岩体坍塌掩埋机体。 e.断裂带是区域地质构造的结果，其特征是相邻岩体有较大的错动，错动中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 过程中形成的角砾石，分选性差、棱角分明，若为胶铁质胶结，那么将形成及其 坚硬的胶铁质角砾岩。当刀盘切削这种岩层时，冲击较大，非常容易出现崩角、 严重磨损等情况。 f.还有一种特殊情况，在开挖断面内存在的孤石或漂石。比如，强风化或 全风化花岗岩层中残留的微风化新鲜坚硬的花岗岩球状风化体。在砂卵石地层或 者其他土层中，随机分布有粒径大于200~的漂石，由于很难找到其分布规律， 所以探测十分困难。在施工中通常极易使刀盘受到瞬间载荷冲击，对刀盘和刀具 造成破坏性影响[7l]。 (2)人为因素 在盾构的施工过程中，人为因素有着非常重要的影响，包括前期的地质勘探、 盾构机的设计以及施工的过程管理，都对盾构在施工过程中的平稳性有着非常大 的影响。 a.刀盘刀具的设计缺陷。 刀盘的刀具选型不合理:刀具配置不合理，比如在复合地层中未使用滚刀、 滚刀数量过少，滚刀的直径过小等; 刀具位置设计不合理:刀具在刀盘上的位置布置存在缺陷，无法达到较好的 切削效果，滚刀和切刀的搭配不合理，包括滚刀与切刀之间的位置和高度差。当 滚刀的贯入深度h小于滚刀与刮刀的高度差d时，刮刀会顶住岩面，影响滚刀破 岩。在岩石地层，特别是在硬岩地层中时先行刮刀将会阻止滚刀切入岩面而无法 破岩; 刀具的间距设计不合理:刀间距过大，会在两滚刀之间出现破岩的盲区而形 成“岩脊”，刀间距过小，则无效裂纹在两滚刀之间扩展，形成凹槽，使得切削 效率降低; b.施工管理不合理。 掘进参数的设置不合理。在盾构的掘进过程中，掘进参数的设置不当也会造 成刀盘的冲击。这种情况尤其体现在复杂的地质条件中，刀盘切削过程中，推进 油缸的推力和速度没有掌握好，导致扭矩出现突然升高，严重的情况会导致刀盘 卡死。 刀具的更换不及时:磨损严重或失效的刀具更换不及时，这些都有可能导致 刀盘在破岩过程中破岩效果不理想，尤其在硬岩情况中，导致刀盘发生卡死。 添加剂使用情况不良:添加剂的主要作用在于:1.具有一定润滑性，可以降 低刀具和出土系统的磨损;2.使密封土舱内的压力更均匀，降低在密封土仓内形 成泥饼的可能性;3.在软弱地层中使用发泡剂及泡沫，可以有效降低摩擦力，节 约能耗，;4.改善密封土舱内渣土的流动性;5.便于盾构机从泥水系统中分离;6.中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 减小刀盘的动力要求，并使开挖出的土体成为流塑状态，便于排出。当出现添加 剂的添加情况不良，选择不当，刀盘前端的泡沫管堵塞等情况时，会出现结泥饼 等情况，导致刀盘切削面摩擦力上升，扭矩突然升高，产生冲击，乃至卡死。1141 (3)特殊情况 刀盘掘进过程中，会出现一些与地质条件无关的地下异物，这些地下异物主 要是指由于人类的活动，在地层当中出现的非自然物体。比如，在海床和河床中 可能出现的沉船及有关的锚等金属物体、河堤的抛石、建筑的桩基等。这些异物 往往在事先是不可预见的，部分具有相当的硬度，会对刀盘带来巨大的冲击，对 盾构施工造成重大的危害。还有一些异常情况下，比如刀具脱落，刀盘发生解体， 这些脱落或断裂的部分掉入刀盘和掌子面之间，也会导致刀盘受到冲击。 2.3.2刀盘负载冲击的影响 盾构机在掘进过程中受到的负载冲击是无法避免的，这些冲击往往对盾构造 成较大的影响，是盾构故障停工的重要原因。以下就是盾构在负载冲击下比较容 易出现的故障: (l)对盾构刀具的影响 在掘进过程中，盾构刀具在猛烈的撞击下，会产生初始裂纹，经过反复冲击， 裂纹会不断扩大，最终导致刀具发生断裂或者刀刃崩落。图2一12(a)、(b)所示切 刀刀刃崩落的现象，图2一12(c)可以明显看出，由于滚刀和切刀之间的高度差 设置不合理，在相邻两滚刀切削后留下的岩脊超过了切刀切削范围，使得切刀在 切削过程中受到较大冲击，发生崩齿(图中画圈所示)。图2一12(d)为球齿滚刀 在掘进过程中，外缘球齿因为冲击掉落的情况。图2一12(e)为盘形滚刀在切削 过程中发生刀圈完全断裂从刀体上脱落的情况，其中圆圈处为刀圈的断裂面。图 2一12(f)为滚刀轴承在切削过程中发生冲击损坏的情况。 同时刀具要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和温度的 变化，造成刀具的磨损、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动 或断裂等一系列损坏，刀具失去破岩能力，必须更换与检查维修。由图2一13可以 看见切刀刀座下方螺栓在掘进过程松动，最终导致切刀掉落。中南大学硕士学位论文 盾构刀盘负载特性分析及实验研究 (a) (b) 图2-12盾构刀具冲击损坏现象 图2-13螺栓松动掉刀现象 中南大学硕士学位论文 盾构刀盘负载特性分析及实验研究 (2)造成施工困难或者停机故障 对于刀盘来说，一般情况下有一个保护扭矩，在超过设定值之后，刀盘就会 停下来。但是突然的负载冲击，这种大幅度的跳变会导致刀盘无法控制，出现间 歇性停机。 当发生类似岩爆这样的极端地质条件、刀具切削掘进状态不良、添加剂使用 情况不良、掘进参数设置不合理等情况下，刀盘扭矩会出现突然升高乃至卡死， 使得作用在刀盘上的负载变化十分剧烈，对刀盘的冲击非常大。需停机对刀盘刀 具进行检查、对刀盘进行反转脱困处理，严重情况下还需挖掘竖井脱困。严重影 响盾构的可靠性和施工的进度。在广州地铁某线就出现了因为负载冲击过大而导 致的马达减速器发生损坏的情况，如图2-142-16所示。使得施工长期停顿，给 施工方带来了巨大的经济损失。 图2-14发生故障的马达减速器总成图2-15断裂损坏的减速器齿轮 图2-16断裂损坏的减速器内齿圈 2.4盾构刀具及刀盘动态切削冲击特性实验研究 2.4.1盾构刀具切削实验目的 中南大学硕士学位论文 盾构刀盘负载特性分析及实验研究 通过盾构刀具切削实验，研究盾构刀具的切削过程及其切削受力变化情况， 从而分析刀盘驱动液压系统的压力波动情况，为进一步分析盾构刀盘冲击奠定基 础。同时通过与盾构工地实地采集的盾构刀盘扭矩值进行对比，研究盾构在掘进 过程中刀盘切削的负载变化，对系统的压力冲击控制范围进行提供依据。 2.4.2盾构刀具实验设备与试样制备 有关盾构实验通过线性切削试验台完成，如图2-17所示。该试验台可以实 现岩石试样的水平推进以及刀具的垂直加载，能够较好地模拟和还原单把盾构刀 具的实际切削工况。测试系统包括电荷放大器、电阻应变片、动态应变仪、阿尔 泰PCI2000数据采集卡和上位机，如图2-18所示。在刀具切削过程中，负载应 力与振动通过刀具传递至刀架，所以在刀架上布置应变片，通过刀架的应变测试 得到刀具切削岩土时所受的载荷。 (a)配置切刀切削 (b)配五滚刀切削 图2-17线性切削试验台 图2-18科试系统 在本实验中，以一定配比的混凝土来模拟盾构掘进中的软岩地质。切削试样 置于尺寸为1072X250x144 (mm)的特制铁盒内，在每次实验中采用不同的配比， 并进行为期一个月的养护，最后得到模拟的试样如图2-19所示。在制备试样的 过程中同时制备出与切削试样相同配比的测试试样，通过压力试验机测试试样的 中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 力学特性，如图2一20所示。在岩土力学中软岩抗压强度认定为:5一3OMPa。测 试的结果显示，采用混凝土制备试样，其抗压强度从3.64至19.14MPa，这与实 际情况是相符的。 图2一19切削试样图2一20试样力学测试 2.4.3盾构刀具实验结果及分析 在试验台上装置盘形滚刀进行切削实验，混凝土试样的抗压强度为 7.89MPa，抗拉强度0.82MPa切深5.4mm，行程800nnn。得到如图2一21所示的盘 形滚刀三向受力图。因为混凝土的内部掺入了一定量的砂石，所以混凝土是非均 质的。可以看见，在盘形滚刀切削混凝土的过程中，盘形滚刀的三向力具有一定 的随机性，在短时间内有较大的起伏和冲击，并且一直保持着较大的振动量。 141O ,十诱引 厂日4___l_一_卜__滋-l!一||公__J__一未~_ 丫一丁一一一l一一一厂一一下二土一门一一l一一一T一r .曰7lt|一l||一|!!一| |!习|||一l ,一一一一12 l书||一。|11】 _4一_司_一一卜一_口 543U ，N盆,.e卫蔺它。甚卫 !!一|l| 一..、10 一||刊||| 一一州一一一一卜一t， 6___l___L__上 ll !! ，『 !l ll ll 一一一l一一一卜 护I 甘l 严红„„一一一!一一一r一一__J___l___儿~J~_ 2 一l|卞|上l|一11 !，|一l!| 一一 ，犷一丁一1一犷一T一1一{一丁一1一 |l一|l|月.| 4 ,N公,.。,。,劝。一仁.， rl|2个一一州一一一l一一一 0 0S1015加25303S4O450051O15即2sS0354045 物州，)节洲巾) (a)滚刀切削垂直力(b)滚刀切削水平力 38中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 I!11 1111 「一一1一一一!一一一下一一 I!11 L__J___l___上__ 11!l 1111 I|勺 --ll11Tl!I上11 0.1 ! l 一一一l一一一 呵{一 11飞Jl|| 的吐 0汁丹一一l一一一+一一十一一卜一一」一一一l一一一+一一 ,/一一T一一n一一一r一一1一一一I一一一 ，jleseseseseses月Jeseses叨陌自卜厂匡日.|一11上构 11一 J1111月l响一l 一一一一 11一l|, 一,ee一we一 l|一||刁 一一 一‘斗 l ! 一一一l一一一 l 、__I__‘产一V-l--I、 111上11卞!|一11}一}戈 厂、仁、、一se 一eeee一一 一一份一一一l一一一 ll !l Il !i 5t01S加肠匀肠 11叫lwe衬抖l词|叫拟。八2竺,22.可1.月 几相如】 (c)滚刀切刘侧向力 图2一21盘形滚刀切料三向力曲线 将盘形滚刀换成切刀进行切削实验，混凝土试样的抗压强度为10.59MPa， 抗拉强度0.91MPa切深8.Slnln，行程300mln。如图2一22所示，当切刀切削混凝土 试样时，混凝土发生脆性断裂，其所受三向力具有较大的随机振动性，较容易出 现瞬时峰值并发生冲击。 4.54.吕 s.s4 !.一11卜||广| 一一一一一一,一一 ...口11!月.., ..r!1...卜 一一一 ee一今搜l一司一‘峨 l!一11月l|飞,U 4 3.5 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 1111111))){{{;;;场场 场 场 场 场 场 {{{{{{{{{{{{{回回 回 回 回 回 回 回 }}}}}lllllllllllllllllllll lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll如如如， ， ， ， ， ，为为 为声一 一 lllllllllllllllllllllllllllll llllllllllllllllllll一一— — lllllllllllllllllllll !!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!一一 一 一 l!lllllllll 11111111111111111111111111111lll!!! rrrrr一一 ---__一卜一一+一一叫一一一 一一一一+一 ____!一一— — lllll一 一 l!lllllllll 吧 吧吧一 一 l!IIIllllll „„ „l一一一l一一一T一一一I一一一厂一一下一一几一一一 一 1111111!11111 111111111二 二 3昌 1 ,址之，.一jleseses一一一一 l|丁1l||寸 一,忠竖,, r.l1门f妇,一l| 」_ U七,勺，月考吕招 )一了’叭呵.华21名!!斗!l丁个||一|| 3曰上25 : 2‘. ,Ng,p.乙,可。,忆.^ +一一月一一一!_一一卜一一刁一一一!一一一 l|刁; 0t5 一!l! 111! 下一一一!一一一}一一一T !l汀1 0.汤 0 02345 刀.归) 6..00234肠 劝.申〕 .7.. i|卜|l厂|上7 (a)切刀切削垂直力(b)切刀切削水平力 。，饵 。.吐 0 月月 月 1.!!!! 阵 !!!!1... 】】 】 1111111111， 1111 ...!lll111 1111!!!11111 鲡鲡鲡 {{{{{{恤 恤 !llllll11111一 一 llllllllllllll!!!l导 lll一一 一一 ~~~ llllllllllllllllll___L__JJJJJ }}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}口 lllll 俩 俩 俩 俩俩俩 俩 llllll{{{)111111 {{{{{{{{{{{{{!!!!!!!!!!!涵 涵 涵 涵涵 涵涵涵涵!痴 痴l一一一r-一~州 州一-一一一 一 1111111111111111111.111一 一 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!1111 一 一 ))))))))))))))))))))){{{一r一一劝 劝一一一一一 一 .......................， ，一 一 llllllllllllllllllllllllll一 一动 动 动 动动动动动动动动动动动动 动动动动动动动动动动动动 动 动 动动 动 !!!!!!!!!!!，’ ’卜-叫户 ~~~~~~~~~~~~~~~ lllllllllllllllllllllllllll llllllllllllllllllllllllllll rrrrrrrrrrr一一州 州 州甘甘 甘 甘 甘 甘 甘 lllllllllll一 一 一 一 一 一 一 一 一 lllllllllll一 一 一 一 一 一 一 一 一翻姗招姗姗姗引 02345 物叫对 .7.. (c)切刀切*.J侧向力 图2~22切刀切刘三向力曲线 通过在线性刀具切割试验台上分别对滚刀和切刀进行混凝土直线切削，来模 拟盾构在实际施工过程中刀具切削软岩的切削受力特性。