日立造船盾构机驱动系统研究

盾构机刀盘动力系统设计与分析盾构机刀盘动力系统是盾构机的重要组成部分，其设计和分析对于盾构机的正常运行和施工效率具有重要的影响。

下面将对盾构机刀盘动力系统的设计与分析进行详细讨论。

首先，盾构机刀盘动力系统设计需要考虑的关键因素包括动力传递，扭矩传递和刀盘稳定性。

动力传递是指如何将主动轴上产生的动力传递到刀盘上，通常通过采用传动装置来实现。

传动装置的设计需要满足高效传动、耐久性和可靠性的要求。

扭矩传递是指可以将动力传递到刀盘的能力，这直接影响到刀盘在施工过程中的稳定性和效率。

因此，在设计中应选择合适的传动比和传动装置类型，以满足扭矩传递要求。

刀盘稳定性是指在切削过程中，刀盘系统能够保持良好的稳定性，避免刀盘过度摇摆或抖动。

在设计中，需要考虑刀盘的结构和重心位置，以及采用合理的支撑装置，保障刀盘的稳定性和工作效率。

其次，盾构机刀盘动力系统的分析是为了评估设计的可行性和性能，以确保系统能够实现预期的要求。

在分析中，需要进行动力学分析和强度分析。

动力学分析主要是为了研究刀盘在工作过程中的振动特性和动力特性，如刀盘的转速、扭矩和功率等。

通过对动力学特性的分析，可以确定刀盘动力系统的合理设计参数和工作状态。

强度分析主要是为了评估刀盘动力系统在工作过程中的承载能力和稳定性，通过计算和模拟分析，总结刀盘动力系统各种载荷下的应力、变形和疲劳寿命等参数，并根据分析结果进行优化设计。

除了动力系统的设计和分析，刀盘动力系统在实际施工中还需要做好监测和维护工作。

监测需要对刀盘动力系统进行实时监控，获取刀盘的工作状态和参数，以及对关键部件进行故障检测，确保刀盘动力系统的安全和稳定性。

维护工作包括定期检查和维护，例如检查传动装置的润滑情况，清洁刀盘表面，检查刀盘结构的状态，以及更换磨损的零件等。

通过有效的监测和维护工作，可以延长刀盘动力系统的使用寿命，并保证施工效率和质量。

综上所述，盾构机刀盘动力系统设计与分析是盾构机设计过程中的重要环节。

盾构机主驱动密封系统研究摘要本文通过比较市场上常见盾构机主驱动密封系统的异同，从密封结构的密封机理出发，分析不同厂家密封结构的优缺点，进而提出主驱动密封系统在设计、装配和运转过程需要注意的问题和优化建议，为盾构机设计和维保人员提供参考。

关键词盾构机；主驱动密封；密封机理；失效形式引言盾构机作为一种应用于地下工程施工的特种装备，其特殊的工作环境决定了其各个系统设计的安全性需求较高，盾构机的刀盘驱动密封系统是盾构机的最核心系统之一，主驱动密封系统性能的好坏直接决定盾构机性能的发挥，而且密封系统的失效在地下环境下很难修复，修复的成本将是惊人的，还会为整个工程带来巨大的安全风险。

工程人员结合实际工程案例分析了主驱动密封失效的主要原因和预防措施[1-2]。

日立造船为美国一公路隧道施工定制的开挖直径为17.5米的“伯莎”号盾构机在地下仅仅掘进了300米就发生了主驱动密封系统故障，盾构机无法在地下后退，密封件也无法在地下更换。

经过长时间的研究和方案比较，最终施工方决定采用在“伯莎”的前方开挖竖井并取出刀盘进行维修的办法。

此次主驱动密封系统的故障为项目带来1.5亿美元的损失和将近两年的而工期延迟。

上述主驱动密封系统失效的主要原因可能是在设计、装配、密封材料选型或者后期使用过程中维护不到位造成，因此，非常有必要对盾构机主驱动密封系统从密封结构形式、密封的组合结构和密封结构的密封机理等方面做深入研究。

