頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤課程設(shè)計(jì)

1、頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤課程設(shè)計(jì) 目錄 緒 論1 1頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)2 1.1刀盤結(jié)構(gòu)類型2 1.2 刀盤結(jié)構(gòu)的比較5 1.3頂管機(jī)刀盤的方案選擇6 2 傳動布局的的設(shè)計(jì)9 2.1主傳動部分的的選擇方案設(shè)計(jì)9 2.2頂管機(jī)糾偏設(shè)計(jì)10 3 D1800頂管機(jī)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算12 3.1主傳動部分設(shè)計(jì)計(jì)算12 3.2減速器的確定12 3.3液壓糾偏油缸的選擇及計(jì)算14 3.4 泥水系統(tǒng)雙聯(lián)閥的設(shè)計(jì)要求和選擇15 4零件的校核16 4.1 軸的校核16 4.2 按疲勞強(qiáng)度計(jì)算軸的安全系數(shù)16 5 D1800控制部分設(shè)計(jì)18 5.1控制原理示意圖18 5.2 電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì)18 5.3液壓糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)21

2、5.3.1液壓控制原理圖21 5.3.2糾偏油缸控制原理說明21 5.4機(jī)內(nèi)旁通油缸的設(shè)計(jì)23 5.4.1 旁通油缸液壓原理圖23 5.4.2旁通液壓缸的電路23 6 結(jié)論24 參考文獻(xiàn)24 緒 論 頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法,它不需要開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力,把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時,也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間,以期實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。 目前,在頂管施工中最為流行的有三種平衡理論: 氣壓平

3、衡、泥水平衡和土壓平衡理論。 頂管機(jī)的發(fā)展是伴隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,它的形式先從手掘式、擠壓式發(fā)展到半機(jī)械式。由于城市建設(shè)的發(fā)展,對頂管施工周圍的環(huán)境保護(hù)提出了較高的要求,使頂管機(jī)的形式向著機(jī)械旋轉(zhuǎn)切削式、泥水平衡式、土壓平衡式先進(jìn)機(jī)型發(fā)展 我國在1984年與1985年,從日本引進(jìn)了4330mm小刀盤土壓平衡盾構(gòu)和800mm泥水平衡遙控頂管機(jī),應(yīng)用于上海芙蓉江路雨水排水總管工程和柳州路排水管工程。在取得了施工速度快、地面沉降控制好、周圍環(huán)境影響小的良好效果后,開始對土壓平衡與泥水平衡兩種國際上先進(jìn)的地下頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了研制與應(yīng)用。土壓平衡式頂管機(jī)的研制工作開始于80年代中期,從簡易式小刀盤

4、土壓平衡頂管機(jī)研制應(yīng)用起步到現(xiàn)在,巳經(jīng)歷了全斷面切削的大刀盤液壓驅(qū)動與電機(jī)驅(qū)動土壓平衡頂管機(jī)、矩形斷面土壓平衡頂管機(jī)三個發(fā)展階段,頂管機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)日趨完善。目前,我國土壓平衡頂管機(jī)巳成系列,并得到了廣泛的應(yīng)用 1頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì) 1.1刀盤結(jié)構(gòu)類型 盾構(gòu)刀盤由鋼結(jié)構(gòu)件焊接而成,目前其主流型式有2種:面板式和輻條式。另外,還有介于2者之間的輻板式刀盤(由輻條和幅板組成)面板式刀盤(圖1、圖2)一般為焊接箱形結(jié)構(gòu),其上設(shè)置刀座、刀具、開口、添加劑注入口及與主軸承連接部件。切刀布置在面板上開口的兩側(cè),滾刀布置面板是刀座。刀盤開口率較小,在30%左右,屬閉胸式。目前,中國使用的盾構(gòu)大部分為面板

5、式刀盤結(jié)構(gòu),如上海地鐵施工用的是法國FCB盾構(gòu),北京、廣州、深圳及南京等地用的是海瑞克盾構(gòu)。 圖1廣地鐵面板式刀盤 圖2南京地鐵面板式刀盤 輻條式刀盤(圖3、圖4)主要由輪緣、輻條及布設(shè)在輻條上的刀具組成。刀具布置在輻條的兩側(cè),一般較難布置滾刀。刀盤開口率很大,約在60%95%之間,屬開敞式。以往,輻條式刀盤應(yīng)用較少。最近,在日本地鐵工程中輻條式刀盤應(yīng)用開始增多。中國盾構(gòu)工法也開始應(yīng)用輻條式刀盤. 輻板式刀盤(圖5、圖6)兼有面板式和輻條式刀盤的特點(diǎn),由較寬的輻條和小塊幅板組成,切刀和滾刀分別布置在寬輻條的兩側(cè)和內(nèi)部,開口率約在35%50%之間。 1.2 刀盤結(jié)構(gòu)的比較 應(yīng)用時采用哪種刀盤型式