通过实验可以看出，刀 39中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 具在切削的过程中，其材料的整体力学性能决定了切削受力的静态趋势。同时因 为切削对象并非均值材料，在切削过程中断裂或者破碎，使得刀具在切削过程中 负载在一定的范围内具有较大的随机性，可能出现较为剧烈的变化，伴随相应的 冲击现象。 2.4.4盾构刀盘切削负载冲击施工现场测试 在实际掘进过程中，盾构施工的地质环境并不往往都像上海或者秦岭那样较 为单一和均质。大多数情况下，表现为地质构造和岩土特性具有较大差异的复合 地层。这使得在盾构掘进线路上，盾构刀盘驱动系统的驱动功率范围宽，驱动扭 矩变化剧烈，冲击出现频繁。以广州市轨道交通某段为例，其掘进地层大部分为 岩石地层，地质断面图如图2一23所示，该段内掘进地层从左至右主要有<92>、 <8Z>、<7Z>，这一带主要为震旦系地层，岩性主要为混合岩、混合花岗岩、混 合片麻岩、片麻状石英岩等，岩石完整性好，新鲜岩石力学强度高，<92>、<82>、 <72>分别代表微风化带、中风化带和强风化带，风化程度依次增加，抗压强度 依次降低，可切性依次增加。据此分别定义<92>、<82>、<72>为硬岩、中硬岩 和软岩。 盾构掘进机中掘进参数主要来自盾构机本身的数据输入和输出系统，它反映 了盾构机当前工作状态。这些参数主要包括推力、扭矩、刀盘转速、盾构机的姿 态、密封土舱的压力、推进速度、注浆量、贯入度、油温等。取上述轨道交通某 段连续180环的施工数据的平均值统计如图2一24所示，只考虑了转速、扭矩、 推力、推进速度和贯入度等主要掘进参数。 图2一23广州市轨道交通某段地质剖面图中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验班窒 官3000 2.召,象旱 ,瑕黎月麟追每只 环数湃) (a)某段施工中质构刀盘转速(b)某段施工中盾构扭矩 ,毛仍日,侧瑕泪举 ,圣,只举 (c)某段施工中盾构油缸推力(d)某段施工中盾构油缸推进速度 泊公月,侧帜找 环数哪) (e)盾构施工中刀盘切削贯入度 图2一4广州市轨道交通某段掘进参数组图 由图2一24可见，对于盾构掘进过程中连续的180环，前80环刀盘转速较高， 而推进速度和贯入度较低，后100环变化趋势相反。由图上可以看出，在掘进过 程中，环与环之河的掘进参数变化较大，尤其是推力和扭矩的变化较为剧烈。具中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 体表现为时间掘进过程中地质参数的变化导致掘进过程复杂变化较为剧烈，这就 可能对盾构形成较大的冲击。取其中数环的掘进过程，以其每分钟的推力及扭矩 值，参照实际盾构参数计算程序将其转换为盾构刀盘驱动液压系统中马达的进出 口压差，观察其压力变化趋势。经过转换后，得到在相邻数环内169分钟的两组 马达进出口压差如图2一25所示。 坦印田泊坦喇口台令,-田谈急Q即坦规泊 盆进时间‘i幻抽进形同‘i动 (a)马达进出口压差参数l(b)马达进出口压差参数2 2一25油缸推力与马达进出口压差 如图2一25所示，通过两组数据对比可以看出，不同时间内，马达进出口压 力差的变化趋势是有所区别的，这也体现了掘进环境的差异性。在连续的掘进过 程中，盾构的掘进参数大致保持在一个静态范围内，并且不停波动。其动态变化 过程存在着压力骤升和骤降的现象，这也与之前的分析是一致的，其切削过程在 一定的静态趋势下产生动态波动，剧烈的情况表现为瞬时较大的压力冲击。 通过盾构刀具切削实验以及盾构实际施工数据可以看到，在盾构实际施工过 程中，其掘进切削过程中负载在一定的静态趋势下存在着较大的随机性，这种动 态变化导致刀盘扭矩会出现较大幅值的波动与冲击，这对系统本身的可靠性是具 有损害的。 2.5本章小结 本章在刀盘驱动液压系统的设计之前，研究了盾构掘进时刀盘回转切削的机 理和负载情况，主要内容如下: 1.从盾构掘进的作用对象入手，分别阐述了岩石和土壤的概念、组成成分、， 对盾构掘进过程影响较大的基本物理特性及其相关分类; 2.从盾构刀盘上主要设置的刀具入手，研究了滚刀的破岩机理和切刀的切削 机理，阐述两者较为常用的受力模型; 3.从经验与理论两方面分析了刀盘扭矩的构成及计算方法。 4.从地质因素和人为因素两个方面，重点分析了在刀盘切削过程中出现负载中南大学硕士学位论文盾构刀盘负载特性分析及实验研究 冲击乃至刀盘卡死的原因以及负载冲击给盾构施工和盾构机本身带来的影响。 5.以盾构刀具切削实验和盾构实际现场采集的数据相结合，验证和分析了 盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因，为下文液压系统的设计奠定了 基础。中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 本章简单介绍了盾构刀盘相关的回转驱动结构。紧承上文对刀盘负载的研 究，分析了现有盾构液压系统的优点以及在负载冲击下所体现出来的不足，并依 此提出了新的设计思路和要求，以及新的具有压力冲击适应性的盾构刀盘驱动液 压系统。 3.1盾构刀盘回转驱动结构概述 3.1.1刀盘的支承方式 盾构的支承方式有如图3一1所示三种: 了了了了 聆聆聆 一一一奋奋 匕匕二】{创创 创 芥 芥芥一 一厂厂，〕〕 〕 (a)中心支承式(b)周边支承方式(。)中间支承方式 图3一l刀盘的支承方式 (l)中心轴支承方式 利用带有圆形断面的轴支承刀盘中心的支承方式。是一种简单的结构，与其 他支承方式相比，对于由作用在刀盘的偏心载荷所产生的力矩抵抗强度较弱。为 此，当应用于大口径盾构及有巨大砾石与基岩等工程时，必须分析研究是否有足 够的强度。 (2)周边支承方式 这是一种为克服中心轴支承方式强度上述弱点的支承方式，是将刀盘的外周 边缘支承在环状上的结构。特别是在中小口径的盾构中，对于刀盘的偏心力作用 下的强度较大且又有机内中央空间比较大的长处。当为该支撑方式时，必须有可 将挖掘土砂能提升到排土装置设置的高度的叶片，在砧性比较大的地基中，有土 砂易于勃附与叶片上的缺点。 (3)中间支承方式 一种兼顾中心轴支撑方式的简洁及对于周边支承方式偏心荷载作用下的结 构上的优势两大特点，是在从中心轴到外周的刀盘中间位置，用突出盾构本体的 复数支承脚来支承的方式。通常用于从中小口径到大口径的盾构中1201。中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 3.1.2刀盘的驱动结构 盾构主体 主密封件 动小齿轮 刀头支座 刀盘里动 马达减沈跳总成 轴承箱 主轴承 图3一2质构驱动结构示意图 盾构刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板的法兰上，它可以使刀盘在 顺时针和逆时针两个方向实现无级变速。刀盘驱动主要由斜轴式变量轴向柱塞马 达和变速器组成。马达的回转输出由减速器减速后驱动刀盘主轴承，带动刀盘旋 转切削。 在刀盘的主轴用轴承中有滑动轴承及滚动轴承两种，根据以下所述优点多半 都采用有利的滚动轴承。 (l)轴承的精度高，轴芯摇摆少，可易于确保轴承用土砂密封的机能。 (2)轴承的磨损少。 (3)轴承座的结构紧凑，可缩短机长。 滚动轴承中最常用的是如图3一3所示的三排组合的轴承。轴承外轮或内轮切 齿，可作为直接接受来自刀具马达的动力结构。 lllll 瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚瀚暇峨暇哪翻 翻 尸尸--~林一 iiiii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii日 日卜一.一一 一 rrr钾.，，，，，里甲，，，， ，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼 翼翼翼 翼翼 翼 {{{鬓 鬓薰 薰 )))瘾 瘾苍 苍鬓 鬓 鬓 鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓鬓 鬓鬓 鬓蒸 蒸 蒸 蒸蒸 蒸蘸 蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸羹 羹 羹 羹 羹 羹羹羹毅细 细麟黝黝 黝麟 麟麟黛嚣黔 黔日日匕侧侧理越全妾终塑塑奢奢经目耳护用用尽镬熬搭瀚 瀚 二二二贬落鲜童栩栩日日礁黝黝里脚川娜属 属日日暇怒鑫魏毅毅压燕麟手撇 III蘸 蘸蘸彝 }}}目目冒 冒l‘ ~....目目哪黛擎 !!!l摹袋 袋娇 娇 娇 娇 娇娇燕瘫 !!!目目麒鑫澎 澎 澎 蘸 蘸蘸 蘸赢赢赢 赢 (a)刀盘驱动主轴承(b)A一视图 图3一刀盘驱动轴承示意图中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 速的大小和方向[72一74]。系统的最大工作压力由液压泵内置的高压溢流阀限定。 泵的高压油口直接接入马达的进油口，而马达的出油口与泵的吸油口相连。系统 内置或外置有补油泵，为系统的泄漏进行补油，同时提供系统的控制压力油。它 的主要特点有: 1.大功率、闭式传动，结构简单、传动效率高。闭式回转系统可以在高压环 境下持续工作，采用容积调速，无节流损失。用户需要多大的流量，泵就提供多 大的流量，而泵的压力仅取决于负载。只要闭式系统的管道尺寸足够合适，泵的 压力就几乎等于负载压力，没有任何压降消耗在控制阀上。若不考虑泵的容积效 率和机械效率，泵的输出功率几乎等于负载所消耗的功率，无用功非常少。 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和 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由PLC程序 设定，调整方便。恒功率传动控制系统有利于减小装机功率，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，提高了系统的可靠性。可以为系统双向作业提供良好的安全保 护措施; 5.具有稳定的零位工作区域，如图3一6所示。盾构的刀盘运动系统惯量很大， 要求比例变量泵的控制电压与泵的输出流量，在零位附近有一个稳定死区。即只 有当比例变量泵的控制电压达到一定数值时，变量泵才有流量输出，避免刀盘转 动突然反向，产生巨大的惯性冲击。[73} ///// ///// 图3一6零位工作区域 虽然现有的刀盘回转驱动液压系统具有上述优点，但是同时也存在如下的缺 点: 1.相较于开式系统来说，闭式系统的抗污染能力较弱。对于闭式系统而言， 由于马达换向时，闭式系统的高低压管路功能随即发生互换，液压油的流动方向 随之发生改变，所以很难在管路中设置任何过滤装置。通常仅仅是在闭式系统中中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 的辅泵回路或泵/马达的泄油管路中设置过滤器，进行局部过滤。其次，闭式系 统的油液由于大多时间是处于泵跟马达之间的封闭容腔中，仅有少部分因为泄漏 补油与外界发生交换，所以闭式系统中的油液污染较难排出系统之外【74]。 2.对于闭式系统，发热问题较为严重。盾构机液压系统的散热主要是通过 水冷式冷却器对液压系统的油温进行强制性降温。冷却器由许多蛇形管组成，管 内通冷却水，把油液中的热量带走，起到降温的作用。冷却器通过两条管路与隧 道外冷却水池形成循环，冷却水池通过空气自然散热。当实际环境温度较高时， 冷却水水温较高，无法达到冷却效果，常常会使油温处在较高的工作状态，并发 生停机现象。因为在闭式系统中，容腔的中的油液持续在系统中高压高速流动， 会不断发热，其中只有一小部分通过换油阀与外界进行交换，使得外界冷却的油 液能够置换掉一部分高温油液，但是其量还是较小。在系统大功率运转时温升较 为明显，对冷却系统要求较高。其次，辅泵通常采用定量泵，持续给系统进行补 油并提供控制压力油，多余的油液将通过更油阀或背压阀返回油箱，使这部分功 率白白损耗掉。最后，因为闭式系统与外界交换的流量较少，油箱都相对较小， 散热性能较差。 液压系统在压力与机械能转化过程中的功率损失大部分转变为热量，从而引 起油温升高。液压系统油温一般不宜超过55?，当温度超过60?以后，液压系 统容易出现以下问题: (l)油温过高导致液压油质加速老化，粘度、容积效率均下降，因而泄漏 增加，系统效率下降，甚至使机械设备无法正常工作。有资料表明，液压油温度 超过55?时每升高9?，油液使用寿命将缩短一半。 (2)由于粘度下降，滑动部位油膜被破坏，摩擦阻力增加，磨损加剧，因 此又引起系统发热，更增加了升温，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过 早磨损而使其失效或报废。 (3)液压系统的零件受热膨胀，破坏了零件原来正常的配合间隙，导致摩 擦阻力增加，将引起运动件动作失灵，特别是液压阀容易卡死。 (4)加速橡胶密封件老化变质，使其寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使 液压系统严重泄漏。 (5)油温过高，造成油液汽化、水分蒸发，加速油液氧化。氧化物不再溶 解在油中，形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀内的小孔，这将造成阀门粘 结，滚珠轴承阀芯和液压泵活塞等的摩擦增加，同时氧化产生的腐蚀酸液对各元 件穴蚀破坏，使液压系统不能正常工作175问。 .因此，液压油油温过高会严重影响机器的正常使用，降低液压元件的使用寿 命，并增加盾构的维修成本。中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 3.对于盾构掘进中较为剧烈的负载变化适应性较差。现有的闭式驱动系统是 通过调节系统工作压力来适应负载力的变化。主要通过调节泵的排量来实现，即 通过调节远程电液比例溢流阀的压力实现，马达调速仅起补偿作用。