盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算

1、7.8.2盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩計(jì)算包括軟土和硬巖兩種情況進(jìn)行。7.8.2.1在軟土中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩的計(jì)算地層參數(shù)按6巖石全風(fēng)化帶選取，由于巖土體中基本無水，所以水壓力的計(jì)算按水土合算考慮。選取可能出現(xiàn)的最不利受力情況埋深斷面進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)線路的縱剖面圖，6層埋深不大，在確定盾構(gòu)機(jī)拱頂處的均布圍巖豎向壓力Pe時(shí)，可直接取全部上覆土體自重作為上覆土地層壓力。盾構(gòu)機(jī)所受壓力：Pe =h+ P0 P01= Pe + G/DLP1=Pe×P2=(P+.D) 式中：為水平側(cè)壓力系數(shù)，=0.47h為上覆土厚度，h=12.8m為土容重，=1.94 t/m3G為盾構(gòu)機(jī)重，

2、G=340 tD為盾構(gòu)機(jī)外徑，D=6.25 m ； L為盾構(gòu)機(jī)長度，L=8.32 m ； P0為地面上置荷載，P0=2 t/m2； P01為盾構(gòu)機(jī)底部的均布壓力；P1為盾構(gòu)機(jī)拱頂處的側(cè)向水土壓力；P2為盾構(gòu)機(jī)底部的側(cè)向水土壓力；Pe=1.94×12.8+2=26.83 t/m2P01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m2 P1=26.83×0.47=14.89t/m2P2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m27.8.2.1.1盾構(gòu)推力計(jì)算盾構(gòu)的推力主要由以下五部分組成：式中：F1為盾構(gòu)外殼與

3、土體之間的摩擦力 ；F2為刀盤上的水平推力引起的推力F3為切土所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩阻力F5為后方臺車的阻力， 式中：C為土的粘結(jié)力，C=4.5t/m2式中：WC 、C為兩環(huán)管片的重量（計(jì)算時(shí)假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)，當(dāng)管片容重為2.5t/m3，管片寬度按1.5m計(jì)時(shí)，每環(huán)管片的重量為24.12t），兩環(huán)管片的重量為48.24t考慮。C=0.3式中：Gh為盾尾臺車的重量，Gh160t；為坡度，tg=0.025g為滾動摩阻，g=0.05盾構(gòu)總推力：7.8.2.1.2盾構(gòu)的扭矩計(jì)算盾構(gòu)配備的扭矩主要由以下九部分組成。在進(jìn)行刀盤扭矩計(jì)算時(shí)：式中：M1為刀具的切削扭矩；M2為刀

4、盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M3為刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；M4為密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M5為刀盤前表面上的摩擦力矩 ；M6為刀盤圓周面上的摩擦力矩M7為刀盤背面的摩擦力矩 ；M8為刀盤開口槽的剪切力矩M9為刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩a刀具的切削扭矩M1 式中：C：土的抗剪應(yīng)力，C=C+Pd×tg=4.5+14.52×tg20°=9.78t/m2hmax：刀盤每轉(zhuǎn)的最大切削深度，hmax=8cm/轉(zhuǎn)R0：最外圈刀具的半徑，R0=3.14mb刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M2M2=GRg式中：G：刀盤自重，計(jì)算時(shí)取刀盤的自重為G=55t R：軸承的接觸半徑，計(jì)算時(shí)取為R=2.6m

5、g：滾動摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取為g=0.004M2=55×2.6×0.004=0.57tmc刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩M3M3=WpRgz Wp=Rc2Pd式中：Wp：推力荷載 ；：刀盤封閉系數(shù)，=0.70 Rg：軸承推力滾子接觸半徑，Rg=1.25m ；Rc：刀盤半徑，Rc=3.14 z：滾動摩擦系數(shù)，z=0.004 ；Pd：水平土壓力，Pd=14.52t/m2Wp=0.70×3.142×14.52=312.83t；M3=312.83×1.25×0.004=1.56 tmd密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M4M4=2mF（n1Rm12+n2Rm

