盾構(gòu)工程泥漿脫水篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

甘 虎 肖桂華 向代剛

（三川德青工程機(jī)械有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)是地鐵及隧道工程中的一種先進(jìn)并普遍采用的施工方式。在泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中，安裝于地面的泥水處理系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，而泥漿脫水篩則是該類(lèi)泥水處理系統(tǒng)的核心設(shè)備。

盾構(gòu)工程用泥漿脫水篩區(qū)別于其他篩機(jī)如礦篩或石油篩的地方在于以下2點(diǎn)：1）來(lái)料不斷變化。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，地質(zhì)條件多為復(fù)合地層，泥漿脫水篩是將泥漿中的物料進(jìn)行渣漿分離，要求篩分出來(lái)的固相顆粒越多越好。2）篩面形式不同。在盾構(gòu)工程泥漿處理中，脫水篩面多為向上爬坡，由于產(chǎn)率及物料特性的原因，因此篩上物料對(duì)篩機(jī)的力學(xué)影響更明顯。

該公司自主開(kāi)發(fā)了ZXT-2型脫水篩機(jī)用于盾構(gòu)掘進(jìn)的泥水處理，存在3個(gè)問(wèn)題。1）篩體穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)彈性變形。篩機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，出現(xiàn)中間振幅小、兩端振幅大的類(lèi)似扁擔(dān)樣彈性變形，且噪聲也較大。2）篩機(jī)進(jìn)料口處出現(xiàn)泥漿分布不均或堆積。3）篩機(jī)整體隔振彈簧剛度過(guò)大。

在啟動(dòng)-停車(chē)過(guò)程中，出現(xiàn)篩機(jī)脫離彈簧并撞擊外圍護(hù)架現(xiàn)象且傳遞給基礎(chǔ)載荷明顯較大。

1 ZXT-2脫水篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

通過(guò)對(duì)ZXT-2泥漿脫水篩進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、同步穩(wěn)定性能參數(shù)、幾何尺寸和工藝參數(shù)、噪聲參數(shù)以及剛度、強(qiáng)度等的測(cè)試分析，得出篩體穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)彈性變形是由于篩機(jī)側(cè)板較薄，從而導(dǎo)致篩機(jī)整體剛度、強(qiáng)度不足。篩機(jī)進(jìn)料口處出現(xiàn)泥漿分布不均或堆積的情況是由于旋流器底流沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何過(guò)度或緩沖裝置而直接卸在篩面上。篩機(jī)整體隔振彈簧剛度過(guò)大其原因主要是篩機(jī)彈簧剛度設(shè)計(jì)過(guò)大。

1.1 ZXT-2脫水篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

測(cè)試儀器采用東方所振動(dòng)測(cè)試采集分析儀（INV3060），通過(guò)變頻器控制振動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的供電頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)試了50 Hz供電頻率下不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。篩機(jī)共有4個(gè)彈簧座，每個(gè)座置有2根螺旋彈簧。

本次測(cè)試共計(jì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置及應(yīng)變片方向如圖1所示。

如圖1所示，在ZXT-2型1.8m改進(jìn)泥漿篩、、、、、六點(diǎn)處布置了加速度傳感器。點(diǎn)、點(diǎn)為篩機(jī)出料口兩端側(cè)板的測(cè)點(diǎn)位置；點(diǎn)、點(diǎn)為篩機(jī)進(jìn)料口兩端側(cè)板的測(cè)點(diǎn)位置；點(diǎn)為篩機(jī)質(zhì)心處測(cè)點(diǎn)位置；點(diǎn)為篩機(jī)激振器大梁方向測(cè)點(diǎn)位置。

圖1 加速度測(cè)點(diǎn)位置及加速度傳感器方向示意圖

在測(cè)試過(guò)程中，、、、四點(diǎn)處布置了三向加速度傳感器，分別檢測(cè)、、三個(gè)方向的加速度（振動(dòng)方向角設(shè)定，方向與方向垂直；方向與篩機(jī)主振動(dòng)方向一致；方向與平面垂直，即方向?yàn)楹Y機(jī)橫向加速度），點(diǎn)布置了2個(gè)單向加速度傳感器，分別檢測(cè)、兩個(gè)方向的加速度情況。點(diǎn)布置了一個(gè)單向的加速度傳感器，用于檢測(cè)方向的加速度。

篩機(jī)上具體的加速度傳感器測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，他們分別置于排料口兩端、入料口兩端、篩機(jī)質(zhì)心處以及電機(jī)底座處。