在正常工况 下，马达可视为定量马达，不作变量用。这就导致闭式系统的压力会在负载出现 剧烈变化时发生较大的波动。 现有的盾构刀盘闭式系统回路在应对剧烈的负载冲击时，大都具备了压力切 断这样一个功能，主要是对系统进行过压保护，并消除过载时的溢流损失。当产 生负载冲击时，系统压力达到或者超过切断压力时，泵的排量会在瞬时减小至零 位附近，只产生补偿内部泄漏维持压力所需的最小流量。此时，泵仍维持原来调 定的压力，只是不再向系统提供工作流量，从而达到保护系统的安全。在系统压 力降低到切断压力之下时，泵的排量再次增加。但是，压力切断可以避免一部分 负载冲击对液压系统的影响，减小系统的溢流量，但是在应对盾构的复杂工况时 依然不够。 就压力切断而言，其排量降到零位需要一个过程，即这段时间里面泵依然在 向系统供油。即使假设压力切断可以在瞬时发生，只能代表泵不再向系统供油， 马达和泵之间依然存在高压油，在负载的冲击下以及刀盘的大惯性，使得高压油 管之间的压力继续提高直至溢流。在较为恶劣的冲击乃至卡死的情况下，压力切 断依然无法避免系统出现较大的冲击。 3.2.2刀盘回转驱动液压系统设计思路 盾构负载的变化规律很复杂，影响因素很多，各因素之间又存在相互作用， 因此盾构负载不仅具有随机性、模糊性和关联性，而且还具有离散性及动态性等 特点。目前，常用的盾构刀盘驱动液压系统对负载冲击的适应性都较弱，控制性 能也不稳定，易受负载变化的影响。这使得盾构刀盘切削控制的实时性、稳定性 和可靠性受到制约，影响了掘进效率的提高。 为了满足盾构刀盘驱动系统的高效率和高可靠性的需要，必须提高盾构刀盘 回转驱动系统的负载冲击适应性。负载冲击适应性是指液压控制系统能根据刀盘 负载的变化，自动调整系统运行状态，保持切削稳定，降低能量损耗，实现高效 率、高质量的掘进，这就对液压系统的工作性能提出了更高的技术要求。 1.在掘进过程中，负载特性是不断变化的，这就要求驱动系统具有实时、 无级调节回转参数的能力，且调节过程平稳，避免引起不必要的振动与冲击。 2.要实现负载自适应的回转控制，必须具备实时监测和识别切削负载特性 及变化规律的能力，为实现掘进负载自适应控制提供重要的客观依据。 3.负载阻力一般都是随机变化的，这容易引起掘进参数的波动，造成系统 运行状态的不稳定。因此，要求液压系统必须具有硬的机械特性，使其执行机构中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 的运行状态不受负载变化影响，这样就能有效避免或减少各种有害冲击，从而提 高切削效率和刀盘的寿命。 4.随着盾构功率的增大，系统的能耗和发热问题越来越突出，成为制约和 影响盾构机性能发挥的重要因素。因此，有效地降低系统能耗也是提高掘进效率 的重要技术指标。 盾构刀盘回转驱动液压系统的作用是传递切削岩石所需的回转动力，使刀盘 以不同转速作正向或反向回转运动。回转系统必须满足盾构掘进的下列要求: 1.回转系统的转速应能适应盾构掘进情况变化的需要，可实现远程控制刀 盘转速在一定范围内无级调节。 2.回转系统应能实现刀盘的正转、反转与制动控制，在非工作状态下可以 可靠限位。 3.回转系统应能提供足够的扭矩来克服负载阻力矩的作用，保证回转运动 的正常运行。 4.回转系统应具有应对刀盘卡死等极端工况的能力。 5.回转系统应具有较好的带载启动能力，能够有效进行过载保护。 3.3盾构刀盘回转驱动液压系统原理设计 本论文以地下空间隧道建设中较为常见的小6.28m盾构为基础，取其一组泵 与马达组合为例，设计的盾构刀盘驱动液压系统如图3一7所示。本系统采用变量 泵与变量马达相结合的开式容积调速回路，可以有效避免节流调速系统在欠功率 工况下出现的较大溢流节流损失。采用开式回路的目的在于能够更方便地设置过 滤器对系统污染物进行过滤，保护敏感度较高的比例控制元件。如图3一7所示， 就在吸油滤油器和回油滤油器的基础上设置了高压过滤器以保证回路清洁。此 外，开式回路系统与油箱之间的油液交换量大，同时油箱的体积大于闭式回路， 散热面积大，散热条件较好，对于冷却系统的要求较低。 系统是基于负载压力变化来进行负载适应控制的，所以采用了两个压力传感 器分别控制马达两侧油口的压力值，检测到的信号值通过控制器控制变量泵、变 量马达、以及比例换向阀的工作状态。当负载转矩兀较小，对应值为 0‘兀‘气~八时，即当负载转矩兀小于等于变量马达最小排量珠mi。与负载压力 几的乘积时，变量马达始终处于最小排量不变，此时马达处于定排量状态，刀 盘转速由变量泵控制。同样，当负载转矩兀较大，对应值为气~几‘兀‘珠maxPmax 时，即当负载转矩兀大于等于变量马达最大排量气max与负载压力几的乘积且小 于等于马达最大排量气max与系统最高峰值压力Pmax时，变量马达保持为最大排 量，此时系统依然工作在变量泵控制定量泵的工况。而当负载转矩兀处在两者之中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 间时，即珠‘几‘兀‘珠max几，马达排量随着负载的变化趋势而改变，此时变 量泵处在恒压工况。[77l 沐沐 沐司 司 )))))))灭灭一一 一 一一l蕊蕊蕊蕊蕊蕊蕊蕊蕊蕊 蕊 日 日日 日目 目 目 「「「 }}}口 口 11111111}}} {{{入厕万万万万万万万 万 万万 万 lll”‘目-‘二月 ----- LLL.一 一 一 自 自自一 一日 日匕匕汗几-一 一 1.电动机2.变量泵3.压力表4.高压过滤器5.插装阀6.控制盖板7.溢流阀 8.单向阀9.电液换向阀10.比例换向阀n.电磁换向阀12.低压蓄能器13.高压蓄能器 14.压力传感器15.变量马达16减速机17.回油滤油器18.吸油滤油器19‘油箱 图3一7刀盘驱动液压系统原理图 变量泵采用在工程领域较多使用的斜盘式轴向柱塞泵，具有良好的高压高速 与变量性能可以通过比例电磁铁的电器控制使泵的排量无级设定，在盾构的实 际工作过程中可以通过控制器编程设定，根据传感器对系统工作状态的实时反 馈，使泵工作在恒压、恒流、恒功率、变功率或者几者相结合的状态。变量泵内 置压力切断阀，当泵的出口压力达到预先设定的工作压力时，它可以使泵的排量 迅速往最小值摆，且优先于比例控制。这样的设置可以保证在电比例控制故障失 效的时候依然能够在压力超载的情况下切断泵的排量，一定程度减小系统的压力 冲击，对泵进行保护。通过调节压力切断阀的弹簧压力，其压力切断值可以在 5一35MPa之间进行设置，其特性曲线如图3一8所示。中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 内里压力切断的设定范围。 ;，只攀老国H 九‘。 图3一8 排最~玛二 变量泵压力切断特性图 目目目步““:不刁 ， ，尸一——些琉占‘{‘一‘ ‘白 白白镇或澎-一 :::， ， ， ， .......仲 仲仲 仲‘ ‘一二二 二份份 份 份疑疑 疑 疑 压力钊断阔 比例控制明 图3一9变量泵内部回路图 泵的具体工作原理如图3一9所示，当G口外接控制油时，通过梭阀来比较泵 的出口压力与控制油压力，较高的一路用于控制泵的变量。当G口堵死，则仅 仅由变量泵的出口压力进行控制。泵初始无压状态时，变量缸在弹簧的作用下处 在最大排量下。当泵启动并且开始建立压力，而出口压力没有达到压力切断阀的 设定值时，压力切断阀在弹簧力的作用下处于左位，泵出口油路一路直接接变量 缸小腔，一路过比例控制阀和压力切断阀后接变量缸大腔。由于变量缸大小腔作 用面积不同，则变量缸大腔伸出，推动斜盘排量逐渐变小。当比例电磁铁得电时， 随电流增大，比例控制阀开口逐渐减小，则变量缸的推力减小，排量逐渐增大。 当比例电磁铁达到最大值时，比例控制阀工作在左位，变量缸大腔接油箱，变量 缸小腔在压力和弹簧力作用下使当泵的排量摆至最大。出口压力达到压力切断值 时，不管此时比例控制阀的工作情况如何，泵出口压力推动压力切断阀阀芯向左 移至右位，则泵出口油路直接通往变量缸大腔，使得泵的排量减至最小。 变量马达同样是斜盘式柱塞马达，通过比例地控制比例电磁铁上的电信号对 马达排量进行无级调节，从而控制马达的转速和输出扭矩，其内部回路原理如图中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 3一10所示。油液可以从A口流入也可以从B口流入，控制马达正反转。当油液 从A口进入马达时，一路由A口处单向阀进入内部控制回路，此时A口的油液 将B口的单向阀堵死，然后进入变量缸的小腔。当初始排量为最大排量时，对 比例电磁铁施加电信号，则压力油通过比例控制阀进入变量缸大腔，推动斜盘 使马达排量逐渐变小。当压力油由B口进油，通过两个单向阀的油路选择，其 结果跟A口进油一致。 下下下万 万 ____泣_-二止止.-门门 【【一丫’」 」口 口 图3一10变量马达内部回路图 因为系统采用的电液比例控制技术，所以对于系统的清洁度较常规的开关阀 系统较高，所以在系统设置了吸油、回油滤油器的同时，也在泵的出口处设置了 一个高压滤油器，以提高系统的清洁度。对于比例控制液压系统来说，过滤精度 越高越好，一般比例阀的最低过滤精度为 25pm，这里的高压滤油器取 10pm 的过滤精度。在滤芯堵塞到一定程度导致压力损失过大而打开旁边单向阀时，滤 油器会发出警报提醒更换滤芯。 压力传感器用于检测变量马达两侧管路的压力，用于实时监测负载压力的变 化，以判断实际掘进过程中的负载变化情况。同时可以将得到的负载信号与马达 和泵的排量信号一起通过控制器来控制马达和泵的工作状态，同时也作用于比例 换向阀来控制蓄能器的工作状态。 系统设置了高、低压两种规格的蓄能器，根据具体工作情况由电磁换向阀来 控制高、低压蓄能器的选择。同时在电磁换向阀后设置了三位四通比例换向阀来 控制蓄能器的接入状态。比例换向阀不仅仅可以实现换向的功能，同时还可以根 据作用在比例电磁铁上的电流强度来控制比例换向阀的开口大小。这样就可以通 过负载压力信号对比例换向阀进行控制，来保证在马达任意换向后蓄能器在依然 能够在高压侧吸收冲击或回收能量，在低压侧释放能量。同时还可以控制蓄能器 接入系统的开口度和开口时间，使蓄能器工作在一个最优的状态。在施工过程中， 比例阀控蓄能器的作用在于吸收系统压力因为外负载波动而产生的变化冲击，使 系统平稳，提高液压元件寿命和可靠性。其次还可以在刀盘制动或者刀盘突然卡 死的情况下将大惯性刀盘所具有的制动能储存起来，在启动或者反转脱困时使用 [78.81]中南大学硕士学位论文第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计 3.4本章小结 本章研究了盾构刀盘驱动系统的结构，驱动系统的特点及要求，对现有液压 驱动系统的优缺点进行了整体的分析，提出了一些新的观点，具体研究内容如下: (1)分析了盾构刀盘的驱动结构的具体形式和特点，说明了由盾构液压驱 动系统至盾构刀盘的动力传递过程; (2)分析了现有的闭式盾构刀盘驱动液压系统的优缺点，结合上文所述的 盾构掘进负载特性，表明现有的驱动系统在应对负载剧烈变化所导致的冲击时存 在的种种不足，以此提出了新的刀盘驱动液压系统的要求和设计思路; (3)针对现有问题提出了一种新的具有更高可靠性和节能性的刀盘驱动液 压系统，分析了其工作原理和主要元件的控制特点。中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型 与动态特性分析 对大多数的液压系统来说，动力机构的动态特性在很大程度上决定着整个系 统的性能。本章的目的是分析系统的动特性、传递函数、主要性能参数，系统压 力冲击的物理现象以及数学模型，系统对于压力冲击的适应性。所得结果将作为 分析和设计整个液压控制系统的基础，为仿真模型的建立和仿真的结果提供理论 依据。 4.1盾构刀盘驱动液压系统模型 4.1.1变量泵一定量马达系统 在上一章的分析中，盾构刀盘驱动液压系统根据负载扭矩的情况分为三个阶 段，两种情况。对其进行分段分析，其中当负载扭矩过小或者过大时，马达都将 处于排量的最小值或者最大值，此时系统可以看作变量泵一定量马达系统。分析 过程中比例换向阀关闭，研究在没有蓄能器的情况下负载对系统的影响。在对系 统进行线性分析过程中，对系统会进行必要简化，一假设如下[82】: (l)管路的连接长度较短，忽略管路压力损失及管路所产生的动态影响; (2)泵和马达的泄漏为层流，泄漏系数与泄漏面两侧压差成正比; (3)因为不考虑管路压力损失，且其为开式回路，所以认为回油压力很小， 这里假设为O; (4)马达和负载之间连接构件的刚度很大，忽略结构柔度的影响。 1.变量泵的流量方程为 马=气叱气一几p一ce.p(4一l) 拉式变化可得 乌(s)=气nPa，(s)一吼p(s)(4一2) 式中:乌—泵实际输出流量; 一泵的排量梯度; —泵的角速度; 气叱 —泵的斜盘摆角; —泵的内泄漏系数; 几气中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 —泵的外泄漏系数; =吼十cer—泵的总泄漏系数。 cer吼 2.系统高压腔连续方程有 马一味p一cemp一几三生_丘坐dt凤dt(4一3) 拉式变换得 。，_、。。l_、n_。，_、_K_。I_、甘户气J少一七，工、J，一‘俪。喻气J，=不厂 JlLJ， 从 (4一4) 式中:味—马达内泄漏系数; cem—马达的外泄漏系数; Dm—马达排量; 气—马达轴转角; 气—高压腔总容积(泵、马达、管道容积之和); 戊—油液容积弹性模数; 吼=嗽+Cem—马达总泄漏系数。 联立式4一2和式4一3可得 二_、_，_、_。_。，_、.。。，_、.K_。，_、气叱aP(s)=焦s氏(s)+Cp(s)+廿sP(s)八(4一5) 式中:C一吼十吼—系统总泄漏系数， 3.马达和负载的力矩平衡方程 ;一二，一，粤+、终+at一at 由泵、 G氏+ 马达容积效率决定。 氏_。。.， )面，pL-f蛛一’:、”一u， }气{ 式中:几—马达理论扭矩; J—马达和负载的总惯量; 凡—粘性阻尼系数; G—负载弹簧刚度; cf—马达内摩擦系数，无因次; 兀—外负载扭矩。 式中摩擦力矩是非线性的，虽然q值一般很小，但在高压和小幅值输入时， 这种库伦摩擦可明显的使阻尼增加。在线性化分析时，令c，一0，同时不计马达 轴弹性变形，G==O，并作拉式变化可得 Dm夕(s)=Js气(s)+凡气(s)+兀(s)(4一7)中南大学硕士学位论文第四章盾构刀邀回塑燮鱼壁些 丝登鲤些塑塑竺丝 式中:o，m= 式4一5和式 出其方框图4一1。 