盾构机推力计算.docx
7.8.2盾构机的推力和扭矩计算盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。7.8.2.1 在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算地层参数按6岩石全风化带选取，由于岩土体中根本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图,6层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力Pe时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。盾构机所受压力：Pe=h+PoPoi=Pe+G/D1.Pl=PeX入P2=(P÷.D)式中：入为水平侧压力系数，入=0.47h为上覆土厚度，h=12.8m丫为土容重，=1.94tm3G为盾构机重，G=340tD为盾构机外径，D=6.25m；1.为盾构机长度，1.=8.32m；Po为地面上置荷载,Po=2tm2;POl为盾构机底部的均布压力；Pl为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力；Pe=1.94×12.8+2=26.83tm2Poi=26.83+340/(6.25×8.32)=33.37tm2P=26.83×0.47=14.89tm2P2=(26.83+1.94×6.25)X0.47=18.3tm27.821.1盾构推力计算盾构的推力主要由以下五局部组成：式中：R为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2为刀盘上的水平推力引起的推力F3为切土所需要的推力；F4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为前方台车的阻力式中：巴为水平土压力，=(+y)式中：C为土的粘结力，C=4.5tm2式中：Wc、UC为两环管片的重量(计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5tm3,管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.12t),两环管片的重量为48.24t考虑。c=0.3式中：Gh为盾尾台车的重量,Ghl60t;0为坡度，tg0=0.025Ug为滚动摩阻，Ug=O.05盾构总推力：F=1144.23+445.48+138.06÷14.47+12.=1754.24，7.821.2盾构的扭矩计算盾构配备的扭矩主要由以下九局部组成。在进行刀盘扭矩计算时：式中：Ml为刀具的切削扭矩；M2为刀盘自重产生的旋转力矩M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；M4为密封装置产生的摩擦力矩M5为刀盘前外表上的摩擦力矩；M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩M7为刀盘反面的摩擦力矩；M8为刀盘开口槽的剪切力矩M9为刀盘土腔室内的搅动力矩a.刀具的切削扭矩Ml式中：C,：土的抗剪应力，Ct=C÷Pd×tg=4.5+14.52×tg20o=9.78tm2hmax:刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转Ro：最外圈刀具的半径，Ro=3.14mb.刀盘自重产生的旋转力矩M2Mh=GRg式中：G：刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55tR：轴承的接触半径，计算时取为R=2.6mg:滚动摩擦系数，计算时取为Ug=O.004M2=55×2.6×0.004=0.57tmc.刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3M3=WpRgzWp=11Rc2Pd式中：Wp:推力荷载；：刀盘封闭系数，a=0.70Rg:轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m；Rc:刀盘半径，Rc=3.14z:滚动摩擦系数，z=0.004；Pd:水平土压力，Pd=14.52tm2Wp=0.7011×3.142×14.52=312.83t;M3=312.83×1.25×0.004=1.561md.密封装置产生的摩擦力矩M4M4=211UmF(nRm2+n2Rm22)式中：m:密封与钢之间的摩擦系数，Um=O.2；F：密封的推力，F=0.15tmm112：密封数，m=3112=3;Rm1、Rm2：密封的安装半径，Rmi=1.84mRm2=2.26m;M4=211×0.2×0.15×(3×1.842+3×2.262)=4.801me.刀盘前外表上的摩擦力矩M5式中：刀盘开口率，=0.30；Up：土层与刀盘之间的摩擦系数，UP=O.15R：刀盘半径，R=3.14mf.刀盘圆周面上的摩擦力矩M6M=211R2BPzUP式中：R：刀盘半径，R=3.14m；B：刀盘宽度，B=0.775mPz：刀盘圆周土压力Pz=(Pe+Po+P+P2)/4=(26.83+33.37+14.89+18.34=23.35tm2M6=211×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09tmg.刀盘反面的摩擦力矩M7M7=23(I-Q)11R3p×0.8PdM7=23(0.70×11×3.143×0.15×0.8×14,52)=78.33tmh.刀盘开口槽的剪切力矩M8式中：C.：土的抗剪应力，因硝土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取C=O.01MPa=It/m2,6=5°；C.=C+Pd×tg=1+14.52×tg5=2.27tm2i.刀盘土腔室内的搅动力矩M9M9=211(R12-R22)1.e式中：di：刀盘支撑梁外径，d=4.8m;d2：刀盘支撑梁内径，d2=3.84m1.：支撑梁长度，1.=0.8mM9=211C2.42-1.922)×0.8×2.06=21.46tm刀盘扭矩M为MM9之和M=3.83÷0.57+1.56+4.80+41.96÷167.09÷78.33+45.88+21.46=365.48tm7.8.2.2在硬岩中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算地质参数按照9层选取,9层为岩石微风化带.