下载文档原格式
盾构机结构与性能分析及改进研究盾构机是一种用于地下隧道和管道施工的重要设备，它具有高效、安全、环保等优点，被广泛应用于城市地铁、交通隧道、水利工程等领域。
本文将对盾构机的结构和性能进行分析，并提出改进研究的方向。
首先，我们需要了解盾构机的基本结构。
盾构机主要由盾体、刀盘、主驱动机构、推进系统、托盘输送系统、供电系统、控制系统等部分组成。
盾体是盾构机的主体结构，用于支撑和保护刀盘，同时也承受巨大的推力。
刀盘是盾构机破碎岩石和土壤的主要工具，具有多个刀具，能够旋转和推进。
主驱动机构提供动力和转矩，驱动刀盘执行工作。
推进系统是盾构机施工的核心部分，它通过使刀盘和盾体相对运动，实现推进的目的。
托盘输送系统用于将挖掘出的土和岩石通过螺旋输送机或链式输送机运出隧道。
供电系统为盾构机提供电力，控制系统负责盾构机的操作和监控。
接下来，我们将对盾构机的性能进行分析。
盾构机的性能主要包括施工效率、安全性和环保性。
施工效率是衡量盾构机性能的关键指标之一，它取决于推进系统的工作效率、刀盘的破碎能力、排土系统的输送能力等因素。
安全性是盾构机运行过程中至关重要的性能指标，主要包括盾构机的稳定性、防火、防爆等措施的完备性，以及作业人员的安全教育和培训等方面。
环保性是现代工程设备所必须考虑的重要因素，盾构机在施工过程中应尽可能减少噪音、振动和尘土的产生，以保护生态环境。
针对盾构机的结构和性能分析，我们可以提出一些改进研究的方向。
首先，可以提高盾构机的整体结构刚度和稳定性，采用更先进的材料和结构设计，以增加盾体对外界力的抵抗能力。
其次，可以提高刀盘的破碎能力和转速，改善刀具的耐磨性能，加强刀盘的冲刷和排土能力，以提高盾构机的施工效率。
另外，可以优化盾构机的推进系统，提高推进速度和精度，减少系统故障和停工时间。
同时，可以改进托盘输送系统，增加输送能力和精度，避免土和岩石的堵塞和堆积。
还可以继续研究盾构机的供电系统，提高供电稳定性和能效，减少能源的消耗和排放。
矩形盾构2P5R管片拼装机的研制庄欠伟【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》【年(卷),期】2018(035)001【总页数】3页(P38-40)【作者】庄欠伟【作者单位】上海隧道工程有限公司,上海200232;上海盾构设计试验研究中心有限公司,上海,200137【正文语种】中文0 引言随着城市现代化的推进，城市交通中地下空间的开发与利用日趋重要。
为了更合理地运用有限的地下空间，矩形或类矩形等异形断面的隧道被越来越多地应用到城市隧道工程中[1]，矩形断面隧道的尺寸越做越大，施工距离也越来越长[2-3]。
然而，由于此类隧道均是在城市交通道路和建筑结构的地下，加上错综复杂的地下管线的影响，矩形隧道的施工对环境、设备和技术的要求也越来越高，现有的施工设备和技术已很难满足要求，新型异形断面隧道掘进机的研发已成为一种趋势，而拼装机系统作为隧道掘进机的重要组成部分，直接关系到隧道施工的质量和效率。
当前市场上投入到工程应用的矩形或类矩形隧道掘进机主要以顶管形式为主，不具备管片拼装机等设备，管节跟随掘进机体一同被向前顶进，施工条件受到很大限制。
传统圆形盾构所用的管片拼装机受拼装机械手活动范围所限，无法直接应用在矩形等异形隧道掘进机上。
因此本文对可用于矩形及其他异形断面的管片拼装机进行研究具有重要的意义。
1 研究背景国外对矩形盾构进行过许多研究，其中日本在2003年就研究了采用2台传统拼装机的大断面矩形盾构[4]。
目前最大的矩形盾构应用于日本东京相模纵贯川尻隧道工程，断面尺寸为11.96 m×8.24 m，为敞开式盾构。
它所采用的管片拼装机构为矩形环状导轨式，该结构不足之处在于拼装装置结构复杂、庞大，且360°导轨对盾构前后区域造成空间隔离，给施工带来不便。
国内多家机构对盾构管片拼装机进行了研究，也提出了一些新的拼装机构类型。
如武汉大学喻萌和程燕[5-6]采用虚拟样机技术研究了回转加摆臂式拼装机；上海交通大学黄业平等人研究了基于3-RPS并联构型的管片拼装机构[7-8]；钱晓刚研究了采用球面二自由度的空间五杆机构来实现拼装自由度，为隧道管片拼装技术提供了新的思路。
超大直径盾构管片拼装机液压和电控系统设计超大直径盾构管片拼装机液压和电控系统设计摘要：目前时期，我国对于超大径隧道工程的盾构需求越来越高，在这一基础上，为了能够有效满足超大直径盾构机生产需求，文中以某地海峡隧道重大工程为例，对超大直径盾构机械设备进行了两个方面的研究，首先进行了超大直径盾构管片拼装机液压系统设计研究，包括液压系统工作原理以及液压系统参数与元器件设计选型。