d氏 dt 4一7 —马达的角速度。 即为描述变量泵与定量马达系统动态的基本方程，由此画 a，(s) 一知气心 、巨对斗画篡僵 气(s) 图4一1变量泵一定量马达控制系统框图 变量泵一定量马达速度输出系统的传递函数G(s)为 G(s)=当全2二气(s) 气叱 凡 CB‘ 矿十‘ (4一8) VOJ_2.，以上一二，二下~。丫、下万万丁 八线一气- V0凡士竖今)s+ 汽丈孺- 式中， 可简化为 由于阻尼系数几，/砚通常比凡大得多，即砚凡/氏，口1，式4一8 气叭a，(s) 几_。‘。、.。‘。、 ‘蛛价)=.二厂一百歹—一U、。声一场夕、。， 百.‘与_.， .一了十—J宁i 心气 (4一9) 式中:、一液压系统固有频率，\一厚; ;一系统阻尼系数，‘一最探?会摄。同样，可以得到以负载扭矩兀作输入，系统压力p为输 出的传递函数 G(s)= l 几 _2八尸占乙‘ 碑+蔺‘十‘ (4一10)一一P(s)一聊 4.1.2变量泵一变量马达系统 1.高压强流量连续性方程中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 (4一11)一咖dtV0一几气叱气=气气气+(几+cer+味+嗽)p十 式中马达的理论流量么=气气am一项为非线性项，在用线性理论对系统进 行动态分析时必须对这个方程线性化，因此，采用小位移增量线性化方法如下 设在某工作点(气。，气。)的马达理论流量为练。，即 吼。=气气。am。(4一12) 则在工作点附近很小范围内工作时，即 气=气。+?气(4一13) a。=amo+?气(4一14) 则有 练=气(气。+?气)(am。+?a。)(4一15) 用泰勒级数展开，忽略二介无穷小项，则有 ?练=气气。?气+气气。?气(4一16) 对其进行拉式变化并写成原函数形式，则有 么(s)=气气。气(s)+气气。气(s)(4一17) 在对4一n中的非线性项线性化处理后可得到4一n的拉式变化 、_、_，_、_、_、_，_、.二__、，_、.。。l_、.气_Dl_、几夕，UP“夕、J，“几二叽。“m 气。，宁几m“mo叽、J)宁七，f、J，宁不厂J丁、J， 从 (4一18) 2.马达力矩平衡方程 气、，一，粤十凡aha十兀ar(4一19) 式中，马达的理论扭矩表达式中含有变量气和变量p，同样为非线性量， 采用之前所述的增量线性化方法，对式4一18进行线性化并拉式变化后有 气气。p(s)+气几am(s)=Js气(s)+凡气(s)+TL(s)(4一20) 式中:P0—某工作点压力。 由式4一18和式4一20可以得到变量泵一变量马达系统框图如图4一2所示:中南大学硕 士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 轨 aha(s) 。。.气 ___气气J.，尸— JJJ 戊 戊 戊 ，y 公4? 兀(s) l Js+凡 气(s) 凡二咋一一气气 a，(s) --.一刁卜 气偏 图4一1变量泵一变量马达拉制系统框图 4.1.3主要性能参数分析 1.影响盾构刀盘驱动液压系统的快速性与稳定性的指标主要是气。在盾构刀 盘掘进过程中，当没有负载弹簧时，液压固有频率是有负载惯量和液压弹簧相互 作用而造成的。这个参数很重要，它常常是系统中最低的频率，其大小就决定了 系统的响应速度。在影响气的因素中，J是由盾构刀盘本身的设计以及负载所 决定的，本身改变的余地不大;影响几的因素有很多，其中混入油中的空气对八 值的影响特别严重，提高工作压力对提高几值有利。此外，为了不致使几过分 降低，采用各种措施减少空气混入也是非常必要的。此外，八值与管路取胶管 还是钢管关系很大，同样压力条件下钢管八值约为胶管的3倍，从快速性考虑 取钢管为好;气的变化取决于泵、马达高压端容积，泵为大排量时气取大值。 从传动效率要求考虑，液压管路希望用大内径，但会引起气的增大。此外，对于 盾构来说，液压系统的泵站一般都设置在后配套台车上，与马达的距离较远，使 得之间的连接管道较长，使得K较大。同样的，蓄能器的引入也会显著提高系统 的K，使得系统的反应变慢，稳定时间变长;对于马达的排量凡，它的增加一 方面直接使固有频率气增加，另一方又使得K增加而间接使得气增加。总之， 影响气的诸因素都会降低系统的固有频率，要特别分析变量泵大排量与变量马达 小排量组合式系统为最小固有频率是的性能，以及系统配置蓄能器时如何提高系 统固有频率的问题。 2.‘主要有系统泄漏C和摩擦阻尼系数凡两部分组成，从动态性能考虑影 响稳定性，从静态性能考虑影响传动效率。在系统发生冲击时，杏的存在可以损 耗一部分冲击能，对于系统泄漏C来说，在系统冲击过程中系统的泄漏可以带 走一部分冲击能，而摩擦阻尼系数凡则表现为将冲击能转化为热能。这在一定 程度上体现了系统对于冲击的适应性，但是从整个系统的传动效率来看，这种减 小冲击的效应是不利的，其后来所带来的发热影响与能量损耗对于系统本身的性 能影响是非常明显的，这也是液压系统本身效率较之于电机低下的主要原因。泵中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 控马达系统是一个欠阻尼系统，杏一般为0.05一0.2，为了提高系统稳定性并保持 高效率，不能从增加q和凡入手，只能通过增加蓄能器等方法来解决。 4.2液压冲击现象的物理过程与峰值计算 盾构刀盘掘进过程中，外部负载会出现急剧的变化，此时系统内部的油液 不再处于恒定流动状态，而处于非恒定流动状态，同时其压力也会出现突然升 高即液压冲击现象。 从系统管道内部来看，当管道一端的流速或压力骤变时，管内液体中产生 急剧交替的压力升降的阻尼波动过程称为液压冲击现象。液压冲击现象是管道 中的非恒定流动，是流动参数阶跃变化时的过渡过程，是管道的一种动态性质。 184] 4.2.1液压管道中液压冲击现象的物理过程 当刀盘在掘进过程中负载突然增大，刀盘速度会出现瞬时降低，严重时刀 盘会发生突然卡死的情况。此时，管道中的油液的流动由于马达的停转而突然 停止时，在管道的末端将产生一个很大的压力瞬变，由此压力瞬变而产生的压 力升高值有时比正常压力高好几倍，此时的液压冲击现象，在流体力学里面也 称为水锤现象。这种液压冲击使系统的瞬时压力远高出正常工作压力，这样常 使密封装置、管道或其它液压元件损坏，引起系统振动和噪声。 }}}}} 11111 图4一3压力冲击示意图 如图4一3所示，油液在压力管道中流动，在某一瞬间，刀盘突然卡死，马达 停转，相当于在马达入口处有一个闸门迅速关闭。则紧靠马达入口的一段油液 首先停止运动，从一层油液开始，管子中的油液将一段一段地逐渐停止运动。 在各段油液依次停止流动的同时，液体的动能转化为压力能，致使己停止流动 的液体中产生压力升高现象I8’]。压力升高波或称第一波以很高速度a由马达入 口处向管道的入口端方向传播，液体及管道将随着压力波的传递而产生弹性变 形。如管道和其中的液体都认为是均质的，则管道内的压力波的传播速度a为常中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 数。当接近管道入口端最后一段液体停止流动时，马达入口处压力达到最大值。 此时管道中全部液体均被压缩。但是因为在此瞬间入口端的压力小于阀门处的 压力，因而液体转而向入口端方向流动，管道中压力开始降低，压力衰减波逐 段向马达入口处传递称为第二波。 在马达入口处压力小于管道入口处压力时，油液又开始向马达入口处流动 并发生冲击。假使在整个过程中没有能量损失，则重新产生的冲击波将完全重 复上述过程而永久继续下去。而实际上由于泄漏与管路损失，冲击波将逐渐衰 减而最后消失。 4.2.2液压冲击最大压力升高值的计算 当液压冲击波第一波刚结束时阀门处压力达最大值，如图4一3所示，对这段 油液运用动量定理，可得 如月t=户voAI(4一21) A__户vol‘赞声‘— t (4一22) 式中:如—管中压力升高值; A—管道的流通面积; p—管中油液的密度; v0—管中油液的起始流速; Z—管道长度; t—第一波从产生到结束的时间。 由冲击波的速度a二l/t，可得 如二户玛a(4一23) 当刀盘不是突然卡死，而是骤然使流速从v0降至衬，则其压力冲击最大升 高值为 如二Pa(v0一v’)(4一24) 液压冲击根据刀盘卡死的快慢不同而有所差异， 冲击波从起点开始再反射到起点上的时间为T，则有 T二里 设阀门的关闭时间为兀， (4一25) 如果刀盘卡死的时间T0T，这时马达开始停转时产生的液压冲击压力降低中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 波反射回马达入口处时将与马达入口处后来完全停转时产生的压力升高波部分 抵消，故劫将低于式4一23或4一24的结果。这种液压冲击一般称为非完全冲击， 此时，如可以近似计算如下: .、T匀，二Pa(v0一v’少万 1o (4一26) 由式4一23、4一24和4一26可知，只要能算出冲击波传播速度a的值，则液压 冲击压力升高值即可求出。 4.2.3液压冲击波的传播速度 如图4一4所示，管道长度为l=at，液体容积为K=Aat。设在t时间内，管 中液体由于产生液压冲击第一波其压力增加了如，该管道则因变形而容积增大 了?代=胡I，而管道内的液体体积压缩了?K=K如/八，此处几为油液的体积 弹性模量。 由于管道容积扩大及其中油液体积缩小，结果空出一个空间，于是在t时间 内有体积v0At的液体补入这一空间，其体积应为管道加大了的容积即液体缩小 了的容积之和，即 v0At=?K+?K(4一27) ?K =----二二+?叱剑l如叱‘胡如、一=—一十一一二al—+一l AtAt几At戈A八夕 (4一28) 如图4一3所示，取紧靠马达入口处的长度为dl=口故，容积为dV二Aadt的 一段管道。设在时间dt内，此段管道中的液体由于产生液压冲击第一波，其压 力增加了如，该管道受幼的作用，其容积增大了成泛通，此管道内油液的体积 压缩了?v=声匀，v，此处刀为油液的压缩率。 A+汉咬 ///////， ， PPP0+APPP ‘‘ /////// 图4一4管道受力模型 由于管道容积增大和液体体积的压缩结果将空出部分空间，于是，在时间 dt内，有体积为v0Adt的液体补入这一空间，空出的空间与补入的体积应当相 等，从而可得中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特 性分析 dl赵_‘vr创_.、v0=下一丁+户癸尸，厂丁=aI一丁十户今尸I atAAar、A/ (4一29) dl一dt 一一 “式电 如 尸只夕=代万~。 Pe 根据材料力学薄壁筒的应力公式可知: dAZ汀犷沙，dr，aD如 —=----二.-=‘—=‘—=— A汀衬rE占E (4一30) 式中 将式4一30 。—管壁材料中由于如的压力而附加的应力; D—管道的内径; 占—管壁的壁厚; E—管壁材料的弹性系数。 代入式4一29，可得 ‘，DI、‘lv0=俐切L不下十二二)=a之切下万- o乙人人e (4一31) 式中:K—液体的体积弹性系数; 戈—管道系统的体积弹性模量。 由式4一23和式4一31联立，可得 a，二生_PD 占刃 州p l+丝占E (4一32)一J.,一,配1 曰.工,l 。=-亚亚一一膘(4一33) 在液压系统中，通常户 ==ssokg/m，，a=590一127om/s，把式4一33代入式 4一24和4一26，即可得到计算液压系统中的液压冲击最大压力升高值的实用公式 如下: 当刀盘瞬时卡死时，即兀T，有中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的 数学模型与动态特性分析 A__12.1(v0一v‘)T 甲=下雾万(4一35) 参照盾构施工中较为极端的卡死情况， 占=7mm， K==l.67xlo，Pa，E二2.lxlo，’Pa， 取v0二6m/:，v’二o，D=40mm， 可得到此时的压力升高值为 如=12.lx6“ 7.1初咒 可以看到，在盾构掘进过程中，当发生卡死时，管内油液本身动能转化为 压力能，使得系统压力会迅速升高。考虑到液压泵无法在第一时间内切断流量， 实际上压力升高峰值会更高。 4.3盾构刀盘驱动液压系统中蓄能器与数学模型 当系统压力随外负载波动而变化，为了使系统工作平稳，液压元件寿命与可 靠性得到提高，应对系统的波动和冲击压力进行滤波，蓄能器的配置即按这一要 求考虑[，:。 4.3.1吸收压力脉动的蓄能器 不考虑比例换向阀，假设蓄能器直接与主油路相连，细长管为层流。如图 4一5所示，蓄能器中气体压力、容积、流量分别为Po，气，Qa，稳态值为Pl，K， 0;蓄能器进油管内径、长度和截面积为d，l，a;主管路中压力、流量p，Q， 稳态值为Pl，g，负载流量为级。 (l)蓄能器管道内力平衡 图4一5蓄能器系统图 l P一 a dQa. —宁RQa二P一Pa(4一36)中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数 学模型与动态特性分析 式中:，一瓷~隐 P—油液容重; 产—粘度。 (2)蓄能器连续方程 以气体作为研究对象，由气体方程有 n_d屹兄舀-一一下尸 口了 (4一37) PIK产=Pa屹尸 Qa=二鱼=兰 rPldt凡 =G 粤?几:粤al口t (4一38) (4一39) 式中:r—绝热指数，绝热过程为1.4，等温过程取 Ea=r?Pl—气体容积弹性模数; 几—气体压缩系数。 (3)蓄能器内气体压力振动方程式 由式4一36和式4一37拉氏变换可得 1l +兰:+l气 (4一40) 一，‘ 份‘一2 Pa(s) P(s)丝三匕:，+尺几K:+l a 式中 、?赢? ;一鲁厚 一漂—蓄能器固有频率; —蓄能器相对阻尼系数。 (4)负载流量级 假设负载为薄壁节流模型，则级=K扣，K为常数。稳态时，Qa二0， G。一g一K石。对级微分有 。(s)一具，(s)乙Pl(4一l) (5)主管路系统连续方程 Q一Qa+级+，。粤ar —油液压缩系数; (4一2) 1一戊一一式中:刀 V—主管路的体积。 将式4一39与式4一41代入拉式变换后的式4一2，有中南大学硕士学位论文第四章盾构 刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 。