6、,應(yīng)根據(jù)施工條件和土質(zhì)條件等因素決定。泥水平衡盾構(gòu)刀盤一般采用面板式或幅板式,而土壓平衡盾構(gòu)刀盤根據(jù)土質(zhì)條件可采用面板式、輻條式及幅板式。不同的刀盤型式在土艙構(gòu)造、開挖面穩(wěn)定、土壓保持、砂土的流進(jìn)性、刀盤負(fù)荷和扭矩及檢查換刀等方面存在較大的差異。典型面板式和輻條特性比較如下圖。 1.3頂管機(jī)刀盤的方案選擇: 方案一:采用多刀盤組合式刀盤 圓盤上分布多個旋轉(zhuǎn)刀,同時切削泥土或者瓦礫,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功能,各個旋轉(zhuǎn)刀頭工作互不影響,共同工作。 該方式的刀盤特點(diǎn)是應(yīng)用于工程直徑比較大的工作環(huán)境,而且土質(zhì)比較堅(jiān)硬,此種方式運(yùn)用在D1800系統(tǒng)頂管機(jī)上完全滿足要求,但是驅(qū)動力要求大,而且成本比較高,造價昂貴

7、。諸多原因所以未采用此種方式的刀盤機(jī)構(gòu)。 方案二:采用多刀盤液壓平動式刀盤 刀盤形式多樣,矩形、橢圓型、圓形.刀盤身后由多個液壓馬達(dá)或者電動機(jī)帶動,相互配合,動作順序嚴(yán)格控制,而且每個刀塊上都能實(shí)現(xiàn)同時旋轉(zhuǎn),大大提高了工作的效率,同時要求旋轉(zhuǎn)刀塊旋轉(zhuǎn)順序。 此種形式的刀盤,多用于大型的管道開挖,而我們的設(shè)計(jì)要求規(guī)定完成1800mm,“大材小用”而且,此方案的控制部分比較復(fù)雜,實(shí)際生產(chǎn)中不容易實(shí)現(xiàn),所以未選擇此種形式的刀盤 方案三:采用面板式多刀塊刀盤 此種形式的刀盤,多用于中型管道的挖掘之中,泥土環(huán)境下工作,掘進(jìn)效果良好。 根據(jù)我的產(chǎn)品要求管道直徑1800mm,使用在粘土的環(huán)境中,而且掘進(jìn)過程

8、中能保持直線掘進(jìn),而且相比前幾種刀盤形式,此種刀盤結(jié)構(gòu),簡單,而且比較經(jīng)濟(jì),使用范圍廣泛,深受國內(nèi)外專業(yè)工程隊(duì)的認(rèn)可。 方案確定: 本次設(shè)計(jì)的刀盤結(jié)構(gòu)確定采用面板式多刀塊切削結(jié)構(gòu)。 2 傳動布局的的設(shè)計(jì) 頂管機(jī)的傳動部分是由電動機(jī)連接加速器達(dá)到要求轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)。 2.1主傳動部分的的選擇方案設(shè)計(jì) 方案一:根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動方式選擇的多個電機(jī)帶動刀盤形式 由多個電機(jī)帶動齒輪組成行星齒輪傳動,此種傳動平穩(wěn),各個大型盾構(gòu)工程中普遍采用,例如:上海長江海底隧道工程。 方案二:單個電機(jī)帶動刀盤 單個滿足要求的電動機(jī)帶動減速器,帶動刀盤轉(zhuǎn)動 兩種方案比較發(fā)現(xiàn),刀盤輸出同樣大小功率的情況下,一個電機(jī)

9、帶動機(jī)構(gòu)更為簡單,布局明朗,而且節(jié)省了空間給其他裝備的擺放。所以選擇單個電動機(jī)帶動刀盤的傳動形式。 2.2頂管機(jī)糾偏設(shè)計(jì) 液壓缸位置的設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)的糾偏系統(tǒng)使用8個液壓缸,所以基本有2種位置擺放的選擇,分別如下圖; 比較兩種方案發(fā)覺但方案2的糾偏過程更為直觀,便于操作更為合理,故選擇方案2為液壓缸的擺放位。 3 D1800頂管機(jī)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1主傳動部分設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)要求如下: 1.轉(zhuǎn)速 2.2rpm 2最大扭矩160kNm 3.電機(jī)功率37kW 確定電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 要求:刀盤轉(zhuǎn)速:v12.2rpm 減速機(jī)減速比:i459 所以電動機(jī)轉(zhuǎn)速 Vv1 x I 2.2 x 459 1009

