盾尾密封刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

沈桂麗，劉金祥，李劍雄，吳朝來，李大偉

(中鐵隧道集團(tuán)專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

在盾構(gòu)法隧道施工中，盾尾和管片之間采用多道盾尾刷進(jìn)行密封，并在盾尾刷之間的空腔充填盾尾油脂，以有效防止泥漿與注漿材料回流進(jìn)入隧道［1］，確保施工安全。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)盾尾刷的廠家眾多，但盾尾刷的制造及檢測檢驗(yàn)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)也無檢測盾尾刷性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致盾構(gòu)施工項(xiàng)目在選購盾尾刷時(shí)，沒有可參照的標(biāo)準(zhǔn)，無法判斷盾尾刷的質(zhì)量是否能夠滿足施工要求。

盾尾刷質(zhì)量優(yōu)劣與諸多因素有關(guān)，如盾尾刷的結(jié)構(gòu)、彈簧鋼板的彈性和耐磨性、鋼絲彈性等。文獻(xiàn)［2－5］對(duì)盾尾密封失效、盾尾刷設(shè)計(jì)、保護(hù)及更換技術(shù)等進(jìn)行了分析。目前，國內(nèi)尚無對(duì)盾尾刷性能質(zhì)量方面的研究。本文針對(duì)盾尾刷的耐磨性及彈性2個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，設(shè)計(jì)一款新型實(shí)用的盾尾刷性能檢測設(shè)備，可以綜合檢測盾尾刷的耐磨性及彈性性能。

1 盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)最高速度為80 mm/min、盾尾刷受管片擠壓6 000 N。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of shield tail brush experimental platform

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由液壓泵站［6］、液壓馬達(dá)、油缸及控制器4部分組成，其動(dòng)力性能參數(shù)設(shè)計(jì)主要取決于耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備和彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配，需要合理選擇動(dòng)力總成各部件參數(shù)，以滿足整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的動(dòng)力要求。

2.1 耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、混凝土實(shí)驗(yàn)塊、絲杠機(jī)構(gòu)、混凝土實(shí)驗(yàn)塊連接板、盾尾刷、液壓馬達(dá)、閥組、油箱、泵、管路及控制系統(tǒng)等組成。由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)混凝土實(shí)驗(yàn)塊按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，盾尾刷通過盾尾刷連接板與絲桿連接，通過調(diào)整絲杠可調(diào)節(jié)盾尾刷與混凝土實(shí)驗(yàn)塊之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)耐磨性實(shí)驗(yàn)的目的。

圖1 耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Wearing resistance testing device

2.1.1 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

式中:i為耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體減速比，取265;V為混凝土線速度，取50～390 mm/min;r為混凝土實(shí)驗(yàn)塊直徑，取500 mm。

計(jì)算可得 N=4.22 ～32.9 r/min。

2.1.2 液壓馬達(dá)扭矩

液壓馬達(dá)扭矩由盾尾刷摩擦扭矩M1和混凝土實(shí)驗(yàn)塊轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩M22部分組成，即

式中:μ為盾尾刷與混凝土實(shí)驗(yàn)塊摩擦因數(shù)，取0.5;F為盾尾刷最大壓緊力，取6 000 N;r為混凝土實(shí)驗(yàn)塊及連接板外徑，均取0.5 m;m為混凝土質(zhì)量及連接板質(zhì)量，取518 kg;r1為混凝土實(shí)驗(yàn)塊及連接板內(nèi)徑，均取0.3 m;Δω為混凝土實(shí)驗(yàn)塊及連接板最大角速度，取0.013 r/s;Δt為加速時(shí)間，取 0.1 s;i為耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體減速比，取265;ρ為整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，取 0.6。

計(jì)算可得M=9.5 N·m。

考慮到低轉(zhuǎn)速，另外后續(xù)負(fù)載可能增大的情況，選取徑向球塞式低速大扭矩1/2QJM21－0.8S液壓馬達(dá)，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 1QJM32－1.6液壓馬達(dá)參數(shù)Table 2 Parameters of 1QJM32 －1.6 hydraulic motor

2.1.3 液壓馬達(dá)最大流量

式中:P0為馬達(dá)排量，取1.06 L/r;Nmax為馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速，取33 r/min;η為馬達(dá)工作效率，取0.9。

計(jì)算可得 Q1=38.9 L/min。

2.2 彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、液壓油缸、盾尾刷、內(nèi)置式磁致位移傳感器［7－8］、閥組、油箱、泵、管路及控制系統(tǒng)等組成。其工作原理是通過將盾尾刷放到彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)面上，將盾尾刷最上層鋼絲面放在油缸活塞桿固定板正下方，通過液壓油缸的往返運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)盾尾刷的彎曲和復(fù)位，從而檢測盾尾刷抗疲勞能力，達(dá)到彈性實(shí)驗(yàn)的目的。

圖2 彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Elasticity testing device

2.2.1 油缸內(nèi)徑

式中:F為油缸活塞最大推力，取6 000 N;p1為油缸壓力，取 0.8 MPa。

計(jì)算可得 D1=9.78 cm。液壓油缸內(nèi)徑 D1取10 cm。

2.2.2 油缸流量

式中:D1為油缸無桿腔內(nèi)徑，取100 mm;D2為油缸有桿腔半徑，取60 mm;L為油缸行程，取200 mm;初步認(rèn)為油缸伸出和回縮所用時(shí)間相同，F(xiàn)為油缸往返頻率，取8次/min。

計(jì)算可得 Q2=16.1 L/min。

2.3 盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)流量

式中:Q1為馬達(dá)流量，取38.9 L/min;Q2為油缸流量，取 16.1 L/min。

計(jì)算可得Q=54 L/min。

根據(jù)計(jì)算，本文選取NT4－D40F內(nèi)齒合齒輪泵作為液壓系統(tǒng)動(dòng)力源，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 NT4－D40F齒輪泵參數(shù)Table 3 Parameters of NT4－D40F gear pump