，_、。，，_n，_、.9。，_、.。。n，_、甘气百)=产几犷l占几气占)一二一厂气J)十P犷厂L 占) 乙Pl (4一43) 考虑到刀口几且V口K，与蓄能器相比，管内流体因压力变化引起的体积 变化忽略不计，则有 。，_、。，，_。，_、.9。，_、甘气百)=尸自犷IJ工舀火J)个二一~厂L百少 乙Pl (4一44) 由式4一44可以看出，主管路中流量变化是由于管路中压力与蓄能器压力变 化所引起的。 (6)主管路传递函数 联立式4一40和式4一44，消去Pa(s)，有 G(s)=P(s)/君 Q(s)/g s，+2久s+叱， {2、+哎):十二2又叱/(4一45) 、、_、gr_____，‘，.L二。工、甲:哄=下不丁，—尔习‘，黝」」一乙吧从匕午马。 乙价 G(s)表示系统压力脉动与流量脉动(脉动为相对变化值)之比。 其幅频特征为 !G(j。)} 厂厂_。2、 、 111一示 示 叽叽 叽/山口 口 {{{，， ，，，，，， 2222222222222枷、气 气111_可 _______ (4一46) -一，‘ 门lllesee 其动态特性分析: (l)盾构驱动液压系统中的蓄能器有两种典型工况:绝热和等温。绝热为 动态工况，用于消除压力脉动，其模型须能反映流量脉动。等温过程为静态，用 于调节盈虚，流量为静态但仍有压力脉动。对于系统在稳态工作下，系统的压力 缓慢变化下，蓄能器的工作状态为等温过程。而在剧烈的负载冲击下，由于其作 用时间较短，可以视为是绝热过程。 (2)由式4一42表明:系统压力变化引起的蓄能器流量变化远大于系统自身 流量变化，对于流量祸合系统来说，系统动态性能很大程度上取决于流量特性。 要提高系统快速性，需要泵流量能迅速变化并到达执行元件，驱动负载动作。然 而，由于蓄能器的引入，当泵流量变化引起压力变化或者负载变化引起压力变化 时，泵流量旁流入蓄能器而不能到达执行元件，从而降低系统的快速性。这是流中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 量祸合系统引入蓄能器的弊端。 (3)由式4一46表明，当。=气时，压力脉动最小，蓄能器滤波能力最强。 ._，_、.4乙ZRaZ}行(J叼}_;。=.一=二__是石二而石 ’一2‘+兰尤级+‘巧1+尝孕一 然Rg (4一7) 因此，使蓄能器固有频率与系统中待吸收压力脉动的频率相一致，就可以稳 定系统压力。由于随机负载为连续频谱，因此取一组不同频率的蓄能器组合就能 很好地吸收波动压力，或者取一个蓄能器的固有频率配置在随机负载的中心频率 处。 对流量祸合系统，蓄能器固有频率应高于液压控制系统频率，进行液压固有 频率计算时，系统的液体压缩系数和容积不考虑蓄能器的影响。这样当系统在负 载下工作就可以保证:对静态负载和频率处于液压系统频带之内的动态负载可以 通过液压系统自适应控制来调节，而蓄能器吸收系统频带之外的高频振动分量。 (4)蓄能器吸收特性与其连接管道液阻的关系如式4一47所示，连接管道的 液阻R越小，则吸收能力越强。 (5)改变蓄能器的容积K时，并不改变其幅频特性最小值，如式4一47所示， 但其“改“固有”率、一漂，从而改“了吸收””。因此配置一组不同“积的蓄能器，就可以将一定频率范围内的动态负载压力有效吸收。但是这种多 组布置会加大系统的成本和系统的体积，所以，当使用比例换向阀在蓄能器的 出口，可以通过改变比例换向阀的开口大小影响管道的直径a，以此来调节蓄能 器的固有频率。 4.3.2吸收压力冲击的蓄能器模型 当盾构刀盘发生突然卡死时，假定液流的动能乓全部变为势能凡，使得蓄 能器受压缩，对其做压缩功，即数值上乓=凡，在刀盘卡死之前，马达前管路 中液流具有的动能可表示为 。一告p‘lv’(4一48) 式中:p—油液的密度; A—管道的流通面积; l—管道的长度; v—阀关闭前液流的速度。 若蓄能器气体被压缩过程按绝热过程计算，则 PFr二G(4一49)中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 凡一C“州F(4一50) 式中:“一”—表示对气体做压缩功; 珠—阀关闭前蓄能器的容积; 蠕。—蓄能器吸收液压冲击后气体的体积。 由气体状态方程4一49，可得 几嵘=p~嵘。=G 式中:几—阀关闭前蓄能器气体的压力; Pmax—蓄能器吸收液压冲击后气体的压力; r—绝热指数，r=1.4。 由此可得 (4一51) E。一沙，d。一介典口。一介粤华口。洲加毋扁厂‘刃而厂’ 一。;=、„(、)宁一{ (4一52) 由于乓=凡，因此 粤，，IvZ一、:介票一必{{、)宁一，)乙‘’犷卜‘L又几/」(4一53) 整理式4一53可得 尸一l 普=}1十气窦竺}丁(4一54) 式4一54表示了当系统处于某一工作状态时，突然关闭了阀门而引起的压力 冲击的最高压力和蓄能器的气体容积之间的关系。如果将式4一54中的几、气分 别以蓄能器的充气压力Pl和蓄能器容积K代替，而Pmax以最大容许的冲击压力 代替，经整理就可以得出蓄能器容积计算公式为 K二(r一l)户Alv， rrr一lll rrrPm二、下 下lll—l一 iii 又又尸脚 /// (4一55) 4.4本章小结 本章在上文所提出的液压系统的原理上，对系统进行了必要的简化，以流体中南大学硕士学位论文第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析 力学为基础建立了系统的数学模型，从系统的性能和参数对系统进行了相应的分 析与研究。从理论的角度对系统进行了深入的分析，并为仿真模型的建立以及仿 真奠定了基础，具体研究内容如下: (l)对系统的两种工作状态分别进行了建模，得到了变量泵控定量马达与 变量泵控变量马达两种情况的数学模型，对系对影响系统稳定性和快速性的相关 参数进行了分析; (2)对系统发生压力冲击的物理现象进行了分析，并建立了求解压力最大 升高值以及压力波传递速度的数学模型; (3)对于通过蓄能器提高系统压力适应性的方法进行了数学建模分析，分 析了蓄能器在压力脉动以及压力冲击过程中的动态特性以及参数影响。中南大学硕士学位论文第五章基于AMESlin的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 第五章基于AMESim的盾构刀盘回转驱动液压系统 仿真研究 通过前文中对盾构刀盘驱动液压系统的原理设计以及数学建模，结合盾构施 工的实际工况条件，在AMESim仿真平台中建立系统的液压与控制模型，对系统 的动态特性以及压力适应性进行了仿真，并将仿真结果与前文进行了对比。 5.1AMESim图形化仿真软件简介 AMESim(AdvancedModelingEnviromentforSimulationofengineering systems)是法国IMAG刀，E公司 1995年推出的基于键合图的液压机械系统建模、 仿真及动力学分析软件。经过不断的完善与接口扩展，至今己升级到LMss.O版 本，其为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较完善的综合仿真环境 及灵活的解决方案。AMESim为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用己有 模型和建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际原型，采用易于识别的 标准150图标和简单直观的多端口框图，方便用户建立复杂系统及用户所需的特 定应用实例，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真 结果，界面比较友好、操作方便。其主要特性如下[8s一87]: (l)多学科的建模仿真平台 AMESim在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模与仿真:机 械、液压、热、电和磁等物理领域。不同领域模块之间直接的物理连接方式使得 AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。 (2)图形化物理建模方式 A州田Sim定位在工程技术人员使用，建模的语言是工程技术语言，仿真模型 的建立、扩充或改变都是通过图形界面(GUI)来进行的，使用者不用编制任何 程序代码。这使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来而专注于物理系统本身 的设计。 (3)基本元素的理念 AMESIM基本元素的理念，即从物理系统中提取出构成工程系统的最小要 素，使用户可以用尽可能少的要素，建立尽可能详细地反映工程系统、零部件功 能的复杂模型。 (4)四个层次的建模方式中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 AMESim保留了四个层次的建模方式，即数学方程级、方块图级、基本元素 级和元件级。用户可以选择适合自己的建模方式，或者综合使用多种方式。 (5)鲁棒性极强的智能求解器 AMEsim的智能求解器，能够根据所建模型的数学特性自动选择最佳的积分 算法，并根据在不同仿真时刻的系统特点，动态地切换积分算法、调整积分步长， 以缩短仿真时间、提高仿真精度。显性微分方程组和隐性微分方程组均可求解， 内嵌式自动的数学不连续性处理工具，解决了数字仿真杀手—间断点问题。 (6)强大的二次开发能力 AMESim系列产品中的AMESET，为工程师提供标准化、规范化及图形化二 次开发平台。工程师不仅可以直接调用AMESIM所有模型的源代码，还可以把自 己的C、FORTRAN代码模型以图形化模块的方式，综合汇入AMESIM软件包。 AMESET可以将工程师在AMESIM上建立的模型，生成标准化的C、FORTRAN 代码，并生成相应的标准的说明文档。 (7)齐全的分析工具 AMESim提供了齐全的分析工具，方便用户分析、优化自己的系统，这些分 析工具包括线性化分析工具(系统特征值的求解、Bede图加ichols图加yqulst图和 根轨迹分析)、模态分析工具、频谱分析工具(快速傅里叶转换FFT、阶次分析Order Analysis和频谱图spectralmaps)以及模型简化工具 (Activitylndex);三维可视化功 能 (AMAnimatinn)，使A州[ES砚能够将平面机构库建立的模型，自动转换为三维 可视模型，用户可以在 AMAnimatinn中清晰地看到所设计的机构的动作情况; 内嵌的设计分析功能模块，可以帮助用户直接在A侧 [EsIM中进行试验分析 (DOE)、优化分析和质量分析(蒙特卡洛)。 (8)多种仿真运行模式 AMESim具有多种仿真运行模式，包括动态仿真模式、稳态仿真模式、间断 连续仿真模式以及批处理仿真模式。 5.2系统仿真模型的建立与参数设置 对于盾构刀盘驱动液压系统的仿真建模，除了液压系统本身的建模以外，还 包括刀盘负载建模、控制信号建模以及控制器建模。由于AMES加软件平台元件 库里具有大量的图形化标准液压元件，并且其液压元件设计HCD(Hydraulic componentDesign)对实际液压元件内部几何与物理参数要求较高，较多参数无法 获取，所以在建模过程中尽可能地使用了标准元件来建模，忽略了管道对系统的 影响。刀盘和负载的建模，则采用了等效的回转负载模型。液压系统的控制部分 则采用信号与控制元件库的元件搭建。最终得到刀盘驱动液压系统的仿真模型如中南大学硕士学位论文第五章基于A州 [Esim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 图5一1所示: 在实际建模过程中，对于变量泵和变量马达来说，没有考虑其实际的电控变 量结构，即并没有从泵或者马达本身的物理结构和变量阀设置来建模的，而使用 了信号与控制库中的信号与控制元件搭建相应的变量模块来实现实际泵或者马 达的变量过程。这样的实际意义在于可以避免设置泵或者马达一些本身的结构物 理参数，比如实际变量泵中的比例阀的通径、弹簧刚度、阀芯质量等一些参数是 很难通过生产商的样本获得的。在这里，通过控制模块5来代替泵内集成的变量 阀和变量缸，当然，也包括实际的液压系统中的控制器的一部分功能。采用了阻 尼孔4来代替泵和马达本身的内外泄漏量。在马达的变量模块中一个支路设置分 段信号源和比较器，用以模拟马达的排量差异的影响。 苗叁翻 ....一，.-..一..-..-~-一..-一.-一， --- „„_应凡 〕 〕〕〕〕〕〕 乙乙、」」 哗哗哗哗哗哗哗哗哗哗哗 哗哗红 红 二二髓 髓髓髓髓 髓 髓 穿 穿穿穿穿穿穿穿 穿 穿 诬 诬诬诬诬诬诬诬 诬 诬 必 必 必必必必必必必必必必室室室室室室室室室室室 室室室室室}}}眨夕‘‘书竺 竺 竺竺竺竺竺目目目目目 1.油箱2.电机3.变量泵4.阻尼孔5.变量泵排量控制模块6.溢流阀7.电液换向阀 8.比例换向阀9.蓄能器10.比例换向阀控制模块11.压力传感器12.变量马达 13.变量马达排量控制模块14.驱动轴承与减速器总成15模拟负载16.负载控制模块 图5一1盾构刀盘驱动液压系统仿真模型 盾构掘进过程中刀盘切削是一种非平稳的随机过程，其负载可以分解为与工 作模式相应的稳定项和与盾构本身无关而与盾构掘进的对象(岩土)相关的均值中南大学硕士学位论文第五章基于AMES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 为零的随机项。对系统影响较大的为稳态项，其次为随机项中的低频分量。对于 随机项低频载荷的分量，液压系统由于油液刚度大，其本质稳定的特性接近于机 械传动，很难产生理想的吸收过滤。这种负载的波动是产生系统动态性能降低的 重要原因，通过前面的分析来看，依靠系统本身的功率耗散来减小负载的冲击是 没有实际意义的。但是利用液压蓄能器来过滤吸收随机振动载荷，则有可能在不 耗散能量的条件下抑制系统的压力波动。 由第三章所述刀盘驱动结构图，马达的输出经过了减速器减速之后与驱动轴 承之间形成二次减速，在模型的建立中，将马达到减速器与减速器到驱动轴承之 间的减速比统一到与马达相连的减速器元件中，用回转连接元件代替回转轴承。 以回转负载元件代替刀盘，并且考虑刀盘的转动惯量。