6、22）式中：m：密封與鋼之間的摩擦系數(shù)，m=0.2；F：密封的推力，F(xiàn)=0.15t/mn1 、n2 ：密封數(shù)，n1=3 n2=3；Rm1、Rm2：密封的安裝半徑，Rm1=1.84m Rm2=2.26m；M4= 2×0.2×0.15×（3×1.842+3×2.262）=4.80 t·me刀盤前表面上的摩擦力矩M5式中：刀盤開口率，=0.30；P：土層與刀盤之間的摩擦系數(shù)，P=0.15 R：刀盤半徑，R=3.14mf刀盤圓周面上的摩擦力矩M6M6=2R2BPZP式中：R：刀盤半徑，R=3.14m ；B：刀盤寬度，B=0.775mPZ：刀盤

7、圓周土壓力PZ=（Pe+P01+P1+P2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m2M6=2×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09t·mg刀盤背面的摩擦力矩M7M7=2/3（1-）R3P×0.8PdM7=2/3（0.70××3.143×0.15×0.8×14.52）=78.33t·mh刀盤開口槽的剪切力矩M8式中：C：土的抗剪應(yīng)力，因碴土飽和含水，故抗剪強(qiáng)度降低，可近似地取C=0.01Mpa=1 t/m2，=5

8、76;；C=C+Pd×tg=1+14.52×tg5=2.27 t/m2i刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩M9M9=2（R12R22）LC式中：d1 ：刀盤支撐梁外徑，d1=4.8m； d2 ：刀盤支撐梁內(nèi)徑，d2=3.84 m L：支撐梁長度， L=0.8 mM9=2（2.4 2-1.922）×0.8×2.06=21.46 t·m刀盤扭矩M為M1M9之和M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46=365.48t·m7.8.2.2在硬巖中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩的計(jì)算地質(zhì)參數(shù)按照<

9、;9>層選取,<9>層為巖石微風(fēng)化帶.盤形單刃滾刀的參數(shù)如下:直徑 d=43.2cm(17英寸)，R=21.6cm刃角 =60°每轉(zhuǎn)切深 h=1 cm刀盤直徑 D=6.28m盤形滾刀刀間距， Bm=2htg/2式中：為巖石的自然破碎角，查表選取=155°Bm=2×1×tg155/2=9.5cm10cm7.8.2.2.1盾構(gòu)推力的計(jì)算硬巖具有完全自穩(wěn)能力。在硬巖中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的拱頂、兩側(cè)、底部所受的壓力均很小，對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)影響不大，盾構(gòu)機(jī)的推力主要消耗在滾刀貫入巖石所需要的推力上，所以可以近似的把滾刀貫入巖石的力看成盾構(gòu)機(jī)的推力，其它

10、在選取盾構(gòu)機(jī)推力的富裕量時(shí)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計(jì)算盤形滾刀的滾壓推力，每個(gè)盤形滾刀的推力F總=mF力式中： F力為單個(gè)滾刀貫入巖石所需要的力m為刀盤上安裝的盤形滾刀(單刃)的數(shù)量式中：Kd為巖石的滾壓系數(shù)，查表取Kd=0.55R壓為巖石的抗壓強(qiáng)度，R壓=62.3Mpa=623kg/cm2ri為盤形滾刀的刃角半徑；ri=8cmi為盤形滾刀的半刃角；i=30°為巖石的自然破碎角，=155° m= D /(2×Bm)式中：D 為刀盤的外徑，D= 6.28mBm 為滾刀的刀間距，Bm=10cmm = 6.28/(2×10×10-2

11、)=31本盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)雙刃滾刀19把，合計(jì)單刃滾刀38把，滿足需要。盾構(gòu)機(jī)的總推力：F總=mF力=38×24.64=936.32t7.8.2.2.2盾構(gòu)扭矩的計(jì)算硬巖掘進(jìn)的扭矩主要由以下三部分組成：式中：T1為刀盤滾動阻力矩計(jì)算T2為石碴提升所需要的扭矩T3為克服刀盤自重所需要的扭矩a刀盤滾動阻力矩計(jì)算T1式中：F為盤形滾刀的滾動力式中：為與被滾壓巖石自由面條件和形狀有關(guān)的換算系數(shù)，=0.8P力=F壓=24.64h 為每轉(zhuǎn)切深，h =1cmR為盤形滾刀的半徑，R= mmBm為盤形滾刀刀間距，Bm=10cm=0.1mb石碴提升所需要的扭矩T2T2=qR2h1R式中：q為石碴容重，q=2.

