盾构机推力计算

第1页共11页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+P0P01=Pe+G/DLP1=Pe×λP2=(P+γ.D)λ式中：λ为水平侧压力系数，λ=0.47h为上覆土厚度，h=12.8mγ为土容重，γ=1.94t/m3G为盾构机重，G=340tD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/m2P01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m2P1=26.83×0.47=14.89t/m2P2=(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m27.8.2.1.1盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：54321FFFFFF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.)(4121011DLPPPPFe3.0数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：第2页共11页tF23.11443.032.825.63.1889.1437.3383.26411）（）（dPDF224为水平土压力式中：dP，）（2DhPdmDh93.15228.68.1222/52.1493.1594.147.0mtPdtF48.44552.1428.64/22）（）（CDF234/式中：C为土的粘结力，C=4.5t/m2tF06.1385.425.6423）（ccWF4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=0.3tF47.143.024.484cossin5hghGGF式中：Gh为盾尾台车的重量，Gh≈160t；θ为坡度，tgθ=0.025μg为滚动摩阻，μg=0.05tF00.12116005.0025.01605盾构总推力：tF24.175400.1247.1406.13848.44523.1144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：987654321MMMMMMMMMM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第3页共11页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001RChrdrM)(2120max1RhCM式中：Cг：土的抗剪应力，Cг=C+Pd×tgφ=4.5+14.52×tg20°=9.78t/m2hmax：刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转R0：最外圈刀具的半径，R0=3.14mmtM83.3)14.310878.9(21221b．刀盘自重产生的旋转力矩M2M2=GRμg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=2.6mμg：滚动摩擦系数，计算时取为μg=0.004M2=55×2.6×0.004=0.57t﹒mc．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3M3=WpRgμzWp=απRc2Pd式中：Wp：推力荷载；α：刀盘封闭系数，α=0.70Rg：轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m；Rc：刀盘半径，Rc=3.14μz：滚动摩擦系数，μz=0.004；Pd：水平土压力，Pd=14.52t/m2Wp=0.70π×3.142×14.52=312.83t；M3=312.83×1.25×0.004=1.56t﹒md．密封装置产生的摩擦力矩M4M4=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/mn1、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·me．刀盘前表面上的摩擦力矩M5第4页共11页)(3235dPPRM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=0.15R：刀盘半径，R=3.14mmtM96.41)52.1414.315.030.0(3235f．刀盘圆周面上的摩擦力矩M6M6=2πR2BPZμP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+P01+P1+P2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m2M6=2π×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09t·mg．刀盘背面的摩擦力矩M7M7=2/3[（1-α）πR3μP×0.8Pd]M7=2/3（0.70×π×3.143×0.15×0.8×14.52）=78.33t·mh．刀盘开口槽的剪切力矩M83832RCM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/m2mtM88.4530.014.327.23238i．刀盘土腔室内的搅动力矩M9M9=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=3.84mL：支撑梁长度，L=0.8mM9=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·m7.8.2.2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.第5页共11页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≈10cm7.8.2.2.1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22)35()5.13424.15.0tghRhhrRKFiid（压力式中：Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd=0.55R压为岩石的抗压强度，R压=62.3Mpa=623kg/cm2ri为盘形滚刀的刃角半径；ri=8cmθi为盘形滚刀的半刃角；θi=30°φ为岩石的自然破碎角，φ=155°ttgF64.242155116.2121)3530()5.1862355.03424.15.0（力m=D/(2×Bm)式中：D为刀盘的外径，D=6.28mBm为滚刀的刀间距，Bm=10cm第6页共11页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=936.32t7.8.2.2.2盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：321TTTT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miimmFBT11式中：F为盘形滚刀的滚动力力PhRhF243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=0.8P力=F压=24.64h为每转切深，h=1cmR为盘形滚刀的半径，R=6.21mm27.264.2416.21218.043FBm为盘形滚刀刀间距，Bm=10cm=0.1mmtmTii99.2041.027.24211b．石碴提升所需要的扭矩T2T2=qπR2hμ1R式中：q为石碴容重，q=2.59t/m3R=3.14mH=1mm/n第7页共11页μ1为刀盘系数，μ1=0.70T2=2.59×π×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75tc．克服刀盘自重所需要的扭矩T3T3=W1μ1R式中：W1为刀盘自重，W1=55tμ1=0.70R=3.14mT3=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·m7.8.2.3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。tFF36.263124.17545.15.1按照《MechanisedShieldTunnelling》一书（作者：BernhardMaidl；MartinHerrenknecht；LotharAnheuser等）介绍的经验公式进行验算kNDF2式中：α为经验系数，按下图取500~1200D为盾构外径，D=6.25mtkNF5.4687~195346875~1953025.6)1200~500(2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。第8页共11页D（m）盾构外径β=12000020002460004000推力8000F=βD681012β=500F（t）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=1.8T=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：9550nTPc＇式中：Tc为刀盘驱动的最大扭矩；Tc=530t·mn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：kWP97.55495501105304＇b.液压马达所需总功率：kWPPm91.65285.097.554＝＇第9页共11页其中：ηm为马达效率，ηm=0.85m为液压马达数量，m=8每个马达功率为：kW61.818652.91PmmPc.驱动电机的总功率：kWPPdz7259.0/91.652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