以回转摩擦副元件来作为 外负载生成器，利用分段线性信号源与谐波信号源的信号叠加，构建盾构刀盘的 切削负载。其中分段线性信号源，作为系统的稳态项输入。谐波信号源，由0.IHz 到ZHz六组不同频率、幅值和相位角的正弦信号组成，作为系统的随机项输入。 而信号增益k则用来调节谐波信号的幅值。对于稳态项输入为0.4，谐波信号增 益0.2，图5一2则为经过两个信号源叠加而成的动态负载信号作用下的负载扭矩， 其值以IO56kNm为中心进行剧烈振荡。 X:Th”卜1 图5一2动态负载扭矩 在构建的动态负载扭矩作用下，系统的压力响应如图5一3所示。对比图5一2， 系统的压力曲线在系统阻尼的影响下较负载趋势来说平缓，但是基本跟随了负载 的跳变趋势。由图5一3可以看出，即使是在负载的稳态输入值在正常工作范围之 内的，但是由于随机载荷的出现导致系统出现了不同程度的冲击，部分时刻甚至 出现较大峰值导致系统发生溢流。对于系统的泵和马达的变量机构来说，其流量 的调节速度相对于负载的随机动态变化是有滞缓的，这就导致了系统本身对于负 载的动态变化是无法实时准确响应的，只能跟随负载的平稳趋势项。这就导致， 在实际的过程中，负载的动态变化表现为压力的剧烈变化。对于这种动态变化，中南大学硕 士学位论文第五章基于AMESim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 就需要通过蓄能器来加以消除。 以盾构实际施工参数为依据，利用AMESim的参数设置单元对所建模型参 数进行设置如表5一1所示: ____玉一五_可_‘~„_八n一矛丽 厂知知 溯200 810 X:T如els】 图5一3动态负载下系统压力响应图 表5一1液压系统仿真模型部分参数 模型参数设定值 转动负载 制动器 减速机 马达 蓄能器 溢流阀 电机 转动惯量 粘性阻尼系数 最大动摩擦扭矩 马达减速机减速比 减速机与驱动轴承减速比 总减速比 排量 最大转速 充气压力 容积 排量 额定转速 设定压力 额定转速 100000kg?mZ 1000Nm/r/min 2650kN?m 94.71 7.93 751 200m价 4600r/min 25MPa 160L 355ml/r 1500r/min 32MPa 1500r/min 5.3实际负载下盾构刀盘回转驱动液压系统仿真对比 为了与实际盾构刀盘驱动液压系统在施工中的应用效果进行对比，基于原有 液压系统中一组系统的实际组成和参数，在AMESim中构建了其典型闭式回路 如图5一4所示。 同时在AMEsim中对系统负载进行重新建模，如图5一5所示，通过ASCll 文件数据信号元件1将实际的盾构切削扭矩数据转入AMESlin，同时通过扭矩信 号转换元件2转换为扭矩值施加到刀盘之上。这样，就可以基于实际工况下，对中南大学硕士学位论文第五章基于AMESim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 比两种系统对于刀盘冲击适应性的仿真结果。 中中 中足足 ，，~.， ， ， ....... 1111111 二二皆 皆 皆智智 智智智 图5一4原有盾构刀盘回转驱动液压系统仿真模型 1.ASCll文件数据信号元件2.扭矩信号转换元件 图5一5重建负载模型示意图 在引入实际施工扭矩后，分别对两种系统进行仿真。新系统中蓄能器的充气 压力为185bar，设置其开口度分别为25%、50%、75%和100%四种情况，得到 仿真结果如图5一6和5一7所示。 如图5一6所示，为原有盾构刀盘驱动液压系统模型在引入盾构实际切削扭矩 时的系统压力曲线。可以看到，由于实际盾构切削扭矩的变化较为剧烈，所以系 统压力的变化较为剧烈，变化范围有15MPa大小，伴随有较为明显的冲击现象。 而在新系统中由于使用了比例换向阀控蓄能器，使蓄能器的开口度在25%、50%、 75%和100%四种情况下进行仿真，得到如图5一7所示系统工作压力曲线。可以 看到，蓄能器的引入使得系统在实际切削过程中的压力波动出现了显著下降，系 统的工作压力变化范围缩小，大多集中在2小25MPa范围内。通过四幅图的对比 可以看到，在蓄能器的大开口情况下，由于蓄能器的交换流量较大并且频繁，在中南大学硕士学位论文第五章基于AMES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 1035和1115附近出现了由于蓄能器动态效应而产生的压力骤降。而蓄能器处于 中小开口度时系统的工作压力更为平缓，对压力冲击的控制效果也更好。 期勤 !{}汽一{刁刃书夕--一‘一咨食六冬l,一甲、,,同j,,犷一犷。，.，丫.,一,日U甘,一渊一缈,‘.，一‘， 1团 】田 20犯印田1印1加 1401601印 只:T访曰l:1 图5一6实际工作负载下原有液压系统工作压力曲线 认认爪心缺今 --- „„一、一_!_一 一 ta】X:了卜.ltl (a)开口度25%(b)开口度50%(e)开口度75%(d)开口度100% 图5一7实际工作负载下新系统在蓄能器不同开度下系统工作压力 通过对两种刀盘回转驱动液压系统的对比可以看到，在盾构掘进过程中，由 于负载的动态波动，以及流量祸合系统的压力负载特性，使得在原有液压系统中 产生了较为剧烈的压力波动，其压力波动范围大，冲击明显。而在新系统中，因 为采用了比例阀控蓄能器，使得盾构刀盘的切削负载冲击得到了有效地控制，其 波动范围大大减小，波动趋势平缓，瞬时冲击明显削弱了。同时，在不同的开口 度下，蓄能器的动态特性也得到了较好的控制，可以使蓄能器在吸收冲击的同时 并减小蓄能器对系统本身的影响。中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 5.4系统动态性能及其压力适应性仿真 通过上节对前后两种刀盘回转驱动液压系统进行了实际工况负载下的比较， 可以看到，新的系统对于系统的压力冲击是有一定的适应性的，本节将对新建系 统的动态特性以及压力适应性进行进一步研究。 5.4.1液压系统动态特性仿真 1.盾构空载运转 产产万 万{一 一„一一 lll:::::::::一‘遥、笼占及.,勺云. 一1、嘴.!布.t，迄tI‘tl，.伟r.‘:,j丘一,,,‘,,一几甘 一;，,，月二一J认，勺刁二.工t，注一,,,,,一n一节飞，咬,lJ，勺二，‘3团J习劫翔佃 一且下气“..改 1田 叨 0 住 Q1.0 X:丁丽ItlX:T加川 图5一8盾构刀盘空转负载压力曲线图5一9盾构刀盘空载转速曲线 将负载信号设置为0.02，模拟系统本身摩擦负载。开启电液换向阀至左位或 者右位。关闭蓄能器所接电液比例换向阀，变量泵全排量运转，此时负载信号代 表刀盘自身运转损耗，模拟盾构刀盘空载转动。由于一般盾构刀盘的总质量都大 于50t，属于大惯性回转体，所以在刀盘由静止到加速启动的过程中，刀盘的惯 性力远大于在回转驱动中的密封摩擦力、轴承摩擦力以及减速器的摩擦力共同作 用。如图5一8所示，此时盾构刀盘有初始一个较大的启动压力，给刀盘一个较大 的角加速度。这种瞬时高压在刀盘发生转动后迅速减小，并在刀盘即将进入平衡 点位置附近趋于平衡，终值在SMPa左右。此时的负载压力用于平衡刀盘回转时 的内部摩擦力。由图中可以看到，在刀盘的空转启动过程中，峰值压力可达到 32MPa，导致溢流阀发生开启。 同样由于刀盘具有较大的惯性，在无外负载干扰的情况下，刀盘转速对于启 动冲击的动态响应较低，刀盘在ls内快速启动至最高转速6.36r/inin，最后在刀 盘内摩擦力的影响下达到稳定。由于变量泵全排量运转，此时马达的排量调节为 最大值的0.25倍。如图5一9所示。此时刀盘自身摩擦损耗的扭矩为60kNm，这 与实际的盾构刀盘的空载损耗大致符合。 2.刀盘转速调节 刀盘驱动液压系统的转速是在}6.36r/jmin之间无级调节的，其调节方式有 两种，一种是刀盘随负载变化而变化，?在小负载时为高速小扭矩状态，在大负载 时为低速大扭矩状态;另外一种是根据具体情况进行手动调节转速，可以通过手中南大学硕士学位论文第五章基于AMESlin的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 动设定变量泵排量来调节刀盘的转速。由前面的第三章分析可以知道，手动调节 是对马达处在最大或者最小排量时对刀盘转速的一种补偿调节。在第一种情况中 假定变量马达随负载的改变线性变化，变量泵排量变化遵循恒压变量泵的排量变 化趋势。通过压力传感器对系统压力进行检测，并将信号分别控制马达和泵的排 量。设置负载在205内从O递增至巧 70kN.m，泵为最大排量不变，如图5一10 为马达的压力特性曲线，图5一11为马达的排量特性曲线。同样的，设置马达为 最大排量不变，得到变量泵的压力和流量曲线如图5一12和图5一13。 :::z产泞 泞 :::分了一 一 一一)井于了一 {{{牙 牙子二一;一 }}} 又又/一;--一’‘’一‘一”一” ::: 一 一 ::: 「「一—— :/--- 一毛5蓄荀,二一盆 X二了奋闷ltlX:T衍口ltl 图5一10变量马达压力特性曲线图5一11变量马达排量特性曲线 一一„一„一 {{{ :::::!，一‘ }}}??--、---，，一扣----，----、一{-，一一州、-一、--一 一 一111‘’一’一{{{ X:下.曰ltl 图5一12变量泵压力特性曲线图5一13变量泵排量特性曲线 如图5一n所示，变量马达的排量随着压力增长而增长，在低压区取最大排 量的0.25倍，在高压区取最大排量。如图5一13所示，变量泵在恒压控制下当压 力没有达到设定值时泵为最大流量输出，在达到设定压力时流量降低以保持压力 恒定，最后降至最低，以维持系统的泄漏量。 111.111 〕〕 5111 丫一惬飞及.弓2. 又:T而卜lX:Ti湘ltl 图5一14刀盘转速跟随负载曲线图5一15泵手动调速信号中南大学硕士学位论文第五章基于AMES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 }}}， ，___;___一______;_一 ____________lll诬蛋 蛋 蛋 ///}}}___二 ______j______.__::::: ...一叫‘..~~~丫 丫 lllll ~~~~~ ~~~J.J‘~~~~「.城 城 1，8 1石 1.4 12呼们一„一‘;一_一，一{一一惬飞叮吕牙,百飞万一石飞任一吕牙1五 X:Ti.民 1O 减:Til.琳 15刁 图5一16低负载下刀盘手动调速曲线图5一17高剧变负载下刀盘手动调速曲线 如图5一14所示，为刀盘在负载变化下的自身调速曲线。在系统运行的第15， 盾构刀盘空载转动，使其转速提升至最高转速。之后在 195内使负载由0增至 1570咖?m，可以看到，刀盘的转速在负载增加的过程中逐渐降低，并且在小负 载时下降较快，在大负载时下降较慢。刀盘转速在运行到165后开始出现迅速下 降为0的情况，对照上面图5一13所示，此时是因为泵的恒压作用使得流量出现 下降为O。 如图5一巧所示为变量泵的排量调节信号。在低负载区间和高负载区间，由 于此时马达处于最小和最大排量，为定量状态，无法满足调速需求了，这时需要 调节变量泵排量来进行调速补偿。如图5一16和如图5一17所示分别为低负载下刀 盘手动调速曲线和高剧变负载下手动调速曲线。对于低负载而言，此时变量马达 处于最小排量，所以变量泵可以在)6.36r/min之间无级调节。而对于高负载而 言，变量马达此时处于全排量状态，在泵全排量的情况下刀盘的速度不足 1.6r/min。所以，当泵在这个时候进行调速时，只能在小1.55r/mln之间无级调节， 由图5一17可见，对于剧烈的负载变化，盾构刀盘的转速也会受其影响在一定范 围内波动，而且在高负载的情况下，盾构排量的变化会使得刀盘的速度出现小幅 的振荡。可以看到，在低负载和高剧变负载下，盾构刀盘的转速变化都能够较好 地跟随变量泵的调速曲线。 3.马达的同步 图5一18马达2信号构建模型 因为盾构刀盘驱动液压系统在工作中，是由多个马达并联而成的，所以很可 能出现马达不同步的现象。在仿真模型中，重新构建马达2的排量信号，如图中南大学硕士学位论文第五章基于A州 [ESlin的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 5一18所示。在马达2的排量信号中添加比较器和分段信号源，在仿真的前55分 段信号源输入为0，在后五分钟分段函数的输入信号为0.1，这样就使得马达2 在后5s比马达1的排量小10%，对系统进行仿真可以得到图5一19。 蟹蟹蟹 蟹 ___一‘„一„一„一„一 一 ,，声,-息.-匕 ’’一’‘”一‘----一‘F于一=一一 一 „ „„一„„ (a)马达1压力(b)马达1流量(c)马达2压力(d)马达2流量 图5一19差异排量下马达压力流量变化曲线 如图5一19所示，在前55中，两个马达的压力流量都一致，从第55开始， 分段信号源开始作用，使马达2的排量只有马达1的90%。此时，马达1和马达 2的压力与流量同时发生变化。可以看到，马达1和马达2在排量出现差异时， 压力都出现了阶跃性升高，两者的流量却发生相反的变化。马达1的流量由 204L/inin升至Z13L/min，而马达2的流量由204L/mln降至191L/min。对于两个 马达之间的压力升高趋势，可以将两个并联马达视为一个整体，当马达2的排量 发生减小时，则两个马达的总排量发生降低，输出扭矩降低。在外负载不变的情 况下，系统的压力则会相应地出现增高。对于两者的流量差异，当马达2排量发 生变化的瞬间，马达2的转速会有相应的升高。而与马达2联接在同一个轴承上 的马达1由于排量不变，在流量不变的情况下，会保持原有速度，这时就会产生 冲突，出现马达2带动马达1的现象。这种趋势会导致马达2的转速降低而马达 1的转速升高，这就导致流量会产生重新分配，即排量大的流量变大，排量小的 流量减小，直至最后两个马达同速。可以看出，实际上输入两个马达的流量总和 是不变的，区别在于每一个马达的流量发生了改变。同样的，两个马达的总排量 降低，会导致刀盘的转速出现提高，如图5一20所示。 如图5一20所示，尽管马达1和马达2的压力都升高了，但是在外负载不变 的情况下，刀盘的输出扭矩依旧保持不变，只在马达2排量发生变化的时刻扭矩 输出因为系统压力的波动而产生了短暂的振荡。