10、.8rpm 進(jìn)而,選擇6級電機(jī),再根據(jù)電動機(jī)功率是 37kw 選取電動機(jī)的型號為:Y250M-6 Y系列封閉式三相異步電動機(jī) 且根據(jù)提供條件,選擇空心花鍵輸出。 3.2減速器的確定, 設(shè)計(jì)要求:最大扭矩:160kNm 減速器選 上海邁爾達(dá)P系列(德國弗蘭德)行星減速器 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇減速機(jī)輸出軸為漸開線花鍵實(shí)心軸輸出, 選擇型號P3SC16-459-Y6-37-B5,最大扭矩160kNm, 減速比459, 輸出轉(zhuǎn)速2.2 rpm P 表示p系列行星齒輪減速器。 3 表示行星齒輪傳動技術(shù)為3級。 S 表示斜齒輪級。 C 表示漸開線花鍵實(shí)心軸。 16表示機(jī)座號為16。 459 表示公稱減速比。

11、Y6表示安裝方位。 37表示附 代號。 具體型號參看下表 3.3液壓糾偏油缸的選擇及計(jì)算 設(shè)計(jì)要求: 1.系統(tǒng)壓力31.5Mpa 2.最大推力420kN 3.最大拉力200kN 4.最大行程50mm 5.油缸數(shù)量8個 無桿腔的面積計(jì)算 無桿腔半徑計(jì)算 活塞的直徑 D1 2R 2 x 65.2 130.4mm 有桿腔的面積計(jì)算: 環(huán)形面積: S A1 經(jīng)過計(jì)算為了滿足要求活塞面積要大于133.3。環(huán)形面積要大于 選擇CD/CG350系列液壓缸 工作壓力:35Mpa 最大推力:538.7KN 最大拉力:263.9KN 活塞直徑:140mm 活塞桿直徑:100mm 活塞面積:153.94cm2 環(huán)形

12、面積:75.40cm2 (備注:由沈陽海格液壓控制工程有限公司定制) 3.4 泥水系統(tǒng)雙聯(lián)閥的設(shè)計(jì)要求和選擇 輕型拉桿液壓缸1個 缸徑40mm、活塞桿25mm、行程250mm、工作壓力10MPa 根據(jù)要求,保證工作壓力穩(wěn)定需要有個溢流閥來保證壓力。 4零件的校核 4.1 軸的校核 刀盤傳動軸的校核,刀盤傳動軸的材料為45鋼,所以可知 值為30-40 值為118-107 刀盤傳動軸的最短處直徑為50mm,大于46.47mm 所以刀盤傳動軸的強(qiáng)度校核合格。 按疲勞強(qiáng)度計(jì)算軸的安全系數(shù) 軸徑的初步計(jì)算是一種粗略的估算方法,按彎扭合成強(qiáng)的條件校核軸徑,也未能反映出應(yīng)力集中的真實(shí)情況,因?yàn)闆]有考慮尺寸因

13、素、軸表面狀態(tài)等對軸的疲勞強(qiáng)度的影響。因此,對重要的軸,除用上述方法進(jìn)行計(jì)算外,還必須對軸的危險截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算。 安全系數(shù)的計(jì)算公式為 式中?計(jì)算安全系數(shù); ?僅受彎矩是的安全系數(shù); ?僅受轉(zhuǎn)矩是的安全系數(shù); ?軸的疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)。 軸的材質(zhì)均勻,載荷及應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確時,取;軸的材質(zhì)不夠均勻,計(jì)算精確度較低時,取;軸的材質(zhì)均勻性及計(jì)算精確度都很低時,或軸的直徑d200mm時,取。 本次取 車軸只受扭矩 所以安全 5 D1800控制部分設(shè)計(jì) 5.1控制原理示意圖 5.2 電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 控制頂管機(jī)的運(yùn)動,需要控制電動機(jī)。刀盤采用正反兩方向切削泥土的方式工作,進(jìn)而電動機(jī)必須能夠