1 主驱动密封系统的主要结构形式1.1 基本密封结构的组合形式各个不同的盾构机厂家对主驱动密封系统设计的结构形式是不同[3]。

为了达到良好的密封效果，大多采用不同的密封结构组合成密封系统，实现土仓内水土压力和主驱动箱内驱动组件的有效隔离。

常见的组合形式有以下几种：（1）機械迷宫密封+（2～5）道单唇口唇形密封，如图1所示。

（2）机械迷宫密封+（2～5）道单唇口压紧环密封，如图2所示。

（3）机械迷宫密封+（1～2）道多唇口唇形密封。

盾构主要用于软土、砂砬和强风化岩层及含水的混合地层隧道掘进。

主要由盾体、刀盘及驱动系统、螺旋输送系统、液压推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。

盾构掘进过程中，负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削扭矩变化很大(见表1)。

可见，盾构刀盘驱动所需功率大且功率变化范围宽。

刀盘驱动液压系统原理如图1所示刀盘驱动液压系统。

采用电比例功率自适应泵控马达技术，实时检测刀盘的转速，根据合适的策略控制变量缸位移，继而控制变量泵的排量，形成按负载工况变化需要进行刀盘转速的连续实时控制。

液压系统设计成开式回路，可适应两种工况，软岩工况时蹬低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩。

两种工况转换可通过控制电磁换向阀6来实现，当电磁铁断电时，溢流阀7.1确定系统最高压力，此时，系统压力设定为10 MPa，输出转矩小，但流量大(最大为300 L/min)，输出转速高;当电磁铁通电时，溢流阀7.2确定系统最高压力，此时，系统压力设定为20MPa，输出转矩大，但流量小，输出转速低。

刀盘转速通过调节变量泵2的排量实现，检测液压马达的输出转速，检测信号反馈到变量泵的比例阀上，构成速度闭环控制系统。

液压马达5.1和5.2的正反转可通过电液换向阀3来控制。

系统采用某公司的A11VO 260 LRDU2恒功率比例变量泵。

泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流成比例。

恒功率控制优先于变量控制，如果设定流量或工作压力使功率曲线超过，则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排量。

当低于功率曲线时，排量受控制电流的调整，泵输出的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化的影响。

变量调节特性如图2所示。

3模拟盾构实验平台实验装置如图3所示，包括模拟土箱、模拟盾构机、主顶、土体加压泵站、模拟盾构机泵站和控制室。

模拟土箱内的土能够通过水囊进行加压，实现对不同土压的模拟。

模拟盾构机由主顶推进，模拟盾构泵站包括刀盘与螺旋机驱动泵站和主顶驱动泵站。

盾构机主驱动和刀盘管路优化技术一、盾构机的主驱动技术盾构机的主驱动技术是指盾构机的推进系统和主要驱动部件，包括主推进缸、液压系统、主驱动电机等。

在地下隧道掘进作业中，盾构机需不断推进并对土壤进行开挖和排土，因此主驱动技术的稳定性和可靠性对盾构机的工作效率起着至关重要的作用。

目前，盾构机主驱动技术的发展趋势主要体现在以下方面：1. 高效节能。

盾构机主驱动系统的节能技术是目前的研究重点之一。

通过液压系统的优化设计和高效能电机的应用，实现盾构机主驱动系统的节能降耗，降低使用成本。

2. 智能化控制。

随着自动化技术的不断发展，盾构机的主驱动系统也在朝着智能化方向迈进。

通过对主驱动系统的传感器监测和控制算法的优化，实现盾构机主驱动系统的智能化控制，提高工作效率和安全性。

二、刀盘管路优化技术刀盘是盾构机的主要开挖装置，刀盘管路是刀盘输送土屑和排土的重要环节。

刀盘管路的优化设计能够有效提高盾构机的工作效率和安全性。

1. 输送效率的提高。

通过对刀盘管路的结构和材料的优化设计，减小土屑和排土的阻力，提高刀盘的开挖效率。

采用适当的输送介质和布置方式，减小土屑的堵塞和积压，提高土屑的输送效率。

2. 排土系统的安全性。

盾构机在进行掘进作业时，需要将土屑及时排出隧道，以保证盾构机正常工作。

因此排土系统的安全性对盾构机的工作效率和人员安全起着至关重要的作用。

刀盘管路的优化设计应该考虑排土系统的稳定性和可靠性，避免发生积土、堵塞等意外事故。

3. 输送管道的磨损控制。

在长时间的使用过程中，刀盘输送管道会受到土屑的磨损，降低输送效率。

需要通过材料的选用和管道结构的优化设计，减少管道的磨损程度，延长刀盘输送管道的使用寿命。

1. 节能环保。

随着能源资源的日益紧缺和环境保护意识的增强，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术将更加注重节能环保，采用新型的高效能、低排放的动力装置和输送介质，以降低盾构机的运行成本并减少对地下环境的影响。

3. 高可靠性。

日立盾构机与海瑞克优缺点比较一、刀盘转动驱动是高效变频电机驱动变频电机驱动：设备购置成本及施工成本均低于液压马达驱动20% 与液压马达比较表变频电机驱动液压马达驱动效率效率高效率低速度控制变频电机无级变速通过流量无级变速维修容易，清洁主要是密封与油污噪音及发热噪音小，发热量小噪音大，发热量大制动实现缓冲制动，保护机械结构不能实现缓冲制动故障少多二、刀盘设计多地质适应性刀盘为辐条面板式结构，主承力结构为双环六辐条结构，通过调整六块面板面积，可方便地改变刀盘开口率的大小，适应不同地质条件，而不影响刀盘强度。