而刀盘的转速在第5s时出现提中南大学硕士学位论文第五章基于AMES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 高，由 1.33r/inin阶跃至1.39r/min。从仿真结果看出，即使马达的排量参数出现 差异，系统会对流量进行自动调整，保持两个马达同步。 ...冬一味‘一t一卜十一~一 一眼眼l;李 ::::: {{{{{______…________… … 一一!一丫一;一，，;一{一 一 二二二公品二二沁才一份一一于一，， !!!::::: 一 一一_一{一„一 一 -----一{一 :--- 窄明.、,,P:乙合，勺 一J,二.翻. 帕z:n..[’玉帕LTi.’闰 (a)刀盘驱动扭矩(b)刀盘转速 图5一20差异排量下刀盘扭矩转速变化曲线 5.4.2系统对于压力冲击适应性 1.系统泄漏的影响 在不考虑系统泄漏的情况下，即关闭泵和马达并联的节流口。当启动负载为 1313瓦Nm时，系统压力超过设定界限，马达排量信号调至最大，马达直接进入 最大排量定量状态，由图5一21所示，由于初始启动负载较大，系统高压腔的压 力直接升至32MPa发生溢流，在持续了0.15后转而发生振荡衰减，在振荡至15 时趋于稳定在27.gMPa。 一..一.一万翔下 廷，二乙 1田 叨 0 吐0吐5之。二.目湘日l，l 图5一210泄漏下高压腔压力图5一22系统泄漏下高压腔压力 在实际过程中，泵跟马达的容积效率问题是无法回避的一个问题，尤其是在 盾构液压系统这种高压大流量的系统中，系统泄漏对于系统本身的影响是非常明 显的。这不仅仅体现在对于系统效率的影响，同时还表现了对系统稳定性的影响 上。所以，当仿真环境下考虑马达和泵的容积效率时，将与泵和马达并联的节流 口打开，模拟泵、马达以及系统元件管路整体的内外泄漏，同时重复上一个仿真， 这时可以得到如图5一22所示的系统高压腔压力仿真曲线。由图5一21和图5一22 对比可以看出，在计入系统的泄漏值之后，系统的压力曲线振荡明显减小，压力 幅值衰减加快，在0.45左右迅速趋于平稳。此时系统的总泄漏量为50L，约占系中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 统流量的10%。此时刀盘转速由空载时的6.36r/min降至 1.55r/min。 34D4--一_-一i一__一_一___一}_______________i______________ ){}: 恤恤.衬衬月八峨叭，”，~~奋~，，刀户成陌叭‘山.州”.，毛沪仲冲~ 习补讯, 3D0320 方 冷去一甘~协协，州碑‘电，晌~“即脚从喻认”叮介~ ，、百，1赴节‘，f‘t叮 260280勺刃q1。息.q，己 22D24D ZIJO-f-L D.00 1— 2-..一 3一。- 已20 火:T如e 日优加i礁漏量 10压lm州世漏量 13t]L/mi呻世漏量 一.~一〕一， 0.30 [s】 图5一23不同泄漏量下高压腔压力 当泄漏量持续增大的情况下，由图5一23所示，系统的高压腔的压力衰减加 快，振荡幅值减小，系统的调整时间也逐渐变小。与此同时系统压力出现微小的 降低，在泄漏量为 130L/mln时为27.6MPa。可以看出泄漏虽然无法避免冲击， 也无法减小幅值较大的随机冲击，但是泄漏可以有效抑制系统的压力振荡，使其 迅速趋于平稳。但是，系统泄漏的阻尼作用在提高系统稳定性的同时对于系统的 损耗也是很大的。所以，通过泄漏来减小系统的冲击是不现实同时也是不经济的。 2.比例阀控蓄能器对于压力冲击的适应性 (l)蓄能器对于负载冲击的吸收 对于图5一22所示盾构刀盘驱动液压系统中的启动冲击载荷，通过对比例换 向阀的比例电磁铁施加电信号，使其工作在右位，蓄能器接入高压腔，可得如图 5一24所示蓄能器吸收开启压力冲击曲线，从图中可以看出，在蓄能器的作用下， 当启动负载较大的情况下，系统本身的启动压力冲击得到了有效的抑制，避免了 溢流的产生，而且还使得压力较为平缓地过渡到工作压力。 !!!!， }}} ‘‘洲曰，、、:‘” ” ”///.甲二_二_____._j_______‘‘ ‘ ‘ 一一_一„一„一„一 一„一_一 一X:T涌151图5一24蓄能器吸收开启冲击下系统压力曲线 由图5一25蓄能器吸收开启压力冲击状态曲线分析蓄能器吸收冲击的过程中 可以看出，在系统启动的初始过程中，蓄能器的气体压力从初始25MPa直线升中南大学硕士学位论文第五章基于AMESlin的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 至28名MPa，然后开始降低、振荡、趋于工作压力。与此同时，由图5一25(b) 可以看出，泵初始的流量基本上先进入了蓄能器之中，在蓄能器内气体压力升高 过程中充油，在蓄能器内气体压力下降过程中放油，并处于充油和放油的状态之 间振荡最后趋于0。 入入 ---朔知翔仙。.1to枷枷一五互百,孟己{{{一一一一一一一一““‘/一口”----- X:Tin.lslX:Ti.I.l (a)蓄能器内气体压力变化曲线(b)蓄能器内流量变化曲线 图5一25蓄能器吸收开启压力冲击状态曲线 量二招 压{一丫一于一!一二一„一于- 0246810 x:T加ltl 图5一26蓄能器吸收开启冲击下马达流量曲线 在没有蓄能器接入的情况下，当泵全排量开启时，马达的流量在瞬间出现激 增。此时的外负载较大的话，则马达在外负载的阻碍下无法迅速提高转速，这使 得马达的转速和系统的流量不匹配，则多余的流量会转化为压力势能，提高马达 的输出扭矩，加大马达的加速度，从而使得马达的速度与流量逐渐保持一致。在 系统启动的瞬间就表现为较高的冲击压力并导致溢流阀直接溢流。而在系统高压 腔接入蓄能器后，蓄能器在吸收冲击的过程是将本来应该流入驱动负载的马达的 油液吸收进入了自身容腔，使得马达的加速过程趋于平缓，从而避免了较大的压 力冲击，如图5一26所示。在这里，其实可以认为蓄能器是存在于系统之中的另 一个负载，当驱动外负载的工作压力大于蓄能器的充气压力时，系统会优先选择 驱动较小的负载，即“驱动”蓄能器，这时泵的大部分流量会先流入蓄能器，直 到系统压力达到驱动外负载。 (2)蓄能器充气压力对于冲击的影响 所以这里就涉及到蓄能器的充气压力的问题，通过修改蓄能器的充气压力来中南大学硕士学位论文第五章基于AMES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 做一个比较，如图5一27(a)所示，当蓄能器的充气压力为20MPa时，其远远低 于负载压力，这使得系统压力的初始起点变低，系统在“驱动”蓄能器升压的过 程变长，影响到系统的响应速度。即蓄能器占用了过多的系统功率。而当蓄能器 压力过高时，如图5一27(b)所示，系统首先驱动马达升压到蓄能器的充气压力 值时开始对蓄能器产生作用，这个时候可以看到，蓄能器对系统的冲击是有吸收 效果的，但是蓄能器在波动的过程中会对系统压力产生间歇性的冲击，图中最大 的压力降即为其在吸收冲击后释放流量对系统压力的影响，同时蓄能器对在其充 气压力以下的压力波动无法进行调节。这就使得蓄能器只具备防止过载的功能， 而丧失了稳定压力的功能。 下下 下 下 rrrrrrr一 ---;---一一一 ;;;;; 一一_一{--一一一万一黔一_一 一 (a)蓄能器充气压力20MPa(b)蓄能器充气压力29MPa 图5一27蓄能器不同充气压力下吸收开启冲击的系统压力曲线 (3)比例换向阀开口度对蓄能器的影响 由前面图5一24以及蓄能器的工作原理可以看出，蓄能器可以有效地吸收系 统的冲击，但是蓄能器在吸收冲击的过程中，由于蓄能器本身与系统之间的流量 祸合作用，导致了蓄能器对系统也会产生影响。由第四章的分析可知，蓄能器的 接入使得系统的工作压力腔变大，从而导致了系统的固有频率降低，系统的动态 特性变差，调整时间变长。具体的表现就在于蓄能器会导致在冲击过后出现小范 围的压力调整，持续时间较长。所以，就需要对蓄能器的工作状态进行相应的控 制，尽可能降低蓄能器本身对系统的动态影响。所以，在盾构刀盘驱动液压系统 中采用了电液比例控制技术，以比例换向阀来控制蓄能器的接入方向和实时的工 作状态。在系统启动冲击下，通过比例换向阀调节蓄能器的接入系统的入口大小， 从来改变蓄能器的工作状态，如图5一28所示。 通过改变比例电磁铁的电信号，来调节比例换向阀的开口度，得到在不同开 口度下蓄能器对冲击的吸收状态以及蓄能器对系统的动态影响。如图5一28(a) 所示，在蓄能器开口度为25%时，可以看到，在系统启动的瞬间依然存在着较大 的冲击，并有着瞬时溢流。但是同蓄能器完全关闭时比较，此时冲击的时间明显 缩短，并没有了反复振荡，所以说这时蓄能器对系统冲击的吸收效果是有的，但 是其效果并不完全的。而对比图5一28(。)和5一28(d)就可以看出，此时因为中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 比例换向阀的开度非常大，系统的冲击基本上被消除了，而蓄能器对系统的影响 也可以明显看出来了。而图5一28(b)可以看出，比例换向阀处于40%开口度时， 蓄能器在吸收压力冲击时的效果很好，且其对系统的动态影响较小。 才二一士盆 翻知知动仰 ,勇斌，盆.改 1的 团一{一!一_一„一，一„一 劫知知幼佃切50 ,且,公寻。,d 46 lalX:Ti旧ltl 488 时x:T油lsl 350知翻 150ID020050。 _____!_____!，____„________._ 牙只井二洋井二拼=井== +0了呀弓4lj;丁，4J寸二J弓」0知知初翔佃佃，0 窗ql。，盆。性 468 Iclx:Til”I，l 02 (a)开口度25% 图5一28 (b)开口度40% 问X:T如.lsj (e)开口度75%(d)开口度100% 不同比例阀开口度蓄能器吸收启动冲击压力曲线 知韧翔动彻240勿细 一鱼丫奋肠改 厂厂一;--一:， ::: {{{{{-一返1一 {{{ _____________:._!_.__.____:___.__{{{ 340320翔知知240220翔lll____二 _______ 一一“.卜一乡汇 汇 汇 lll; 福:... :::;:::::~~~~~，一~一尸~~~加.尸r~~~叼~~.户，吮一.，、~甲.~~，飞一叼~~~~~~ 云云一{---.一冬-~一:--.一分~一补.一 ... ， ，:厂澳、--一 一 _!:卜丁丁 丁 {{{i::;;; ’’一舒一{一:一”’一:一’一爪一’一‘ ‘ 知翔知翔劫240却翔 万,夏公舀匕 lll岁 ;__::______iii {{{{{断一___一 ;____ 34D勿翔却幼知初彻 一勇,.，...匕 闷x:Til.I’1 (a)开口度。%(b)开口度25%(e)开口度50ok(d)开口度100% 图5一29瞬时冲击下蓄能器吸收冲击压力曲线 在系统运行到 155时在原有负载的基础上对于系统施加一个800咖。m的瞬 时脉冲扭矩，在实际中表现为刀盘切到较硬的物体等情况出现的瞬时冲击，此时 系统会出现瞬时过载，如图5一29(a)所示，在刀盘出现瞬时冲击下，系统压力中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 会出现一个短暂的升高，直接导致溢流阀发生溢流，并迅速降低，在短时反复振 荡后平稳。如果对这种系统内部的压力冲击如果不加以控制，对系统的损害会较 大，降低液压元件和管路的可靠性。所以，引入蓄能器对其加以吸收。如图5一29 (b)所示，此时因为比例换向阀的开口度较低，因为比例换向阀的节流阻尼作 用，在系统压力剧变时，系统的流量无法充分进入到蓄能器，即蓄能器只能吸收 部分冲击能量。当比例换向阀开口度为50%时，如图5一29(c)所示，此时系统 的压力冲击得到了有效的控制，但是可以比较的是，在比例换向阀开口度增加后， 系统压力的调整时间变长了。比例换向阀开口度为100%时，如图5一29(d)所 示，蓄能器完全接入系统，此时的压力升高值最小，然而其需要较长的时间来调 整才能完全平稳下来。 卞卞仁一一 {{{{{{{ 二二一{一、一„一..一 一 {{{{{一‘一!一一!一’--- 同义T砂n.I*l问沁T血佃l:l :::卜，;:!!!:::卜 ;{{{!!!口 口 Icj火Ti伯l:l阳，KTi储lt] (a)开口度。%(b)开口度25%(e)开口度50%(d)开口度100% 图5一30瞬时负冲击下蓄能器吸收冲击压力曲线 —————一下一一、 ;;; lllllllll _____一 {{{卜„ _____ ??„，一_一{一 ;;;{一;一„„ 它通勺,。一夕芭宝 图5一30刀盘卡死时泵输出流量曲线中南大学硕士学位论文第五章基于A州[ES加的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 在系统运行到155时在原有负载的基础上对于系统施加一个800咖.m的瞬 时负脉冲扭矩，在实际中表现为刀盘切削过程中遇到岩石缝隙而导致切空等情 况，此时由于刀盘失去阻力矩或者阻尼矩降低，会出现一个瞬时加速，而系统的 流量并不会马上增加，对于系统而言会出现一个压力骤降。这种压力的骤降对于 系统本身而言并没有太大的损害，但是在较为严重的情况下，容易产生气穴现象， 影响油液性能，造成后期损害。蓄能器的存在可以保证系统油液的连续性，在压 力发生骤降时向系统补充油液，此时蓄能器充当备用动力源。图5一30为比例换 向阀不同开口下蓄能器在压力负冲击下的压力曲线，可以看到，其变化趋势与受 到正的脉冲冲击类似，即其在吸收冲击能力提高的同时，其调整的时间变长，对 系统的影响变大。 5.4.3系统的节能性研究 由第二章得知，在盾构掘进的过程中，在很多异常情况下，刀盘对工作面的 岩土介质切削破碎情况不理想时，刀盘会出现卡死这样的极端情况，从而对盾构 施工和设备本身造成不利的影响。在系统运行到19.95时，使制动器突然制动， 模拟刀盘突发卡死现象。由于变量泵本身具有压力切断的功能，其排量会在系统 发生冲击的瞬间降低到最小，不考虑系统泄漏，其流量变化如图5一31所示。在 系统出现较大冲击时，可以保证泵的排量迅速降低，使系统供油降至最低。但是， 这可以使冲击带来的影响减小，但不能完全消除冲击。此时压力切断可以避免使 系统出现过多的溢流。 }}}}}一 一!‘一一1一，晌应时间 0.1::::::::::::::::::::::::-一___2一~响应时间0.