14、實(shí)現(xiàn)正反兩個方向運(yùn)轉(zhuǎn)工作。 工作原理為:按下正向啟動按鈕SB5,KM3線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,電機(jī)正向啟動,同時串接在KM4線圈回路中的KM3的常閉觸點(diǎn)斷開,保證在KM3圈得電的前提下,KM4線圈不可能得電,以避免電動機(jī)短路,反之亦然,此種聯(lián)接方法稱為互鎖。當(dāng)要求電機(jī)反轉(zhuǎn)時,需先按下停止按鈕SB4,使KM3失電,在按反向啟動按鈕SB6,使KM4線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,三相電源的兩相對調(diào),因而使電機(jī)反轉(zhuǎn) 如圖: 5.3液壓糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 頂管機(jī)在水平工作期間,難免會有誤差,或者要求其一定角度的偏轉(zhuǎn),所以要求機(jī)體要具有糾偏的功能。本次設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)是用了8個液壓缸來實(shí)現(xiàn)糾偏功能,液壓缸的擺放示意圖如下

15、 當(dāng)1、3伸長時,實(shí)現(xiàn)了向右的糾偏。 當(dāng)1、2伸長時,實(shí)現(xiàn)了向下的糾偏。 當(dāng)2、4伸長時,實(shí)現(xiàn)了向左的糾偏。 當(dāng)3、4伸長時,實(shí)現(xiàn)了向上的糾偏。 5.3液壓糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.3.1液壓控制原理圖 D1800糾偏系統(tǒng)采用四組8個液壓缸進(jìn)行糾偏工作,如圖所示: 5.3.2糾偏油缸的控制電路連接 5.3.2糾偏油缸控制原理說明 1YA、3YA、5YA、7YA均為伸長開關(guān)。 2YA、4YA、6YA、8YA均為縮短開關(guān)。 故 SB7可以定義為伸長開關(guān)。 SB8可以定義為縮短開關(guān)。 按下啟動按鈕SB7后,再按下啟動按鈕SB9,KM5線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM5常開觸點(diǎn)閉合,則1YA、3YA開關(guān)均啟動,使

16、第1組和第2組液壓缸伸長,既而實(shí)現(xiàn)了向下糾偏的功能。 按下啟動按鈕SB7后,再按下啟動按鈕SB10,KM6線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM6常開觸頭閉合,則5YA、7YA開關(guān)均啟動,使第3組、第4組液壓缸伸長,既實(shí)現(xiàn)了向上糾偏的功能。 按下啟動按鈕SB7后,再按下啟動按鈕SB11,KM7線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM7常開觸頭閉合,則1YA、5YA開關(guān)均啟動,使第1組、第3組液壓缸伸長,既實(shí)現(xiàn)了向右糾偏的功能。 按下啟動按鈕SB7后,再按下啟動按鈕SB12,KM8線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM8常開觸頭閉合,則3YA、7YA開關(guān)均啟動,使第2組、第4組液壓缸伸長,既實(shí)現(xiàn)了向左糾偏的功能。 按下啟動按鈕

17、SB8后,再按下啟動按鈕SB9,KM5線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM5常開觸頭閉合,則2YA、4YA開關(guān)均啟動,使第1組、第2組液壓缸縮短,既實(shí)現(xiàn)了向左糾偏后收縮的功能。 按下啟動按鈕SB8后,再按下啟動按鈕SB10,KM6線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM6常開觸頭閉合,則6YA、8YA開關(guān)均啟動,使第3組、第4組液壓缸縮短,既實(shí)現(xiàn)了向上糾偏的后收縮的功能。 按下啟動按鈕SB8后,再按下啟動按鈕SB11,KM7線圈得電,其主觸點(diǎn)閉合,KM7常開觸頭閉合,則2YA、6YA開關(guān)均啟動,使第1組、第3組液壓缸縮短,既實(shí)現(xiàn)了向右糾偏后收縮的功能。 按下啟動按鈕SB8后,再按下啟動按鈕SB12,KM8線圈得電

18、,其主觸點(diǎn)閉合,KM8常開觸頭閉合,則4YA、8YA開關(guān)均啟動,使第2組、第4組液壓缸縮短,既實(shí)現(xiàn)了向左糾偏后收縮的功能。 綜上所述,SB7為伸長開關(guān) SB8為收縮開關(guān) SB9為向下開關(guān) SB10為向上開關(guān) SB11為向右開關(guān) SB12為向左開關(guān) 要實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸長要先后按下伸長開關(guān)和控制方向的開關(guān)。 要實(shí)現(xiàn)液壓缸的縮短要先后按下縮短開關(guān)和控制方向的開關(guān)。 5.4機(jī)內(nèi)旁通油缸的設(shè)計(jì) 5.4.1 旁通油缸液壓原理圖 旁通油缸要求工作壓力恒定為10 Mpa,故在液壓回路上安裝溢流閥保證工作壓力的恒定,而且進(jìn)油管路直接與油箱連接,單獨(dú)控制。 5.4.2旁通液壓缸的電路 如上圖所示 SB5閉合,9YA得電,旁通油缸伸長;SB6閉合,10YA得電,旁通油