完整word版盾构机推力计算.docx

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完整word版盾构机推力计算

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，由于岩土体中基本无水，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=γh+P0

P01=Pe+G/DL

P1=Pe×λ

P2=（P+γ.D）λ

式中：

λ为水平侧压力系数，λ=0.47

h为上覆土厚度，h=12.8m

γ为土容重，γ=1.94t/m3

G为盾构机重，G=340t

D为盾构机外径，D=6.25m；L为盾构机长度，L=8.32m；P0为地面上置荷载，P0=2t/m2；P01为盾构机底部的均布压力；P1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=26.83t/m2

P01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m2P1=26.83×0.47=14.89t/m2

P2=（26.83+1.94×6.25）×0.47=18.3t/m2

7.8.2.1.1盾构推力计算

盾构的推力主要由以下五部分组成：

式中：

F1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为后方台车的阻力

，

式中：

C为土的粘结力，C=4.5t/m2

式中：

WC、μC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2.5t/m3，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。

μC=0.3

式中：

Gh为盾尾台车的重量，Gh≈160t；

θ为坡度，tgθ=0.025

μg为滚动摩阻，μg=0.05

盾构总推力：

7.8.2.1.2盾构的扭矩计算

盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。

在进行刀盘扭矩计算时：

式中：

M1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为刀盘前表面上的摩擦力矩；M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩

M7为刀盘背面的摩擦力矩；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M1

式中：

Cг：

土的抗剪应力，

Cг=C+Pd×tgφ=4.5+14.52×tg20°=9.78t/m2

hmax：

刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转

R0：

最外圈刀具的半径，R0=3.14m

b．刀盘自重产生的旋转力矩M2

M2=GRμg

式中：

G：

刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55t

R：

轴承的接触半径，计算时取为R=2.6m

μg：

滚动摩擦系数，计算时取为μg=0.004

M2=55×2.6×0.004=0.57t﹒m

c．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3

M3=WpRgμzWp=απRc2Pd

式中：

Wp：

推力荷载；α：

刀盘封闭系数，α=0.70

Rg：

轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m；Rc：

刀盘半径，Rc=3.14

μz：

滚动摩擦系数，μz=0.004；Pd：

水平土压力，Pd=14.52t/m2

Wp=0.70π×3.142×14.52=312.83t；M3=312.83×1.25×0.004=1.56t﹒m

d．密封装置产生的摩擦力矩M4

M4=2πμmF（n1Rm12+n2Rm22）

式中：

μm：

密封与钢之间的摩擦系数，μm=0.2；F：

密封的推力，F=0.15t/m

n1、n2：

密封数，n1=3n2=3；Rm1、Rm2：

密封的安装半径，Rm1=1.84mRm2=2.26m；M4=2π×0.2×0.15×（3×1.842+3×2.262）=4.80t·m

e．刀盘前表面上的摩擦力矩M5

式中：

α：

刀盘开口率，α=0.30；μP：

土层与刀盘之间的摩擦系数，μP=0.15

R：

刀盘半径，R=3.14m

f．刀盘圆周面上的摩擦力矩M6

M6=2πR2BPZμP

式中：

R：

刀盘半径，R=3.14m；B：

刀盘宽度，B=0.775m

PZ：

刀盘圆周土压力

PZ=（Pe+P01+P1+P2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m2

M6=2π×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09t·m

g．刀盘背面的摩擦力矩M7

M7=2/3[（1-α）πR3μP×0.8Pd]

M7=2/3（0.70×π×3.143×0.15×0.8×14.52）=78.33t·m

h．刀盘开口槽的剪切力矩M8

式中：

Cτ：

土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地

取C=0.01Mpa=1t/m2，φ=5°；Cτ=C+Pd×tgφ=1+14.52×tg5=2.27t/m2

i．刀盘土腔室内的搅动力矩M9

M9=2π（R12－R22）LCτ

式中：

d1：

刀盘支撑梁外径，d1=4.8m；d2：

刀盘支撑梁内径，d2=3.84m

L：

支撑梁长度，L=0.8m

M9=2π（2.42-1.922）×0.8×2.06=21.46t·m

刀盘扭矩M为M1~M9之和

M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46

=365.48t·m

7.8.2.2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α=60°

每转切深h=1cm

刀盘直径D=6.28m

盘形滚刀刀间距，Bm=2htgφ/2

式中：

φ为岩石的自然破碎角，查表选取φ=155°

Bm=2×1×tg155/2=9.5cm≈10cm

7.8.2.2.1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=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=0.55

