頂管掘進機刀盤課程設(shè)計

1、頂管掘進機刀盤課程設(shè)計 目錄 緒 論1 1頂管掘進機刀盤設(shè)計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頂管機刀盤的方案選擇6 2 傳動布局的的設(shè)計9 2.1主傳動部分的的選擇方案設(shè)計9 2.2頂管機糾偏設(shè)計10 3 D1800頂管機設(shè)計的設(shè)計計算12 3.1主傳動部分設(shè)計計算12 3.2減速器的確定12 3.3液壓糾偏油缸的選擇及計算14 3.4 泥水系統(tǒng)雙聯(lián)閥的設(shè)計要求和選擇15 4零件的校核16 4.1 軸的校核16 4.2 按疲勞強度計算軸的安全系數(shù)16 5 D1800控制部分設(shè)計18 5.1控制原理示意圖18 5.2 電動機控制電路設(shè)計18 5.3液壓糾偏系統(tǒng)設(shè)計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機內(nèi)旁通油缸的設(shè)計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,把工具管或掘進機從工作井內(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機后的管道埋設(shè)在兩井之間,以期實現(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)境保護提出了較高的要求,使頂管機的形式向著機械旋轉(zhuǎn)切削式、泥水平衡式、土壓平衡式先進機型發(fā)展 我國在1984年與1985年,從日本引進了4330mm小刀盤土壓平衡盾構(gòu)和800mm泥水平衡遙控頂管機,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的地下頂管掘進機進行了研制與應(yīng)用。土壓平衡式頂管機的研制工作開始于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)動與電機驅(qū)動土壓平衡頂管機、矩形斷面土壓平衡頂管機三個發(fā)展階段,頂管機的設(shè)計與制造技術(shù)日趨完善。目前,我國土壓平衡頂管機巳成系列,并得到了廣泛的應(yīng)用 1頂管掘進機刀盤設(shè)計 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,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、砂土的流進性、刀盤負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,進而實現(xiàn)掘進功能,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)比較堅硬,此種方式運用在D1800系統(tǒng)頂管機上完全滿足要求,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或者電動機帶動,相互配合,動作順序嚴格控制,而且每個刀塊上都能實現(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雜,實際生產(chǎn)中不容易實現(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,而且掘進過程

8、中能保持直線掘進,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,使用范圍廣泛,深受國內(nèi)外專業(yè)工程隊的認可。 方案確定: 本次設(shè)計的刀盤結(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 頂管機的傳動部分是由電動機連接加速器達到要求轉(zhuǎn)速,進而實現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)。 2.1主傳動部分的的選擇方案設(shè)計 方案一:根據(jù)盾構(gòu)機的驅(qū)動方式選擇的多個電機帶動刀盤形式 由多個電機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:單個電機帶動刀盤 單個滿足要求的電動機帶動減速器,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

9、帶動機構(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帶動刀盤的傳動形式。 2.2頂管機糾偏設(shè)計 液壓缸位置的設(shè)計思路 本設(shè)計的糾偏系統(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頂管機設(shè)計的設(shè)計計算 3.1主傳動部分設(shè)計計算 設(shè)計要求如下: 1.轉(zhuǎn)速 2.2rpm 2最大扭矩160kNm 3.電機功率37kW 確定電動機輸出轉(zhuǎn)速 要求:刀盤轉(zhuǎn)速:v12.2rpm 減速機減速比:i459 所以電動機轉(zhuǎn)速 Vv1 x I 2.2 x 459 1009

10、.8rpm 進而,選擇6級電機,再根據(jù)電動機功率是 37kw 選取電動機的型號為:Y250M-6 Y系列封閉式三相異步電動機 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)計要求:最大扭矩:160kNm 減速器選 上海邁爾達P系列(德國弗蘭德)行星減速器 根據(jù)設(shè)計要求選擇減速機輸出軸為漸開線花鍵實心軸輸出, 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 表示漸開線花鍵實心軸。 16表示機座號為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算 設(shè)計要求: 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 無桿腔的面積計算 無桿腔半徑計算 活塞的直徑 D1 2R 2 x 65.2 130.4mm 有桿腔的面積計算: 環(huán)形面積: S A1 經(jīng)過計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度校核合格。 按疲勞強度計算軸的安全系數(shù) 軸徑的初步計算是一種粗略的估算方法,按彎扭合成強的條件校核軸徑,也未能反映出應(yīng)力集中的真實情況,因為沒有考慮尺寸因

13、素、軸表面狀態(tài)等對軸的疲勞強度的影響。因此,對重要的軸,除用上述方法進行計算外,還必須對軸的危險截面進行疲勞強度的校核計算。 安全系數(shù)的計算公式為 式中?計算安全系數(shù); ?僅受彎矩是的安全系數(shù); ?僅受轉(zhuǎn)矩是的安全系數(shù); ?軸的疲勞強度許用安全系數(shù)。 軸的材質(zhì)均勻,載荷及應(yīng)力計算準確時,取;軸的材質(zhì)不夠均勻,計算精確度較低時,取;軸的材質(zhì)均勻性及計算精確度都很低時,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 5.1控制原理示意圖 5.2 電動機控制電路設(shè)計 控制頂管機的運動,需要控制電動機。刀盤采用正反兩方向切削泥土的方式工作,進而電動機必須能夠

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

15、 當1、3伸長時,實現(xiàn)了向右的糾偏。 當1、2伸長時,實現(xiàn)了向下的糾偏。 當2、4伸長時,實現(xiàn)了向左的糾偏。 當3、4伸長時,實現(xiàn)了向上的糾偏。 5.3液壓糾偏系統(tǒng)設(shè)計 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,其主觸點閉合,KM5常開觸點閉合,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機內(nèi)旁通油缸的設(shè)計 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,而且進油管路直接與油箱連接,單獨控制。 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