▪▪▪▪▪▪▪▪三、大直径轴承设计本盾构机配置直径为φ3200mm的三排圆柱滚子轴承（厂家日本Roballo， Roballo 为罗特艾德全资子公司，海瑞克直径为φ2600mm），可合理地布置人闸（安装于隔板上部）等部件，轴承受力更合理均匀，使其具有较高的使用寿命，同时扭腿间有较大的空间，且土仓上扭腿所在环相对中心处隔板相对运动，便于渣土的搅拌及流动，可有效地防止土仓隔板泥饼的形成。

四、刀具设计盾构机配置长寿命刀具（海瑞克200米就需要换刀，我们的盾构机可保持1000米不换刀），刮刀采用大型双刃合金结构，合金采用嵌入式，刀具刀刃材质采用E5合金，具有较好的韧性及耐磨性，刀体易磨损处做耐磨堆焊处理。

五、铰接设计本盾构机采用主动式铰接结构（海瑞克是被动铰接），最小转弯半径可达150m，方向控制灵活。

总推力：30000kn 油缸数量：1500kn*20根形式：Ｖ型密封 2 段、灰尘密封 1 段耐压： 1.0 Mpa润滑：自动供脂六、搅拌翼设计在刀盘内侧装备有可以覆盖整个区域的搅拌翼，无搅拌盲区。

七、螺旋输送机设计螺旋输送机即可径向出渣也可轴向出渣，并预留螺旋出渣器接口，预防喷涌的发生。

螺旋机前端导筒采用双层结构，可伸缩驱动方式：液压驱动方式功率：220kw （海瑞克的为210kw）出土量：350 m3 / h八、添加剂主入口设计刀盘上注入口与中心回转接头内管路为一一对应，注入口采用日立专利技术，具有很好的防堵功能。

盾构机主驱动和刀盘管路优化技术盾构机是一种用于地下隧道开挖的专业设备，其主要由主驱动和刀盘管路组成。

主驱动是盾构机的核心部件，它提供了足够的动力和转动力以驱动刀盘进行开挖工作。

而刀盘管路则是将主驱动提供的能量传递给刀盘，使其能够在地下隧道中进行开挖作业。

对于盾构机的主驱动和刀盘管路进行优化设计，可以极大提高盾构机的工作效率和稳定性，减少能源消耗和维护成本，从而实现更高效，更安全，更经济的地下隧道工程施工。

一、主驱动的优化技术1.电动主驱动：传统盾构机的主驱动一般采用液压驱动或者油压驱动。

随着科技的进步，电动主驱动技术已经成熟，并且在一些盾构机项目中得到了应用。

相比传统液压驱动，电动主驱动具有更高的效率和更稳定的性能，而且可以减少液压系统对机器的影响，使得盾构机在恶劣的地下工作环境下能够更加可靠。

2.智能控制系统：随着自动化技术的发展，盾构机的主驱动也可以配备智能控制系统，实现对主驱动的精准控制和监测。

智能控制系统能够根据地质情况和施工进度自动调整主驱动的工作参数，从而提高施工效率和降低能源消耗。

而且智能控制系统还可以及时发现主驱动的故障并提供预警，避免因故障引起的损失。

3.能量回收技术：盾构机在开挖过程中会产生大量的机械能，而在传统的设计中这部分能量通常被浪费掉了。

采用能量回收技术可以将这部分能量进行回收再利用，减少了对外部能源的依赖，降低了能源消耗和施工成本。

二、刀盘管路的优化技术1.优化刀盘设计：刀盘是盾构机的犁头，直接参与地下隧道的开挖工作，因此其设计对盾构机的整体性能有着重要影响。

通过优化刀盘的形状和材料，可以提高刀盘的耐磨性和耐腐蚀性，延长刀盘的使用寿命。

优化刀盘的结构和布置，可以减小刀盘对土壤的扰动，降低了施工过程中产生的土壤沉降，提高了施工安全性。

2.改善刀盘管路传动系统：刀盘管路是将主驱动提供的动力传递给刀盘的关键部件，其传动系统的优劣直接关系到刀盘的开挖效率和稳定性。

改善刀盘管路传动系统可以采用新型的轴承和传动元件，减少了传动损耗和振动，提高了传动效率和稳定性。

盾构机的工作原理1．盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。

2．掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。

3.管片拼装盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。

盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用。

盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。

盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。

3.1.盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。

前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。

承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。

前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右被分成A、B、C、D 四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。

