一种可防止盾体自转的盾构推进系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可防止盾体自转的盾构推进系统，包括管片

【技术实现步骤摘要】
一种可防止盾体自转的盾构推进系统


[0001]本专利技术涉及盾构隧道
，特别涉及一种可防止盾体自转的盾构推进系统
。

技术介绍

[0002]盾构是一种用于隧道开挖的大型工程机械，其具有施工速度快
、
不受气候及地面交通影响及一次快速成型等优点
。
近年来，在国内一
、
二线城市地铁建设之中基本采用盾构进行施工，盾构已广泛应用于我国地下交通系统建设中
。
[0003]在盾构工程中，刀盘是地下隧道挖掘的主要工具，它旋转并施加扭矩来切割和挖掘地层物质
。
这个切割和挖掘过程会导致刀盘产生扭矩，这个扭矩通过刀盘头传递到地下的地层物质，用于切割和挖掘
。
同时，根据牛顿第三定律，反作用力会影响到盾构机本身，可能导致机器的不稳定或振动，严重时甚至会导致盾体发生自转，液压缸通过撑靴顶在管片上，若盾体自转，则会对管片进行破坏，也会严重影响盾构的掘进精度
。
[0004]目前在盾构施工过程中，当土层和盾体之间的摩擦力足够大时，刀盘旋转的扭矩对盾体的反作用力不会对盾体产生不良效果，而当土层与盾体之间的摩擦力不足以抵抗刀盘旋转产生扭矩对盾体的反作用力时，反作用力会影响到盾构机本身
。
针对这种情况，常采用控制刀盘旋转速度
、
周期性地使刀盘正反转等方法来减少刀盘扭矩或消除扭矩对盾体产生的影响，但是这些方法将会降低盾构的掘进速度和掘进精度
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种可防止盾体自转的盾构推进系统，通过测量刀盘旋转产生的扭矩，液压缸群整体偏转一个角度，并调整液压缸的推力获得与刀盘产生扭矩方向相反的扭矩与盾体和土层之间摩擦力产生的扭矩叠加，从而消除刀盘旋转扭矩对盾构的不良影响
。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种可防止盾体自转的盾构推进系统，包括管片
、
撑靴
、
液压缸
、
盾体
、
刀盘，所述刀盘安装在盾体的最前端，管片位于盾体后方，所述管片与盾体之间呈环形
、
等距
、
连续均匀布置若干液压缸，所有的液压缸组成液压缸群；所述液压缸一端与盾体后端连接，液压缸另一端通过撑靴顶在管片上，并通过管片上的反作用力推动整个盾构向前掘进；转盘固接在液压缸群上，由步进电机驱动；根据刀盘旋转实际产生的扭矩，通过脉冲信号控制步进电机驱动转盘旋转相应角度，从而带动所有液压缸偏转相同的角度，并通过安装在步进电机主轴上由电磁继电器控制的制动器将转盘锁死，使液压缸群的偏转方向在掘进过程中保持不变，从而液压缸的推力分成轴向分力和径向分力，其中轴向分力作为盾构向前掘进的推力，径向分力形成扭矩来抵抗刀盘旋转产生的扭矩
。
[0007]上述可防止盾体自转的盾构推进系统，转盘转动角度
θ
是通过安装在刀盘上的扭矩传感器测量出来的刀盘在实际掘进过程中产生的扭矩
M
和掘进过程中推进系统所需的推力
F
总
计算得出来的，转盘转动角度
θ
的具体计算公式如下：
[0008]F1＝
Fcos
θ
，
F2＝
Fsin
θ
(1)
[0009]其中
F
为推进系统单个液压缸所需的推力，
F1为轴向分力，
F2为径向分力；
[0010]F1＝
F
总
/N(2)
[0011]其中
N
为推进系统总共的液压缸数；
[0012]由扭矩的计算公式可知，扭矩的形成需要两个大小相同
、
方向相反且不在同一直线上的力，所以
N
个液压缸形成的总扭矩为：
[0013][0014]若要完全抵消刀盘旋转产生的扭矩，则要求液压缸群偏转后产生的扭矩和盾体与土层之间摩擦力产生的扭矩叠加后与刀盘旋转产生的扭矩大小相同
、
方向相反，即：
[0015]M
＝
M
′
+M
″
(4)
[0016]其中
M
为刀盘旋转产生的扭矩，
M
′
为
N
个液压缸推力的径向分力形成的总扭矩，
