新型盾构机刀盘系统设计与性能评估
盾构机刀盘驱动系统动力计算分析
收稿日期——作者简介王得军(—),男,山东济南人,工程师。
盾构机刀盘驱动系统动力计算分析王得军(中铁十四局集团有限公司隧道工程分公司,山东济南 250002)摘要:通过对广州地铁西草区间两台盾构机现场实测刀盘转速、刀盘扭矩数据,结合盾构配置的电机、液压泵、马达、减速箱的铭牌标定参数,计算分析得出制造商配置的减速箱并不能满足招投标时的产品承诺和现场实际需要。
关键词:盾构机;刀盘驱动系统;参数;测试数据;计算;分析中图分类号:U455.3文献标识码:BThe ca lcul a ti on and ana lysis of theSH IELD M AC H INE cutti n gwheel m a i n dr i ver syste mWANG D e -j un(The Tunne l Eng inee ring Co m p a ny O f China R a ilwa y 14th Bu r ea uG r ou p C o r po ra tio n J in a n Sha ndo ng 250002Ch ina)Ab stra ct:A cc o rd ing t o the actual cutting wheel ro tation s peed and t o rque of 2S H IE LD MACH I N E which work in Guangzhou Metro line 5[xi -chao ]interz one,co mpared with the na mep lates of the electromo t o rs,hydraulic pu mp s,hydraulic mo t ors,we calcu latedthatthegearboxes supp lied by the T BM manufactory are not satisfy with the p romises in the tender book and the actual requ ire ment in the job site 1K ey word s:S H IE LD MACH I NE;cutting wheel main d riversyste m;p ara meter;testingdata;calcu lation;analysis1 使用情况及问题的提出2003年11月我单位从维尔特公司购买了两台土压平衡盾构机,经过广州地铁3号线施工了1900m,转场到地铁5号线西草区间施工到1600m 后,两台盾构机刀盘驱动减速箱陆续损坏,后停机将两台盾构机共12个减速箱拆下运到地上进行全面检查发现,这12台行星齿轮减速箱都有不同程度的损坏,损坏部位都集中在行星齿轮的齿圈和滚珠,部分滚珠脱落导致内齿圈打坏。
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究摘要本文主要针对盾构的主要部件刀盘，进行了理论分析和机理的研究，根据不同的地质地表结构所选用的不同刀盘形式以及具体刀具的布置情况，通过实际施工过程中的试验实例进行说明刀具和刀盘设计的重要性，文章指出刀具不是是否合理是直接导致盾构设计成功的关键所在。
关键词盾构机；地质条件；刀具中图分类号p5 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）54-0153-02随着我国地铁隧道工程的快速发展，盾构挖掘隧道与铺设都得到了全面的发展。
盾构在掘进施工过程中对刀具的选择显得尤为重要，刀具选择的成功与否会直接影响到整个工程效益和施工期限。
根据笔者工作经验来看，隧道盾构施工过程中对刀具的选用一定要和当地的水文和地质条件紧密结合起来，针对一些特殊的地质地层，应该合理科学地对刀具做出选择。
所以说，如何才能做到最恰当的选择刀具和最合理地布置刀盘是技术人员必须考虑的问题。
1 刀具的工作原理分析盾构机的掘进切削装置都是由刀盘和刀具两个部分所组成。
盾构机最前方是切削刀盘，刀盘的功能就是切削土体以及对施工地层进行支撑，这样就能确保掘进面上的稳定性。
切削刀具主要功能就是进行切削掘进面上的土，通常情况下刀具都是安装在刀盘的正侧两面，刀具跟随刀盘的转动而转动，这样就实现了对土体的不断切削。
切削刀具最常见的有两种：第一种是刮刀（也有的是固定式齿刀）；第二种是盘形的滚刀。
滚刀是依据切削的运行轨迹和实际间距，具体安装在刀盘中，安装在刀盘上的滚刀要比刀盘面多出来几十公分。
掘进的时候，滚刀第一时间接触到地层，随着刀盘的不停旋转，就会对土体连续切削，由于刀盘受到正侧两个方向的切力压力，因此切力就会被动地进行旋转，从而就实现了对整个土体的挤压松动和切削。