圖2 泥漿振動(dòng)篩上加速度傳感器具體布點(diǎn)位置

1.1.2.1 進(jìn)料泥漿密度1.17下方向、、、、、測(cè)點(diǎn)振幅-相位比較

對(duì)進(jìn)料泥漿密度1.17條件下篩機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、、、、、六測(cè)點(diǎn)方向的振幅-相位進(jìn)行比較，觀察各時(shí)間段各測(cè)點(diǎn)的振幅-相位是否一致，以此判斷振動(dòng)機(jī)體在主振動(dòng)方向上是否產(chǎn)生彈性變形。

25 s~25.14 s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖3所示。

30 s~30.14 s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖4所示。

圖4 30 s~30.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

35 s~35.14 s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖5所示。

由圖3~圖5可知，篩機(jī)y方向各測(cè)點(diǎn)相位關(guān)系并非完全一致，在振動(dòng)幅值上也出現(xiàn)微小差異，說(shuō)明篩機(jī)出現(xiàn)彈性形變。其原因主要為篩機(jī)整體剛度不夠，特別是側(cè)板處。

圖3 25 s~25.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

圖5 35 s~35.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

進(jìn)料泥漿密度1.24條件下方向、、、、、測(cè)點(diǎn)振幅-相位比較。

分別對(duì)進(jìn)料泥漿密度1.24下篩機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)階段、、、、、六測(cè)點(diǎn)方向的振幅-相位進(jìn)行比較，觀察各時(shí)間段各測(cè)點(diǎn)的振幅-相位是否一致，從而判斷振動(dòng)機(jī)體在主要振動(dòng)方向上是否產(chǎn)生彈性變形。

25s~25.14s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖6所示。30 s~30.14 s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖7所示。35 s~35.14 s各測(cè)點(diǎn)的相位比較如圖8所示。由圖6~圖8可知，篩機(jī)y方向各測(cè)點(diǎn)相位關(guān)系并非完全一致，在幅值上也出現(xiàn)了微小的差異，說(shuō)明篩機(jī)出現(xiàn)彈性形變。其原因主要為篩機(jī)整體剛度不夠，特別是側(cè)板處。

圖6 25 s~25.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

圖7 30 s~30.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

圖8 35 s~35.14 s各測(cè)點(diǎn)相位比較

表1分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機(jī)方向的振幅對(duì)比。

表1 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機(jī)x方向雙振幅對(duì)比

由表1的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)在兩種進(jìn)料泥漿密度條件下的方向振幅不一致，其主要原因是因?yàn)椤啥说膹椈蓜偠炔灰恢录俺霈F(xiàn)了篩體彈性變形，且進(jìn)料泥漿密度越大，變形也就越大。

進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機(jī)方向的振幅對(duì)比。

表2分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機(jī)方向的振幅對(duì)比。

表2 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機(jī)y方向雙振幅對(duì)比

由表2的數(shù)據(jù)可得如下3個(gè)結(jié)論：1）進(jìn)料泥漿密度1.17和1.24條件下，篩機(jī)進(jìn)料口兩端振幅基本一致，符合振動(dòng)機(jī)械運(yùn)行要求。2）進(jìn)料泥漿密度1.17條件下，篩機(jī)出料口兩端振幅基本一致，符合振動(dòng)機(jī)械運(yùn)行要求。3）在兩種進(jìn)料泥漿密度條件下，都有一個(gè)共同現(xiàn)象：質(zhì)心處比進(jìn)料口和出料口處振幅小，即篩機(jī)出現(xiàn)中間小、兩端大的類(lèi)似扁擔(dān)樣彈性變形，該現(xiàn)象不符合泥漿篩運(yùn)行規(guī)范。

其原因主要為篩機(jī)四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機(jī)側(cè)板剛度和強(qiáng)度不夠等原因引起。

進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機(jī)方向的振幅對(duì)比。

表3分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機(jī)方向的振幅對(duì)比。

表3 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機(jī)z方向雙振幅對(duì)比

由表3可知，篩機(jī)在橫向上出現(xiàn)了不應(yīng)該出現(xiàn)的振幅，其不符合泥漿篩運(yùn)行規(guī)范。其原因主要是篩機(jī)四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機(jī)整體剛度，包括側(cè)板剛度和強(qiáng)度不夠。

2 整機(jī)系統(tǒng)彈簧剛度及其自由壓縮量等的測(cè)試

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

設(shè)測(cè)點(diǎn)處彈簧自由壓縮量用Δ表示，=，，，，則篩機(jī)空載時(shí)所測(cè)四角彈簧的自由高度和自由壓縮量如下（所測(cè)篩機(jī)共4個(gè)彈簧座，每個(gè)座放置兩根螺旋彈簧）。