M
″
为盾体与土层之间摩擦力产生的扭矩，可由地质参数与盾体材料参数得到；
L
为液压缸按圆周均匀分布时分布圆的直径
。
[0017]上述可防止盾体自转的盾构推进系统，根据盾构掘进地质力学参数得到盾构在掘进过程中所需的推力
F
总
，根据扭矩传感器测量得到刀盘产生的扭矩
M
，代入公式
(1)
至公式
(4)
中，通过计算得出转盘转动角度
θ
以及推进系统每个液压缸所需提供的推力
。
[0018]上述可防止盾体自转的盾构推进系统，所述盾体后端与液压缸一端连接的连接处使用耐压硬质橡胶块作为垫片
。
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020]1、
本专利技术通过偏转液压缸群，产生了一个和刀盘旋转产生的扭矩方向相反的扭矩与土层和盾体之间摩擦力产生的扭矩叠加，从而和刀盘旋转产生的扭矩对盾体的反作用力抵消，从根本上消除了因刀盘扭矩产生的一系列不利影响，如：盾体自转
、
振动和震动
、
施工速度和精度下降等
。
[0021]2、
本专利技术相较于传统的解决刀盘扭矩的方法，只需要改变液压缸群的方向，盾构机便可忽略刀盘扭矩正常运作，而不需要采取额外的工程措施或降低盾构施工速度来降低刀盘扭矩造成的不良影响，有利于节省经济成本和提高施工效率
。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的结构示意图
。
[0023]图2为本专利技术的扭矩
M
′
形成示意图
。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明
。
[0025]如图1所示，一种可防止盾体自转的盾构推进系统，包括管片
1、
撑靴
2、
液压缸
3、
转盘
4、
盾体
5、
刀盘6，所述刀盘6安装在盾体5的最前端，管片1位于盾体5后方，所述管片1与盾体5之间呈环形
、
等距
、
连续均匀布置若干液压缸3，所有的液压缸3组成液压缸群；所述液压缸3一端与盾体5后端连接，且连接处使用耐压硬质橡胶块作为垫片；液压缸3另一端通过撑靴2顶在管片1上，并通过管片1上的反作用力推动整个盾构向前掘进；转盘4固接在液压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可防止盾体自转的盾构推进系统，包括管片
、
撑靴
、
液压缸
、
盾体
、
刀盘，所述刀盘安装在盾体的最前端，管片位于盾体后方，其特征在于：所述管片与盾体之间呈环形
、
等距
、
连续均匀布置若干液压缸，所有的液压缸组成液压缸群；所述液压缸一端与盾体后端连接，液压缸另一端通过撑靴顶在管片上，并通过管片上的反作用力推动整个盾构向前掘进；转盘固接在液压缸群上，由步进电机驱动；根据刀盘旋转实际产生的扭矩，通过脉冲信号控制步进电机驱动转盘旋转相应角度，从而带动所有液压缸偏转相同的角度，并通过安装在步进电机主轴上由电磁继电器控制的制动器将转盘锁死，使液压缸群的偏转方向在掘进过程中保持不变，从而液压缸的推力分成轴向分力和径向分力，其中轴向分力作为盾构向前掘进的推力，径向分力形成扭矩来抵抗刀盘旋转产生的扭矩
。2.
根据权利要求1所述的可防止盾体自转的盾构推进系统，其特征在于：转盘转动角度
θ
是通过安装在刀盘上的扭矩传感器测量出来的刀盘在实际掘进过程中产生的扭矩
M
和掘进过程中推进系统所需的推力
F
总
计算得出来的，转盘转动角度
θ
的具体计算公式如下：
F1＝
Fcos
θ
，
F2＝
Fsin
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中
F
为推进系统单个液压缸所需提供的推力，
F1为轴向分力，
F2为径向分力；
F1＝
F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷劝，邓孔书，李媛媛，徐昆，林永盛，唐朝辉，唐乐为，
申请(专利权)人：湖南工商大学，
类型：发明
国别省市：