1.1刮削刀具的工作机理由于受到刀盘的推力作用，当刮刀嵌如了岩层或岩渣中之后，刀盘就会带动整个刀具进行转动而不断地刮削前面的岩层，这样就能在在掌面出现一个个犁沟，其主要特点就是刀盘的转动过程中阻力比较大，如果是在一些软土地层或者是在滚刀已经破碎之后的渣土中进行刮刀开挖，渣土就会随着刮刀的正面不断进入到渣槽，所以刮刀不但具有切削的使用功能还同时具有装载的使用功能。
盾构主要参数的计算和确定
盾构主要参数的计算和确定盾构是一种地下隧道开挖机械，主要用于建设地下管道、地铁、隧道等。
盾构机的主要参数包括推进力、推进速度、刀盘直径、刀盘转速、排土能力等。
这些参数的计算和确定对于盾构机的运行和施工效果具有重要的影响。
首先，推进力是盾构机推动刀盘前进的力量。
推进力的确定需要考虑土壤的性质、刀盘直径、刀盘转速等因素。
一般来说，推进力的计算可以基于土壤力学参数和盾构机的特性进行估算。
土壤力学参数可以通过地质勘探和试验获得，而盾构机的特性包括刀盘直径、刀盘转速等，可以通过盾构机的设计参数和相关文献获得。
其次，推进速度是盾构机每单位时间的前进距离，影响了盾构机的工程进度和效率。
推进速度的计算可以通过推进力和阻力之间的平衡关系来实现。
阻力包括土压力、摩擦力、泥浆粘性力等因素。
推进速度的确定需要综合考虑土壤的力学性质、刀盘直径、刀盘转速等因素进行分析和计算。
刀盘直径是盾构机刀盘的直径，直接影响到盾构机的施工能力和效果。
刀盘直径的确定需要综合考虑地下隧道的设计要求、土壤的力学性质、盾构机的推进力等因素进行计算和确定。
一般来说，刀盘直径越大，盾构机的施工能力越强，但也会增加施工的阻力和难度。
刀盘转速是指刀盘转动的速度，直接影响到盾构机的掘进能力和切削效果。
刀盘转速的确定需要综合考虑土壤的硬度、刀盘直径、地下水位等因素。
一般来说，土壤硬度越大，刀盘转速越慢；刀盘直径越大，刀盘转速越大；地下水位越高，刀盘转速越慢。
排土能力是指盾构机排除掉土壤和岩石的能力，也是盾构机施工的重要参数之一、排土能力的计算可以通过刀盘的转速、刀盘的形状、泥浆的流速等因素进行分析和计算。
目前，常用的方法是通过实际施工数据和工程经验进行估算和确定。
综上所述，盾构主要参数的计算和确定需要综合考虑地质条件、土壤力学性质、盾构机的设计参数等因素。
在实际工程中，通常会进行一系列的试验和计算来确定最适合的参数，以提高盾构机的施工效率和质量。
盾构机参数设定
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。
在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。
控制原理土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。
土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。
以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。
主要参数抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。
过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。
比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。
积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E,也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。
为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。
土压平衡式盾构机掘进性能评价方法
ＧＵＯ ｅ ， ＬＩ ｎ， ＷＡＮＧ ｅ ， Ｌ Ｕ ｉｎ ｑｎ Ｗ ｉ Ｎａ Ｌ ｉ Ｉ Ｊａ — ｉ
（ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｆ ｅｈ ｎｓ Ｔ ｅ ｒ ｄＥ ｕｐ ｎ ｓ ｎｏ Ｍｉｉｒ ｆ ｄ ｃｔ ｎ ｉ ｊ ｎｖｒｉ ， Ｋｅ ａ ｏａｏｙｏ Ｍ ｃ ａｉ ｍ ｈｏ ａ ｑ ｉｍｅｔ ｉ ｆ ｎｓ ｙｏ Ｅ ｕ ａｉ ，Ｔａ ｉ Ｕ ｉｅｓｙ ｙ ｎ Ｄｅ ｇ ｔ ｏ ｎｎ ｔ ａｊ ０ ０ ２ ｈｎ ） ｎｉ ３ ０７ ，Ｃ ｉａ ｎ
（ 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室 ，天津 ３ ０ ７ ） ０ ０ ２