随后进行了超大直径盾构管片拼装机电控系统设计分析，包括电控系统工作原理、电控系统配置和PCL选型，旨在提升我国在超大直径盾构机领域的制造水平。
关键词：超大直径盾构机；管片拼装机液压系统；管片拼装机电控系统一、超大直径盾构管片拼装机液压系统设计（一）液压系统工作原理在超大直径盾构机中，液压泵站是支撑管片拼装机的重要动力源。
通常情况下，其需要由90kM的三台变量泵共同联合控制运行，继而实现为管片拼装设备的执行不同动作提供运行动力[1]。
在管片拼装机的运行时，需要控制电机开启的数量并同时控制电控液阀才能完成泵力量的调节操作。
另一方面，电液控制阀开关的开启和关闭都是由PLC进行直接控制的，使得管片拼装机的实际工作速率变化情况进行选择性管控。
（二）液压系统参数与元器件设计（1）平移机构的设计在管片拼装机进行平行移动时，需要2个平移液压缸进行驱动，使得行走轮能够在行走梁上进行滚动推进管片拼装机完成平行移动。
当管片吊装完成后，平液压缸的伸缩拉力与推力数值相等，此时的受力数值计算公式①为：（2）旋转机构设计在进行旋转结构设计时，需要确保旋转结构可以准确控制管片沿着隧道的圆周方向进行旋转式运动，两级行星齿轮需要通过液压马达进行连接，然后4个小齿轮进行回转啮合形成设备的驱动力。
在旋转机构工作时，取1.0r/min为最高转速，同时对管片拼装机的滑动架、吊装梁等设备产生的扭矩进行平衡处理，采用的方法是匹配重块实现平衡效果。
设计期间，管片机在水平状态下，承受的扭矩最高，此时的管片拼装机旋转扭矩计算公式为⑥：二、超大直径盾构管片拼装机电控系统设计（一）电控系统工作原理在进行电控系统的工作原理分析时，能够发现超大直径盾构管片拼装机是整个盾构机的核心子系统，控制系统直属于中央控制系统中，此时控制系统的核心时PLC，能够自动控制设备的不同施工动作，该系统主要被安装于具备远程接口的操作台之上。
盾构机管片拼装机原理The shield tunneling machine pipe jacking machine is an essential component in the construction of underground tunnels. It plays a crucial role in the assembly of concrete pipes that form the tunnel walls. The main principle behind the operation of the pipe jacking machine is to push the pipes into place using hydraulic jacks, which helps in creating a stable tunnel structure. This process requires precision and careful coordination to ensure the seamless assembly of the pipes.盾构机管片拼装机是地下隧道建设中不可或缺的组件。
它在组装形成隧道壁的混凝土管道中起着至关重要的作用。
管片拼装机的操作原理主要是利用液压顶千吨把管片推入位，这有助于创建稳定的隧道结构。
这个过程需要精准和谨慎的协调，以确保管片的无缝拼装。
The shield tunneling machine pipe jacking machine consists of several key components, including hydraulic jacks, a pushing frame, pipe alignment devices, and monitoring systems. The hydraulic jacks apply pressure to push the pipes into place, while the pushing frame provides the necessary support and stability during the assemblyprocess. The pipe alignment devices help ensure that the pipes are properly aligned and connected, while the monitoring systems track the progress and detect any potential issues during the assembly.盾构机管片拼装机包括几个关键组件，包括液压顶千吨、推挡架、管道对准装置和监控系统。