R压为岩石的抗压强度，R压=62.3Mpa=623kg/cm2

ri为盘形滚刀的刃角半径；ri=8cm

θi为盘形滚刀的半刃角；θi=30°

φ为岩石的自然破碎角，φ=155°

m=D/（2×Bm）

式中：

D为刀盘的外径，D=6.28m

Bm为滚刀的刀间距，Bm=10cm

m=6.28/（2×10×10-2）=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=mF力=38×24.64=936.32t

7.8.2.2.2盾构扭矩的计算

硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：

式中：

T1为刀盘滚动阻力矩计算

T2为石碴提升所需要的扭矩

T3为克服刀盘自重所需要的扭矩

a．刀盘滚动阻力矩计算T1

式中：

F为盘形滚刀的滚动力

式中：

ξ为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，ξ=0.8

P力=F压=24.64

h为每转切深，h=1cm

R为盘形滚刀的半径，R=

mm

Bm为盘形滚刀刀间距，Bm=10cm=0.1m

b．石碴提升所需要的扭矩T2

T2=qπR2hμ1R

式中：

q为石碴容重，q=2.59t/m3

R=3.14m

H=1mm/n

μ1为刀盘系数，μ1=0.70

T2=2.59×π×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75t

c．克服刀盘自重所需要的扭矩T3

T3=W1μ1R

式中：

W1为刀盘自重，W1=55t

μ1=0.70

R=3.14m

T3=55×0.70×3.14=120.51t·m

硬岩掘进所需要的力矩T=204.99+1.75+120.51=327.25t·m

7.8.2.3推力和扭矩的选取及验证

软土中掘进：

推力F=1754.24t，扭矩T=365.48t·m

硬岩中掘进：

推力F=936.32t，扭矩T=327.25t·m

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（作者：

BernhardMaidl；MartinHerrenknecht；LotharAnheuser等）介绍的经验公式进行验算

式中：

α为经验系数，按下图取500~1200

D为盾构外径，D=6.25m

本盾构机设计总推力为3421t，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=αD3

式中：

α：

扭矩系数，取α=1.8

T=1.8×6.253=441.6t·m

本盾构机额定扭矩T=450t·m，最大扭矩Tmax=530t·m，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=530t·m

n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1r/m，则刀盘执行机构实际功率为：

b.液压马达所需总功率：

其中：

ηm为马达效率，ηm=0.85

m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：

ηd为电机效率，ηd=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=F·V

式中：

F---总推力，F=3421t

V---最大推进速度，V=8cm/min

PT=3421×10×8×10-2/60=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螺旋输送机参数的确定

a．输送量Q

理论出土量QL可按：

式中：

D为盾构的开挖直径，D=6.28m

Vmax为盾构的开挖速度，Vmax=8cm/min×60=4.8m/h

α为土的松动系数取为，α=1.5

本盾构机的螺旋输送机的输送能力为400m3/h，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：

w0为物料阻力系数，取3.2

γ为土的容重，取1.94t/m3

L、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10m，倾角为23°则：

L=10×cos23°=9.205mH=10×sin23°=3.907m

所以，

电机所需功率：

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450m3/h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450m3/h

Kd为端面系数，查表Kd=355

Kv为速度系数，查表Kv=0.96

Kβ为倾角系数，查表Kβ=1

V为带速，V=2.5m/s

取标准带宽，B=800mm

b．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=1.0~1.4，取Kq=1.4

η为效率，取η=0.88

N0为电动滚筒的轴功率：

式中：

Kq为空载运行功率系数，查表Kq=0.0165

Lh为运行长度，Lh=45m

Kz为水平满载运行功率系数，查表Kz=10.89×10-5

V为带速，V=2.5m/s

H为倾斜高度，H=0.5m

查表取Kf=2.8

本盾构机皮带输送机配备功率为30kW，满足上述计算要求。