摘 要 ：盾 构 机 掘 进 性 能是 盾 构机 设 计 性 能 和施 工 操 作 复 杂 耦 合 作 用 的结 果 ，依 据 盾 构机 掘 进 参 数评 价 其 掘 进 性 能
对盾构机 刀盘 结构设 计和施 工参数 设定具有重要意义．在掘进参数基础上确 定 了影响土压平衡 式盾构机掘进性能的
盾构机械结构设计与优化研究
盾构机械结构设计与优化研究一、引言盾构机是一种用于隧道掘进的机械装备，具有高效、安全、环保等优点，广泛应用于城市地铁、水利工程等领域。
盾构机的机械结构设计与优化是提高盾构机性能和运行效率的关键。
本文将对盾构机械结构设计与优化进行研究，探索如何提高盾构机的工作效率和降低故障率。
二、盾构机的机械结构设计1. 隧道截面形状优化隧道截面形状在盾构机设计中起着重要的作用。
合理的截面形状可以提高掘进效率和施工质量。
通过力学分析和数值模拟，优化盾构机的截面形状，使其在掘进过程中受力均匀，减少振动和能耗。
2. 前导刀盘设计前导刀盘是盾构机中的重要部件，可以引导刀盘在岩石地层中准确掘进。
通过改善刀具结构、优化刀具布置和加强前导刀盘的导向能力，可以提高盾构机的掘进速度和刀具寿命。
3. 主刀盘结构设计主刀盘是盾构机中的关键组成部分，直接影响盾构机的掘进效率和稳定性。
通过合理设计主刀盘的刀具布置、改善刀具材料和结构强度，可以提高盾构机的掘进速度和穿越能力。
4. 履带、机架和传动系统设计盾构机的履带、机架和传动系统是支撑和驱动盾构机运行的重要结构。
通过优化履带的接地面积、增强机架的刚度和改善传动系统的传动效率，可以提高盾构机的行走稳定性和运行效率。
三、盾构机械结构的优化研究1. 结构材料的选择与优化盾构机在掘进过程中承受着复杂的地质力和机械载荷，因此选择合适的结构材料对于提高盾构机的强度和耐久性至关重要。
研究不同材料的力学性能和经济性，选择最佳的结构材料，既能满足盾构机的工作需求，又能降低材料成本。
2. 结构刚度与轻量化设计盾构机在掘进过程中需要面对各种地质条件，因此机械结构的材料选择和刚度设计要兼顾重量和稳定性。
通过采用轻量化结构设计，合理配置结构件的刚度和优化配重方案，提高盾构机的灵敏度和稳定性。
3. 液压系统的优化设计盾构机的液压系统是其关键的动力传动系统之一，直接影响盾构机的掘进速度和稳定性。
通过优化液压系统的控制策略、改进液压元件的布局和提高液压系统的工作效率，可以提高盾构机的掘进速度和刀具寿命。
盾构机刀具磨损监测系统设计与开发
近年来随着国内地下空间开发的快速发展，大型隧道掘进机(盾 构机)得到广泛应用，其中穿山跨河的硬岩TBM和大直径泥水盾 构项目也陆续增多，此类设备多用于开挖围岩完整性较好、岩石硬 度较大的地层，因此带来的一个突出问题就是刀具会快速磨损。
一般来说，盾构刀具尤其是刀具外缘材质为硬质合金，硬质合 金具有较高的强度和硬度，耐磨性好⑴，但材料和工艺等决定其造 价成本较高，需要尽可能物尽其用；施工过程中换刀或检查需要开 仓或者带压进仓，该过程既影响工期又有一定危险性，且代价亦不 菲〔2】；以上决定施工过程中应尽可能减少换刀频次。但是盾构刀盘 刀具整体设计决定每把刀有自己的轨迹，一旦其中一把刀出现类似 崩刃等故障情况，会迅速影响相邻刀具，减少其使用寿命，进而影 响刀盘整体和整个开挖面，最终严重影响施工效率和能源利用率带 来一系列问题，因此当刀具出现故障时需及时更换。综合以上，一 方面希望减少换刀频次，一方面故障时需要及时更换，这就需要对 盾构刀具的磨损程度、磨损类型等情况进行实时检测，从而为是否 需要换刀提供判断依据。
图1:滚刀磨损类型
器采集到的信息进行综合对比分析即可判断大部分滚刀故障。考虑 到刀具处于充满泥水的工作环境，要确保传感器采集数据的有效性、 可靠性，兼顾可快速安装结构设计的前提下，设计非接触式检测方 法，同时不影响信号的采集和传输。设计还需要考虑高压冲击、磨 损、潮湿、腐蚀、高温等不利工况下保证无线发射信号的强度和电 量的使用寿命等问题，需要增加一定的密封和防护。系统整体框架 如图2所示。
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电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering
软件开发与应用 Software Development And Application
土压平衡盾构机刀盘刀具设计的探讨
土压平衡盾构机刀盘刀具设计的探讨0 引言在城市地铁施工建设中，土压平衡盾构是应用最广泛的一种形式。
在盾构机的刀盘布局设计中，刀具类型、布置方法直接影响到刀盘的掘进效果及使用寿命。
从施工方面来讲，合理的刀盘布局设计与整个盾构施工的安全性、经济性和效率密切相关，盾构刀盘刀具的布局研究对盾构施工具有重要的指导意义。