隧道掘进机管片拼装机简介与常见问题的解决发布时间：2021-09-11T07:27:37.447Z 来源：《基层建设》2021年第17期作者：王怡琳[导读] 摘要：管片拼装机是隧道施工中重要设备，本文介绍了管片拼装机使用功能、结构组成、工作原理。
北京建工集团有限责任公司北京 100000摘要：管片拼装机是隧道施工中重要设备，本文介绍了管片拼装机使用功能、结构组成、工作原理。
根据管片拼装机现场使用情况，提出管片拼装机实际工况，结合现场实际隧道施工经验，介绍管片拼装机施工中常见问题与解决办法。
关键词：管片拼装机；工况；结构组成；使用功能；引言：自改革开放以来，我国社会经济快速发展，带动了建筑行业的繁荣兴盛。
近年来，随着我国城市化建设进程的不断加快，投入了大量的人力、物力进行基础建筑工程和设施建设，其中就包括大量的隧道工程。
经过长期的发展，目前我国的隧道开挖技术水平已得到大幅度提高，而且陆续引进了国外先进的施工技术机械设备以及管理方法，结合我国的实际环境及客观条件，经过消化吸引并积极开拓创新，促使我国在隧道工程领域得到了长足发展，与发达国家之间的差距大幅度缩小。
当前，在我国隧道工程施工建设过程中，基本已实现了机械化作用。
而掘进机就是隧道工程中常用的机械设备之一，一旦掘进机发生故障，必然会对隧道工程施工建设质量和施工安全，造成极为严重地影响，甚至对人民的生命财产安全造成严重地损害。
因此，必须对全断面掘进机常见故障的原因加强研究和分析，并制定科学合理地处理方法，有效保证掘进机的正常运行，保障隧道工程施工建设的顺利进行。
本文以隧道掘进机在隧道工程掘进施工过程中，发生的一些典型机械故障及导致故障的原因进行系统分析，并根据实际情况详细阐述相应的处理解决办法，以期提供更多可靠的参考依据。
一、管片拼装机结构组成以及使用功能管片拼装机结构组成：固定环、旋转环、平移装置、提升装置、驱动装置、抓取装置。
隧道施工时，每环管片与砂浆服务车一起进入到设备末端，管片吊机依次将每块管片吊到拼装机工作区域，管片拼装机在滑道上向后行走至管片上方，提升装置中的大臂油缸伸出，使抓取装置上连接套挂到连接管片的蘑菇头上，抓取油缸缩回将管片压紧到尼龙块上，大臂油缸缩回，旋转环在驱动装置的作用下旋转到拼接管片的位置上，大臂油缸伸出，管片安装定位，大臂油缸缩回并旋转至起始位置，依次抓取第二块管片，旋转装置能够旋转±220°。
盾构管片拼装机原理及结构分析
1.盾构管片拼装机简介
管片拼装机，又称举重臂，是一种设置在盾尾部位、可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械。
开挖后的隧道需要用洞外预制好的钢筋混凝土管片进行永久性支护，管片拼装机的作用就是将管片快速准确地安装到刚开挖的隧道表面，以支护隧道表面、防止地下水土的渗透和地表沉降，管片承担着盾构前进的推进反力。
盾构管片拼装机是一种典型的复杂机电液产品，是盾构成套装备系统的关键子系统之一（见图1），管片拼装机的功能直接影响到管片拼装质量和隧道施工的效率。
图1 盾构机上的管片拼装机
2.盾构管片拼装机工作原理：
管片拼装机将自动输片装置输送来的管片夹持锁紧，升降油缸提升管片，平移机构将提起的管片移到拼装的横断面位置，回转机构将该管片旋转到管片安装的径向位置，完成管片在隧道中的初步定位；再用偏转油缸、仰俯油缸和举升油缸的不同步伸缩微调定位，使待装管片的螺栓孔与前一环、前一片管片的螺栓孔同时对齐，当一环管片（一环管片衬砌通常由6～11块管片按一定顺序拼砌而成）安装完成后，用螺栓将环向及轴向相邻的管片按一定的力矩进行联接，完成管片的拼装（其示意图如图2）。
图2 管片拼装过程示意图
整个过程完全自动化，管片拼装机在空间内能完成6个自由度的无干涉运动：纵向直线运动(沿隧道轴线)、径向直线运动(隧道断面方向)、圆周方向回转运动(绕隧道轴线)及绕坐标系的三个姿态微调整转动（其示意图如图3），6个自由度分别由电液比例多路阀通过液压马达和液压缸来实现。
管片拼装机在实际施工中，一般按以下顺序拼装管片：供给管片→夹持锁紧管片→提升管片→初定位管片→微调管片→螺栓连接。
图3 管片拼装机六自由度示意图
3.盾构管片拼装机的结构
管片拼装机通常的型式有盘式和中心环式。
