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盾构机推力计算
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
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。
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