1、盾构刀盘及刀具类型刀盘按结构形式可分为a.辐条式、b.面板式、c.复合式，辐条式适用于软土，面板式适用于硬岩，复合式是介于辐条式和面板式的一种形式，通用性高，复合地质条件适用性强[1]。
本文针对广州地铁4号线南延段盾构施工研究，属复合地层。
复合式刀盘主要由直刮刀、边缘刮刀、单刃滚刀、双刃刮刀组，根据功能需要配合以先行刀、超挖刀、磨损检测刀、保护刀等[2]。
2、盾构刀具磨损计算分析随着盾构法施工在地铁建设中的广泛应用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。
刀具的磨损在盾构掘进过程中不可避免，合理的布局设计需要考虑因磨损引起的使用寿命一致。
参照经验公式，盾构机刀盘外圈刀具的磨损公式①[3]：。
式中：—磨损量，mm；—磨耗系数um/km；D—盾构刀盘外径，m；L—盾构掘进距离，m；—刀盘的转动速度，r/min；—盾构掘进速度，cm/min。
将D=2R代入①式，即得公式②：为保证刀盘能切削整个掘进圆面积范围，盾构机刀盘上刀具的安装，自内向外依次排列，不同半径刀具的行程会有较大差异。
有效做到各刀具的更换周期一致，就需要合理控制刀具的磨损量。
刀具的磨损系数可以参照经验公式[4]③：。
式中：—1条轨迹配置n把刀具的磨损系数；—1条轨迹配置1把刀具的磨损系数。
磨耗系数定义为[5]：刀具每掘进1Km时的磨损量，单位mm。
将③式代入②式，得公式④：。
并且，为了计算刀具的掘进距离，转化为L的函数公式，得到公式⑤：。
在刀具的使用中，当磨损量达到一定值时，即进行更换，这里使用代替，得到许用距离的表达式⑥⑦：、。
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新型盾构机刀盘系统设计与性能评估
一、引言
盾构机作为一种重要的地下工程施工设备，广泛应用于隧道、地铁等各类地下
工程的建设中。
而盾构机的刀盘系统是其核心部件之一，其设计与性能评估对盾构机的工作效率、安全性和稳定性具有重要影响。
本文将针对新型盾构机刀盘系统的设计与性能评估进行详细讨论。
二、新型盾构机刀盘系统设计
1. 结构设计
新型盾构机刀盘系统的结构设计应考虑刀盘主体、刀盘刀片、承载结构等几个
主要部分。
其中，刀盘主体应具有足够的强度和刚度，以承受土层掘进时的加载，并保证系统的稳定性。
刀盘刀片应选择适当的材料和形状，以提高切削效率和刀片的寿命。
承载结构应能够有效地传递切削力和承载土层的外部载荷。
2. 动力与传动设计
新型盾构机刀盘系统的动力与传动设计是确保刀盘正常工作的重要因素。
动力
系统应根据工程需求选择合适的动力源，并确保提供足够的功率和转速。
传动系统应设计为可靠、高效的传动方式，以充分发挥动力的利用率。
3. 液压系统设计
盾构机刀盘的液压系统起到了承载切削力、协助刀盘掘进的重要作用。
设计时
应考虑系统的稳定性、响应速度和能量损失等方面的因素。
合理布置液压元件、选择合适的油缸和油泵，并设计合适的油液流程，可以提高液压系统的效率和可靠性。
4. 控制系统设计
新型盾构机刀盘系统的控制系统应能够实现对刀盘的精确控制。
设计时应考虑刀盘的自动控制、状态检测和故障诊断等功能。
同时，还应考虑与盾构机其他部件的协同工作，以实现整个系统的高效运行和安全性。
三、新型盾构机刀盘系统性能评估
1. 动力性能评估
对新型盾构机刀盘系统的动力性能进行评估，主要包括其动力输入与输出的匹配性、转矩和功率的变化情况、转速的稳定性等。
通过实验和仿真方法，可以对系统的动力性能进行精确评估，并针对不足之处进行改进和优化。
2. 切削性能评估
通过对新型盾构机刀盘系统的切削性能进行评估，可以了解其在实际工程中的切削效率、刀片寿命和切削质量等方面的表现。
切削性能评估通常包括切削力的测量、刀片磨损的观察和土层切割效果的分析等内容。
3. 系统稳定性评估
系统稳定性是评估新型盾构机刀盘系统的重要指标之一。
应通过实验和数值模拟等方法，评估系统在不同工况下的稳定性。
通过分析系统的动力响应、结构应力和变形等指标，判断系统是否满足工程设计要求，并提出改进措施。
4. 安全性能评估
新型盾构机刀盘系统的安全性能评估应考虑系统的工作环境、工作过程中的紧急情况和故障处理等因素。
通过对系统的安全监测、故障自诊断和应急处理等方面进行评估，可以提高系统的安全性和可靠性。
四、结论
通过对新型盾构机刀盘系统的设计与性能评估，可以为盾构机的工作效率、安全性和稳定性提供有效的支持。
设计方面应注重结构、动力、液压和控制等方面的
综合考虑，以满足工程需求。
性能评估方面应从动力性能、切削性能、系统稳定性和安全性等多个角度进行考虑，以发现问题并提出改进措施。
综上所述，新型盾构机刀盘系统的设计与性能评估对盾构机技术的发展起到重要的推动作用。