盘式拼装机一般以挡拖轮定位，中心环式一般以回转支承定位，由于中心环式具有定位精度高、结构相对简单等特点，主要用于中大型隧道断面管片安装，是目前主要的结构型式[2]。
环式管片拼装机主要由管片夹持部件、提升部件、平移机构、回转机构、螺栓联接装置、真圆保持装置等组成，其中主要部件如图4所示。
1．行走梁2．旋转盘体3．移动盘体4．液压马达5．提升横梁6．中心球关节轴承7．转动平台8. 偏转油缸9. 俯仰油缸10. 升降油缸
图4 管片拼装机结构图
3.1管片夹持部件
管片夹持部件由提升横梁、中心球关节轴承、扣头油缸、扣头持重座、扣头螺栓、扣头、偏转油缸、仰俯油缸等组成。
扣头螺栓预装在管片上，通过平移机构、回转机构和举升机构将管片装机上的扣头与扣头螺栓对位，再通过扣头油缸把管片紧紧地扣在扣头持重座上[3]；管片初定位后，仰俯油缸用来调整管片绕Y轴的仰俯角度，偏转油缸用来调整管片绕Z轴的偏转角度，摆动角度＜±3°。
管片夹持部件也有采用真空吸盘的方式将管片吸住，真空吸盘装置具有管片夹持简便、拼装平稳及碎裂现象少等优点，多应用在超大型盾构制作中。
3.2提升机构
提升机构主要由两根升降油缸组成，升降液压缸套筒固定在旋转盘体两侧，通过两根活塞杆的同步伸缩运动带动液压缸下方管片夹持部件的径向提升运动；管片初定位后，可通过改变两升降油缸的行程差（即差动）使管片绕X轴横摇，摆动角度＜±3°。
管片拼装机径向运动时运动范围较大，行程达1000 mm以上，径向定位精度要求高，运动惯量大。
3.3平移机构
平移机构布置在行走梁之上，可以沿着行走梁的导轨槽移动，平移机构由移动盘体、平移油缸、三个支座（前中后各一个）等组成。
通过平移油缸的伸缩使移动盘体及安装在其上的旋转盘体、管片夹持部件等沿行走梁的导轨槽作往复直线运动，从而使管片完成沿隧道轴向运动，轴向运动最大行程达2000 mm。
移动盘体作为旋转盘体的固定架，承受并传递旋转盘体的重量及管片负荷，在移动盘体上安装有驱动旋转盘体的马达。
行走梁用螺栓安装在盾尾，行走梁共两段，左右对称分布，其上分别布置导轨各一根；行走梁是形状狭长的导轨和承重载体，且属悬臂梁结构，故常采用变截面形状的箱梁结构改善受力。
3.4 回转机构
回转机构如下图5所示，它由液压马达，减速器、小齿轮、回转支承等零部件组成。
整个回转机构的动力传递过程是：液压马达→减速器→传动轴→传动小齿轮→回转盘体[4]，液压马达与减速器一体，回转盘体通过回转轴承安装在移动盘体上，小齿轮与回转轴承内齿圈啮合形成一级直齿圆柱齿轮传动，液压马达的输出扭矩和转速通过减速器传给小齿轮，再经小齿轮与回转轴承内齿圈的圆柱齿轮传动传给旋转盘体，从而驱动旋转盘体连同安装在其上的提升机构、管片夹持部件及管片作旋转运动，圆周回转角度±200°，在管片拼装机实际使用过程中，其中一个马达上安装有光电码盘传感器，用于周向定位，以便将管片精确安装到预定位置。
图4 管片拼装机回转机构图
3.5真圆保持装置
盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难，真圆保持装置的作用就是使管片环在盾构推进后保持真圆度。
真圆保持装置支柱上装有上下
伸缩的千斤顶，千斤顶的上下两端装有圆弧形的支架，该支架可沿着动力车架的伸缩梁上轴向滑动；当一管环拼装结束后，就把真圆保持器移到该管环内，让千斤顶使支架撑紧管片环内圆表面，盾构推进后管片环保持真圆状态。
3.6螺栓联接装置
螺栓联接装置是将由管片拼装机定了位后的管片用螺栓联接在一起的装置。
这种联接装置在径向块与块之间螺栓联接(3根同时进行)用一台装置，而在轴向的环与环之间的螺栓联接则用两台装置。
如下图6所示。
图6 螺栓联接装置结构图
4．盾构管片拼装机技术发展趋势
目前，我国盾构施工中实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装、螺栓联接等仍是靠人工作业进行管片拼装，存在劳动强度大、管片拼装效率和拼装质量较低的问题；而国外新型的管片拼装机已利用了激光技术、光学图像处理技术、伺服控制技术、传感检测技术及故障诊断技术等，使管片的安装定位更加准确、可靠、快速，管片拼装机必将向此全自动化的智能机器人方向发展。
参考文献：
[1] 薛备芳.我国盾构掘进机的现状和发展策略.世界隧道，1999 (6 )：26-31
[2] 梅勇兵，程永亮，王宇飞. 盾构隧道管片拼装技术的应用与发展建筑机械2010.02
[3] 管会生，黄松和，徐济平盾构管片拼装机设计研究矿山机械2005年第3期
[4] 李文福，盾构管片拼装机的结构分析山西建筑第5期2010.2。