玉 ____几 几几 \\\}3—晌应时间D.， ， 厂 厂 厂厂这 ~~~_{{{{ 一 一一一一 {________!___}_::: :::::::!{{{{ :::一厂------一i-------一)-------一:-----一’--- 34036D320300 亡.已。寻.。匕 1压5孤Q班5刀0洲.5 X:Til”ts万 图5一32刀盘卡死时溢流阀动态响应压力曲线 在盾构刀盘发生卡死时，实际上会出现较大的扭矩骤升，导致系统压力急剧 升高，并且发生溢流。当蓄能器没有接入系统时，系统压力在升高到溢流阀的开 启压力后，由于泵的流量己经被切断了，此时发生少量的溢流并保持在溢流阀的 开启压力位置。实际上这时的溢流阀的动态性能只是一种理想的情况，在实际的 过程中溢流阀的开启是需要时间的，这就会导致在溢流的初始阶段系统的压力会 超过溢流阀开启压力，如图5一32所示。通过控制溢流阀入口前的节流阀开启时中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 间，来模拟溢流阀的实际开启过程，可以明显的看到，溢流阀自身的动态效应对 系统的影响非常大。由图中可以看到，在节流阀响应时间为0.15时，溢流阀能 够瞬时打开至最大并溢流，所以其仅略微超过溢流阀的开启压力。然而随着节流 阀的开启时间加长，可以看到当响应时间为0.35和0.55时，由于刀盘突然卡死 而出现水击现象时，此时由于一方面泵的流量没有完全降低为O，而溢流阀又没 有及时打开，油液的冲击动能无法完全通过溢流阀溢流出去，所以系统压力出现 明显升高。当溢流阀的响应时间达到0.55时，其冲击峰值为39.6MPa，所以这种 峰值是相当大的，如果不加以防患，对系统的危害非常大。当溢流阀完全打开， 此时一部分流量由溢流阀溢流，系统维持在略低于32MPa左右的状态。 :1—开口度O :2一一开口度巧之 3一一开口度50之 4一开口度IDD之 哥，、‘‘，1内角尧晚赴;习 立多冬一一 多...一...一. 320340380360 一甸q,。Jn““。气 知280 la520‘ 02a5洲O乙 5220 X:T如el:l 图5一33刀盘卡死冲击压力仿真曲线 由此可见，由溢流阀和压力切断对于减小系统的冲击的作用是有一定的局限 性的，其对溢流阀以及泵的流量调节的动态性能要求非常高。随着系统的使用， 当清洁度降低、油液变质等情况出现时，会对阀的动态性能造成很大影响，严重 时甚至会导致阀的卡死，这就会给系统带来很大隐患。所以，蓄能器的引入对于 提高系统的可靠性是有益的。当系统接入蓄能器时，如图5一33所示，可以看出， 在蓄能器的限制下，冲击被迅速吸收，在开口度为25%时就已经对冲击有较好的 吸收了，当比例换向阀的开口度增大，其压力曲线逐渐降低，并最终平衡在 29.2MPa左右。可见蓄能器能够有效地吸收压力冲击，并且能将压力限制在一个 较低的范围。 1一一开口度O! 2—开口度25之一健 3一开口度1团之: 电，赴，今t赴多卜‘奋扮.嘴赴r，‘，-卜‘井;气，.‘扮 代入’ 刘咖 全、l丫:云."肚翔绷期,为斌节葱,盆一盆 \ 一田十 1住0加{O才.D X:丁认他!sl 图5一34刀盘卡死溢流流量曲线中南大学硕士学位论文第五章基于AMESim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 如图5一34所示为刀盘卡死时溢流阀的溢流流量曲线。当刀盘出现卡死情况 时，压力切断功能在压力达到设定值后直接切断泵的流量。此时对应图中开口度 为O的曲线，可以看到，在压力切断阀的作用下，系统的溢流量在15内迅速降 为O，可以有效避免持续性溢流量。溢流量的大小取决于变量泵的排量调节速度， 其具有一定的节能性。然而通过对比，可以看到，在合理采用蓄能器后可以有效 避免系统的溢流损失，并且还可以将刀盘卡死时冲击转化为蓄能器的压力能储存 起来，节能效果更好，且有一定的能量回收作用。 一一’一一’‘一一卿一”’卜)屯屯屯 一一;-~，一家-，一一 一 X:T加间X:】认.闭 图5一35蓄能器能量回收释放工作压力曲线图5一36蓄能器能量回收释放刀盘转速曲线 如图5一35所示为刀盘发生卡死后电液换向阀换向，蓄能器释放冲击能驱动 刀盘反向回转的压力曲线，此时泵排量为维持泄漏的最小值。可以看到，当电液 换向阀换为左位，通过比例换向阀控制蓄能器接入马达右侧入口，由于之前蓄能 器在刀盘卡死情况下储存了部分能量，所以此时处于能量释放状态。从图上可以 看出，在蓄能器的作用下，马达右侧油口工作压力大致从OMPa瞬时升高至 30MPa后回落至28MPa左右，驱动马达回转，如图5一36所示蓄能器释放能量的 情况下刀盘的转速曲线。可以看到，盾构刀盘在加速至2.3r/min时，此时蓄能器 的能量释放完毕，刀盘在负载的驱动下，又重新回到静止状态。对比图5一35，此 时蓄能器本身的保压作用还是可以使系统工作压力保持在一个较高的状态。由此 可见，蓄能器在刀盘卡死时是可以进行一定的能量回收并再利用的。 5.5本章小结 本章在前文基础上，参照盾构实际施工参数，依据盾构刀盘驱动液压系统的 原理在AMESim仿真平台对系统进行了建模与参数设置，通过分别对液压系统 动态特性以及压力冲击适应性进行仿真，具体研究内容如下: 1.简述了AMEsim仿真平台的特点，在AMES加软件中利用其标准元件库 搭建了盾构刀盘回转驱动液压系统，并参照盾构实际施工参数对系统进行了参数 设置。 2.对现有盾构刀盘回转驱动液压系统进行了建模，采用了实际负载扭矩，对中南大学硕士学位论文第五章基于AMEsim的刀盘回转驱动液压系统仿真研究 两种系统进行了仿真对比。仿真结果显示，现有系统在剧烈负载冲击下压力波动 范围大，压力冲击明显，而采用比例阀控蓄能器的驱动系统能更好地控制负载冲 击。 3，从系统的动态特性、压力冲击适应性以及节能特性出发，对新系统进行 了更进一步的仿真研究。得到了系统在空载、调速特性以及同步性方面的特性， 同时通过对系统泄漏量的修改和对比例换向阀的参数设置，来反映了系统本身以 及添加蓄能器后，系统在不同的压力冲击下的适应性。最后在卡死这样的极端工 况下仿真了蓄能器在吸收冲击、避免溢流损失以及回收能量的作用。中南大学硕士学位论文第六章总结与展望 第六章总结与展望 6.1总结 现有的盾构刀盘驱动系统具有大惯性、大功率和变负载的特点，而近来迅速 发展起来的电液控制技术在继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密 结合于一体，成为盾构机驱动方式的发展趋势。本文从盾构机刀盘驱动的实际工 况出发，研究了盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等问题，分析 了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，提出了一种具有更高可靠性和节能性的 盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性及其冲击适应性，主文主要 研究内容如下: 1.分析论述了盾构刀盘的现有驱动方式，通过对较为主流的变频电机驱动 和液压驱动两种方式进行对比发现，尽管在安装尺寸、转速调节和复杂工况的适 应性上液压系统都具有一定的优势，但是其较高的能耗也是无法回避的事实。这 也凸显了盾构刀盘驱动液压系统在未来向着节能化方向发展的趋势。同时，针对 盾构掘进中负载变化剧烈、冲击频繁的情况，以高可靠性作为盾构刀盘液压驱动 系统的另外一个研究方向，以更好地胜任盾构掘进环境复杂，负载差异性较大的 不利工况。 2.分析论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性，盾构刀盘主要刀具 的切削物理现象以及切削力学模型，详细论述了盾构扭矩的构成情况及研究方 法。研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来 的影响。以盾构刀具切削实验和盾构实际现场采集的数据相结合，验证和分析了 盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因，为进一步设计盾构刀盘驱动液 压系统打下基础。 3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘驱动液压系 统的优缺点，提出了现有系统在应对突变负载冲击所表现出来的不足和功率损 失，在盾构的负载环境下提出了驱动液压系统的设计思路，提出了一种基于负载 变化的变量泵一变量马达的容积控制回路，并且采用了比例阀控蓄能器的组合来 控制负载的动态冲击。通过对负载检测来实时调整系统的工作状态，使得系统能 够工作在一个较为平稳的状态下，减小溢流损失和提高系统可靠性。 4.以流体力学为基础构建了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动 态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影 响，从管道和流体的祸合作用上揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算模 型，在蓄能器的数学模型基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性和影响因中南大学硕士学位论文第六章总结与展望 素，为下一步系统仿真中寻求系统的最佳压力冲击适应性打下基础。 5.在己建立的数学模型的理论基础上，结合盾构实际工程参数，利用 AMESim图形化仿真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建的系 统的动态特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。仿真中研究了采用比例阀控 蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统与现有液压系统在实际负载条件下的压力 波动情况对比，仿真结果显示，现有盾构刀盘驱动液压系统在剧烈负载变化下压 力波动范围大、负载冲击明显，而采用比例阀控蓄能器的驱动系统能更好地控制 负载冲击。并且研究了新系统的空载特性、调速特性以及马达的同步性，同时针 对压力冲击中系统泄漏和蓄能器的影响分别进行了仿真研究。仿真结果显示，液 压系统的泄漏可以减小系统的冲击，但是对系统能量损耗较大，而通过比例换向 阀调节蓄能器的接入状态，可以得到更好的冲击吸收效果和系统整体动态效应。 蓄能器在冲击中能够有效吸收冲击、避免溢流以及回收部分冲击能。仿真结果也 与前文建立的系统数学模型的分析结果进行了对比验证。 6.2展望 盾构刀盘驱动液压系统是一个涉及到多学科多领域的较为复杂的研究内容， 具有较为广阔和精深的课题研究领域，在论文的写作过程中时常感觉自身专业知 识的匾乏，也限制了本文的研究深度。加之实验条件和本人个人能力以及精力所 限，所以本文只是在前人的基础上提出了自己的一些观点和想法，并对对进一步 研究工作或者方向提出自己的展望: 1.进一步深化对盾构切削负载的研究。针对盾构复杂掘进环境的负载变化 规律，建立负载随机变化与冲击的统计数学模型，研究负载冲击的规律，研究动 静态载荷的变化趋势，为进一步设计盾构刀盘驱动液压系统提供依据。 2.进一步完善液压系统的设计。针对盾构掘进的负载变化，以及实际盾构 液压系统的长管道效应问题，在节能性和可靠性上进一步进行研究。 3.本文因篇幅有限所以没有深入研究盾构刀盘液压驱动系统的先进控制方 法，可以再进一步的研究中针对提出的液压系统应用更为先进和智能的控制方 法，使得刀盘驱动系统的动态特性和压力冲击适应性有更好的提高。 4.限于硬件关系，对于所提的液压系统相应部分特性无法通过实验严谨科 学地进行论证，这就需要下一步通过试验台的搭建，对系统的动态特性，尤其是 比例阀控蓄能器的工作特性进行进一步的研究。中南大学硕士学位论文参考文献 参考文献 tl〕钱七虎.现代城市地下空间开发利用技术及其发展趋势.铁道建筑技术， 2000(05):l一6 【2]轩辕啸雯.21世纪初中国地下工程概况.施工技术，2002， 3l(l):38一51 〔3〕张庆贺，朱忠隆.21世纪地铁施工技术展望.施工技术， 1999，28(1):9一10 [4〕 RussellL.Bulldingunderground:aneweonceptfortL珑 Lnelinginsoft5011.ports andDredging， 1996，146:15一17 【5〕何川，曾东洋.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响.成都:西南交通大 学出版社，2007 【6]吴学松.盾构技术在创新中发展.建筑机械化，2009(06):22一25 [7」朱伟，陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望(第一讲)—盾构隧道基本原 理及在我国的使用情况.岩土工程界，2001， 4(11):19一21 [8〕J.丫认厄 ng.TunnelingandTeehnologiealpro笋 55inTI以 inelinginChina， TunnelsandUndergroundS枉uctiires，2000 【9]王立奇.盾构隧道工法浅谈.科技创业月刊， 2007(09):195一1% [10]日本土木学会编.朱伟译.隧道标准规范(盾构篇)及解说.北京:中国 建筑工业出版社，2001 【11]刘建航，候学渊.盾构法隧道.北京:中国铁道出版社，1991 [12」张凤翔，朱合华，傅德明.盾构隧道.北京:人民交通出版社，1991 【13〕郭宗彦，韩模宁，郭野，等.隧洞掘进机和盾构机的发展.水力发电， 2007(11):51一53 〔14〕竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.北京:中国科学技术出版社 2006 〔15〕薛备芳.我国盾构掘进机的现状和发展策略.世界隧道，1999(06):26一31 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