盾构机调研报告根据对盾构机的调研，以下是我们的报告：1. 概述盾构机是一种用于地下隧道开挖的机械设备。

它由钻头、刀盘、推进系统和控制系统等组成。

盾构机可以在地下开挖出各种形状的隧道，被广泛应用于地铁、交通隧道和水利工程等领域。

2. 盾构机的类型根据不同的工程要求和地质条件，盾构机可以分为多种类型。

常见的盾构机类型包括硬岩盾构机、软岩盾构机、土层盾构机和混凝土管片盾构机等。

3. 盾构机的工作原理盾构机是通过推进系统推进并同时开挖隧道。

首先，推进系统推动机器的前端进行推进，同时刀盘开始旋转开挖土壤。

一旦土壤被挖掘，刀盘就利用传送系统将挖掘的土壤带到机器后方的输送带上。

4. 盾构机的优势相比传统的隧道开挖方法，盾构机具有以下优势：- 提高工作效率：盾构机可以连续开挖，比人工开挖更快。

- 保护环境：盾构机在开挖过程中可以有效控制噪音和振动，减少对周围环境和建筑物的影响。

- 提高工程质量：盾构机可以确保隧道的准确尺寸和平整度，使得隧道更加稳定和安全。

- 降低人工劳动强度：盾构机减少了人工的直接参与，对工人的劳动强度有明显的减轻。

5. 盾构机的应用领域盾构机广泛应用于城市轨道交通建设、地下排水工程、下水道建设、高速公路隧道和水利工程等领域。

随着城市化进程的推进，盾构机的需求量也在不断增加。

6. 盾构机的市场前景随着基础设施建设的加快和城市化进程的推进，盾构机市场前景广阔。

国内外盾构机制造商都在加大研发和生产力度，以满足市场的需求。

7. 盾构机的发展趋势随着技术的不断进步，盾构机的发展趋势主要体现在以下几个方面：- 提高自动化水平：加强对盾构机的自动控制和监测系统的研发，提高工作效率和质量。

- 减少环境污染：研发更环保的盾构机，减少对大气和水环境的污染。

- 提高适应性：开发多功能盾构机，适用于不同的地质条件和隧道设计要求。

根据以上调研结果，可以看出盾构机的应用前景广阔且具有较大的发展潜力。

随着技术不断创新和市场需求的增加，盾构机行业将迎来更加繁荣的发展。

盾构机械设备的创新与发展研究近年来，随着城市化进程的加速和基础设施建设的提升，盾构机械设备作为地下工程施工的重要工具，起到了不可替代的作用。

为了适应不断变化的施工需求，盾构机械设备的创新与发展显得尤为重要。

本文将从以下几个方面对盾构机械设备的创新与发展进行研究。

一、盾构机械设备的结构创新盾构机械设备的结构创新是提高施工效率、提升设备性能的重要途径。

首先，针对不同地质条件和施工需求，可以适当调整盾构机的外形结构和内部布置，使其更加灵活高效地运作。

例如，引入模块化设计的概念，以便根据不同的施工环境进行快速拼装和拆卸。

其次，通过应用先进材料和新的制造工艺，可以提高盾构机械设备的强度、刚度和耐腐蚀性，延长其使用寿命并降低维护成本。

二、盾构机械设备的动力系统创新盾构机械设备的动力系统是决定其施工效率和可靠性的关键因素之一。

在动力源方面，可以研究发展更加节能环保的动力装置，如电动或混合动力系统，以减少对传统燃油的依赖，降低能源消耗和环境污染。

在传动系统方面，可以探索采用更高效、更可靠的传动机构，如电动液压传动或直线电机传动，以提高盾构机的运动精度和控制稳定性。

三、盾构机械设备的自动化技术创新随着信息技术和自动化技术的快速发展，盾构机械设备的自动化水平也在不断提升。

首先，可以引入激光测距、雷达测量等先进的传感技术，实现对隧道施工环境和地质情况的实时监测和分析，从而提高施工的安全性和效率。

其次，可以采用先进的控制算法和智能化系统，实现盾构机械设备的自主导航和智能操作，降低对操作人员的技术要求，提高施工的可控性和一致性。

四、盾构机械设备的施工管理创新盾构机械设备的施工管理对于保障施工质量和工期进度至关重要。

在施工准备阶段，可以利用数字化建模技术对整个施工过程进行虚拟仿真，预测和优化施工方案，并提前识别和解决潜在的施工风险。

在施工执行阶段，可以应用现代化的信息管理系统，实现施工数据的实时监控和分析，及时调整施工参数和方向，确保施工过程的可控和有序。