2.4 盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)泵站電動(dòng)機(jī)功率

式中:Qmax為泵的最大流量，取58 L/min;p為系統(tǒng)工作壓力，取12.5 MPa;電機(jī)總效率 η=0.9。

計(jì)算可得 Pe=13.4 kW。

根據(jù)計(jì)算，可選擇Y160L－4－15的電機(jī)作為齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。Y160L－4－15電動(dòng)機(jī)參數(shù)見表4。

表4 Y160L－4－15電動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 4 Parameters of Y160L－4－15 motor

根據(jù)以上參數(shù)，制造出了符合耐磨性、彈性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)

3.1 電氣控制硬件組成

電氣控制硬件主要包括控制操作臺(tái)、觸摸屏和現(xiàn)場電氣信號(hào)裝置。為方便操作者對(duì)設(shè)備的操作，操作臺(tái)安裝有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度等顯示儀表，并且配有油濾污染、液位、溫度、油位等報(bào)警裝置。

3.2 電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

采用臺(tái)達(dá)PLC作控制和采集數(shù)據(jù)［9－10］，通過工業(yè)以太網(wǎng)(PROFINET)連接到PLC全自動(dòng)控制臺(tái)的觸摸屏。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的工作狀況、參數(shù)的輸入操作通過觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備輸出有開關(guān)量和模擬量2種信號(hào)，每個(gè)模擬量輸入信道都由傳感器、放大器(變送器)、信號(hào)隔離器組成，模擬輸入信道均連入PLC模擬量輸入模塊，編程時(shí)，直接讀取模擬量連接輸入模塊的地址，每個(gè)開關(guān)量通過開關(guān)量輸入信道均連入PLC開關(guān)量輸入模塊，編程時(shí)，直接讀取開關(guān)量連接輸入模塊的地址，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和模擬量的數(shù)據(jù)采集。電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Electrical control system

3.3 電氣控制系統(tǒng)工作過程

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作過程是:實(shí)驗(yàn)信號(hào)由相應(yīng)的傳感器檢測，一路發(fā)送給二次儀表經(jīng)過放大與濾波后進(jìn)行數(shù)顯;另一路通過PLC數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行編程處理，如存儲(chǔ)、顯示、打印等。

控制信號(hào)的發(fā)出除手動(dòng)調(diào)節(jié)控制外，程控系統(tǒng)是通過PLC控制模塊發(fā)出控制信號(hào)到相應(yīng)過繼電器，對(duì)各開關(guān)量及模擬比例量進(jìn)行輸出控制。

3.4 設(shè)備電氣控制抗干擾措施

1)各檢測、控制設(shè)備供電電源隔離。

2)信號(hào)傳輸通道采取屏蔽、隔離及有效濾波。

3)采用單點(diǎn)接地法，為防止不同信號(hào)回路接地線上的電流引起交叉干擾，以控制信號(hào)為單位(例如以單臺(tái)控制設(shè)備為單位)將弱電信號(hào)的內(nèi)部地線接通，然后各自用規(guī)定面積的導(dǎo)線統(tǒng)一引到接地網(wǎng)絡(luò)的某一點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)單點(diǎn)接地。

4 盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能

盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能是用于檢測分析盾尾刷的耐磨性和彈性性能，主要分2類情況進(jìn)行:1)檢測不同工況(即盾構(gòu)盾尾間隙不同，盾尾刷承受壓力不同)下盾尾刷耐磨性和彈性;2)檢測相同工況(即盾構(gòu)盾尾間隙相同)下不同材質(zhì)盾尾刷的耐磨性和彈性。

4.1 耐磨性實(shí)驗(yàn)

將盾尾刷固定到耐磨性實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，調(diào)整盾尾刷與混凝土實(shí)驗(yàn)塊位置，使盾尾刷鋼絲上平面與混凝土實(shí)驗(yàn)塊貼合面最大，混凝土實(shí)驗(yàn)塊轉(zhuǎn)速調(diào)整到50～390 mm/min，模仿盾尾刷在盾構(gòu)中受管片摩擦的現(xiàn)實(shí)工況，以檢測盾尾刷耐磨性。

4.2 彈性實(shí)驗(yàn)

將盾尾刷固定到彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，調(diào)整盾尾刷與油缸活塞壓板距離，使盾尾刷鋼絲上平面與處于壓板正下面，模仿盾尾刷受管片擠壓的現(xiàn)實(shí)工況，模仿盾尾刷在盾構(gòu)中受管片擠壓的現(xiàn)實(shí)工況，以檢測盾尾刷彈性性能。

根據(jù)盾尾刷在一個(gè)區(qū)間內(nèi)、特定的盾尾間隙下磨損或彈性變化情況，如盾尾刷最高高度低于該盾尾間隙的2倍可判斷該盾尾刷密封效果差，不能較好滿足使用要求。

5 結(jié)論與展望

研制的盾尾刷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以模擬盾尾刷在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中受力和摩擦狀態(tài)，具有盾尾刷耐磨性和彈性性能檢測兩大功能，可以準(zhǔn)確地測試出不同型號(hào)的盾尾刷性能，為評(píng)定盾尾刷的質(zhì)量優(yōu)劣提供依據(jù)。

為進(jìn)一步優(yōu)化盾尾刷實(shí)驗(yàn)刷設(shè)備的功能，今后將增加偏壓測試、破壞性測試功能，實(shí)現(xiàn)彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備在每次盾尾刷受擠壓后能夠自動(dòng)記錄盾尾刷的角度回彈量，并通過控制系統(tǒng)記錄、生成曲線的可行性。

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