盘形单刃滚刀的参数如下：直径d=43.2cm(17英寸)，R=21.6cm刃角=60°每转切深h=lcm刀盘直径D=6.28m盘形滚刀刀间距，Bm=2htg2式中：6为岩石的自然破碎角，查表选取e=155。B111=2×l×tgl552=9.5cm10cm7.8.221 盾构推力的计算硬岩具有完全自稳能力。在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需要的推力上,所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的推力F总二mF力式中：F力为单个滚刀贯入岩石所需要的力m为刀盘上安装的盘形滚刀(单刃)的数量式中：Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd=O.55R压为岩石的抗压强度，Rn=62.3Mpa=623kgcm2ri为盘形滚刀的刃角半径；x8cmOi为盘形滚刀的半刃角；0尸30°。为岩石的自然破碎角，=155om=D(2×Bm)式中：D为刀盘的外径，D=6.28mBm为滚刀的刀间距，Bm=IOcmm=6.28/(2×10×W2)=31本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。盾构机的总推力：F总=mF7j=38×24.64=936.32t7.8.222 盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三局部组成：式中：Tl为刀盘滚动阻力矩计算T2为石磴提升所需要的扭矩T3为克服刀盘自重所需要的扭矩a.刀盘滚动阻力矩计算Tl式中：F为盘形滚刀的滚动力式中：&为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，=0.8P力=F压=24.64h为每转切深，h=lcmR为盘形滚刀的半径，R=21.6mmBm为盘形滚刀刀间距，Bm=IOcm=O.Imb.石破提升所需要的扭矩T2T2=qnR2hR式中：q为石磴容重，q=2.59tm3R=3.14mH=Imm/nUl为刀盘系数，=0.70T2=2.59×11×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75tC.克服刀盘自重所需要的扭矩T3T3=WR式中：Wl为刀盘自重，W=55t=0.70R=3.14mT3=55×0.70×3.14=120.51tm硬岩掘进所需要的力矩T=204.99+1.75+120.51=327.25tm7.823推力和扭矩的选取及验证软土中掘进：推力F=1754.24t,扭矩T=365.48tm硬岩中掘进：推力F=936.32t,扭矩T=327.25tm由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。按照MechanisedShieldTunnelling)一书(BemhardMaidhMartinHerrenknecht;1.otharAnheuser等)介绍的经验公式进行验算式中：为经验系数，按下列图取5001200D为盾构外径,D=6.25m本盾构机设计总推力为34213既大于理论计算值，又处于经验计算值之间，说明盾构机的推力是足够的。当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时T=D3式中：a:扭矩系数，取a=1.8T=1.8X6.253=441.6tm本盾构机额定扭矩T=450tm,最大扭矩Tmax=530tm,可同时满足理论计算及经验计算的要求。7.8.3刀盘的驱动功率a.刀盘驱动所需功率：式中：TC为刀盘驱动的最大扭矩；Tc=530tmn为刀盘最大扭矩时的转速与盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1rm,那么刀盘执行机构实际功率为:b.液压马达所需总功率：其中：Qm为马达效率，lm=0.85m为液压马达数量，m=8每个马达功率为：c.驱动电机的总功率：其中：*为电机效率，11d=0.9本盾构机刀盘电机配备的功率为945kW,在满足上述计算要求的情况下，仍有较大富裕，以应付掘进过程中不明因素的影响。7.8.4 盾构推进所需功率盾构机最大推进功率PT可按：Pt=FV式中：F总推力，F=3421tV最大推进速度，V=8cmminP=3421×10×8×W260=45.6kW本盾构机的推进功率取值为55kW,可满足上述要求。7.8.5 螺旋输送机参数确实定a.输送量Q理论出土量Q1.可按：式中：D为盾构的开挖直径，D=6.28mVmax为盾构的开挖速度，VmaX=CmZminX60=4.8mh为土的松动系数取为，=1.5本盾构机的螺旋输送机的输送能力为400m3h,可满足计算要求。b.螺旋输送机驱动功率螺旋输送机所需功率：式中：Wo为物料阻力系数，取3.2Y为土的容重，取1.94tn1.、H为螺旋输送机的水平长度和高度初定螺旋输送机的长度为IOm,倾角为23°那么：1.=10×cos23o=9.205mH=10×sin23o=3.907m400XI94所以，Pl=-(3.2x9.205+3.907)=70.55AW367电机所需功率：P=2x四叁b188AW0.75本盾构机螺旋输送机驱动电机功率315kW,可以满足上述计算要求。7.8.7皮带输送机的参数确定皮带输送机的输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按45011h确定皮带输送机的参数进行计算。a.确定带宽B式中：Q为皮带输送机的输送量取450m3hKd为端面系数，查表Kd=355KV为速度系数，查表Kv=0.96降为倾角系数，查表K尸1V为带速，V=2.5ms取标准带宽，B=800mmb.皮带输送机的功率计算皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率N可按：式中：Kq为满载驱动系数，Kq=1.(M.4,取Kq=I.4n为效率，取n=0.88NO为电动滚筒的轴功率：式中：Kq为空载运行功率系数，查表Kq=O.01651.h为运行长度，1.h=45mKZ为水平满载运行功率系数，查表Kz=10.89Xl(y5V为带速，V=2.5msH为倾斜高度，H=0.5m查表取Kl=2.8本盾构机皮带输送机配备功率为3OkW,满足上述计算要求。