12、59t/m3R=3.14 mH=1 mm/n1為刀盤系數(shù)，1=0.70T2=2.59××3.142×0.01×0.70×3.14=1.75tc克服刀盤自重所需要的扭矩T3T3=W11R式中：W1為刀盤自重，W1=55 t1=0.70 R=3.14mT3=55×0.70×3.14=120.51t·m硬巖掘進(jìn)所需要的力矩T= 204.99+1.75 +120.51= 327.25t·m7.8.2.3推力和扭矩的選取及驗(yàn)證軟土中掘進(jìn)：推力F=1754.24t，扭矩T=365.48t·m硬巖中掘進(jìn)：推力

13、F=936.32t，扭矩T=327.25 t·m由于盾構(gòu)在施工中經(jīng)常需要糾偏、轉(zhuǎn)向，因此盾構(gòu)的推力實(shí)際上要比計(jì)算出來的大，按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)實(shí)際配備的推力為計(jì)算值的1.5倍。按照Mechanised Shield Tunnelling一書（作者：Bernhard Maidl；Martin Herrenknecht；Lothar Anheuser等）介紹的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算式中：為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按下圖取5001200D 為盾構(gòu)外徑，D =6.25 m本盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)總推力為3421t，既大于理論計(jì)算值，又處于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值之間，說明盾構(gòu)機(jī)的推力是足夠的。當(dāng)用刀盤扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算刀盤扭矩時(shí)T=D3式

14、中：扭矩系數(shù)，取=1.8T=1.8×6.253=441.6 t·m本盾構(gòu)機(jī)額定扭矩T=450 t·m，最大扭矩Tmax=530 t·m，可同時(shí)滿足理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的要求。7.8.3刀盤的驅(qū)動功率a刀盤驅(qū)動所需功率：式中：Tc為刀盤驅(qū)動的最大扭矩；Tc=530 t·mn為刀盤最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的最大扭矩相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1 r/m，則刀盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際功率為：b. 液壓馬達(dá)所需總功率： 其中：m為馬達(dá)效率，m=0.85m為液壓馬達(dá)數(shù)量，m=8每個(gè)馬達(dá)功率為：c. 驅(qū)動電機(jī)的總功率：其中：d為電機(jī)效率，d=0.9本盾構(gòu)機(jī)刀盤電機(jī)配備的功率為9

15、45kW，在滿足上述計(jì)算要求的情況下，仍有較大富裕，以應(yīng)付掘進(jìn)過程中不明因素的影響。7.8.4盾構(gòu)推進(jìn)所需功率盾構(gòu)機(jī)最大推進(jìn)功率PT可按：PT=F·V式中：F-總推力，F(xiàn)=3421tV-最大推進(jìn)速度，V=8cm/minPT=3421×10×8×10-2/60=45.6kW本盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)功率取值為55kW，可滿足上述要求。7.8.5螺旋輸送機(jī)參數(shù)的確定a輸送量Q理論出土量QL可按：式中：D為盾構(gòu)的開挖直徑，D=6.28mVmax為盾構(gòu)的開挖速度，Vmax=8cm/min×60=4.8m/h為土的松動系數(shù)取為，=1.5本盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)的輸送能力

16、為400m3/h，可滿足計(jì)算要求。b螺旋輸送機(jī)驅(qū)動功率螺旋輸送機(jī)所需功率：式中：w0為物料阻力系數(shù)，取3.2 為土的容重，取1.94t/ m3 L、H為螺旋輸送機(jī)的水平長度和高度初定螺旋輸送機(jī)的長度為10m，傾角為23°則： L=10×cos23°=9.205 m H=10×sin23°=3.907 m所以，電機(jī)所需功率：本盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)功率315 kW，可以滿足上述計(jì)算要求。7.8.7皮帶輸送機(jī)的參數(shù)確定皮帶輸送機(jī)的輸送量應(yīng)與螺旋輸送機(jī)的輸送量相匹配，按450 m3/h確定皮帶輸送機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。a. 確定帶寬B式中：Q為皮帶輸送機(jī)的輸送量取450m3/hKd為端面系數(shù)，查表Kd =355Kv為速度系數(shù)，查表 Kv =0.96K為傾角系數(shù)，查表K=1V為帶