彈簧自由高度（mm）：=325；彈簧自由壓縮量（mm）：Δ=37， Δ=44， Δ=54， Δ=42。

由所測(cè)彈簧自由壓縮量結(jié)果可知，四角彈簧只有壓縮量不一致，且相差較多，從而會(huì)導(dǎo)致篩機(jī)四角振幅不一致。

系統(tǒng)彈簧自由壓縮量取上述所測(cè)各彈簧的平均壓縮量為 Δ=44 mm。

可根據(jù)式（1）來(lái)反推篩機(jī)方向彈簧剛度。

式中：—空載參振質(zhì)量；Δ—彈簧平均壓縮量；K—篩機(jī)y方向彈簧剛度。

2.2 根據(jù)篩機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)所得的理論計(jì)算數(shù)據(jù)

理論計(jì)算系統(tǒng)方向彈簧剛度應(yīng)用如公式（2）所示。

式中： k為方向的彈簧剛度，N/m；為剪切彈性模量，Pa；為彈簧有效圈數(shù)；為彈簧中徑，m。

根據(jù)篩機(jī)螺旋彈簧圖紙所計(jì)算彈簧方向的剛度如式（3）。

理論計(jì)算彈簧自由壓縮量如式（4）。

綜上所述，通過(guò)篩機(jī)彈簧剛度的實(shí)測(cè)與理論計(jì)算的對(duì)比，可知實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果有一定差距，說(shuō)明彈簧安裝前并沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的剛度測(cè)試檢驗(yàn)。此外，由各彈簧自由壓縮量不一致可知，各個(gè)彈簧的實(shí)際剛度并不一致，建議彈簧安裝前，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和剛度測(cè)試，如將同一自由高度和同一靜壓縮量的彈簧編為一組，以保證篩機(jī)穩(wěn)定工作。

3 優(yōu)化措施

3.1 篩機(jī)側(cè)板由原來(lái)的厚8 mm改為厚12 mm

空載及有載測(cè)試結(jié)果顯示，在篩機(jī)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)扁擔(dān)樣彈性變形，是篩機(jī)整體剛度不夠?qū)е碌?，因此，將篩機(jī)側(cè)板由原來(lái)的厚8 mm改為厚12 mm，側(cè)板材料采用厚度12mm的G20（原有篩機(jī)設(shè)計(jì)采用的Q235），并沿側(cè)板邊緣采用不等邊角鋼加固，提高篩機(jī)整體剛度強(qiáng)度，同時(shí)降噪且降低加工制造工藝難度。

3.2 篩機(jī)進(jìn)料口處每層篩網(wǎng)上方增設(shè)布料裝置

篩機(jī)進(jìn)口處增加布料裝置，且布料裝置參振，從而使進(jìn)料口處泥漿經(jīng)由布料裝置的導(dǎo)流而快速均布于篩面上，以加強(qiáng)篩面利用，防止篩機(jī)泥漿進(jìn)口處篩面上出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，提高篩機(jī)脫水效率和處理量。

3.3 重新設(shè)計(jì)隔振彈簧且保證合理的自由壓縮量及頻率比

原有篩機(jī)隔振彈簧剛度設(shè)計(jì)過(guò)大（即每個(gè)彈簧座放置4根螺旋彈簧），以致傳遞給地基載荷過(guò)大，且啟動(dòng)-停車(chē)過(guò)程中導(dǎo)致篩機(jī)脫離彈簧并撞擊外圍護(hù)架。現(xiàn)重新設(shè)計(jì)隔振彈簧參數(shù)，將每座4根彈簧改為每座3根彈簧，在保證合理的彈簧自由壓縮量（50 mm）和頻率比的同時(shí)，又進(jìn)一步降低了篩機(jī)傳遞給基礎(chǔ)的載荷。

4 優(yōu)化效果對(duì)比分析

以京張高鐵清華園隧道為例，盾構(gòu)直徑φ12.64 m，左線隧道長(zhǎng)2000 m，右線隧道長(zhǎng)1750 m，粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫及卵石土地層。其中全斷面粉質(zhì)黏土、粉土地層長(zhǎng)約750 m，斷面頂部/底部含粉質(zhì)黏土、粉土復(fù)合地層長(zhǎng)約1200 m（粉質(zhì)黏土及粉土占比約30%~35%；其余主要為卵石土地層）。掘進(jìn)設(shè)備采用2套德國(guó)海瑞克公司的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，泥漿循環(huán)量為2500 m/h，掘進(jìn)速度6 cm/min，在左線更換一臺(tái)優(yōu)化后泥漿脫水篩做對(duì)比試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)出渣情況對(duì)比

根據(jù)流量法計(jì)算振動(dòng)篩的生產(chǎn)率如公式（5）所示。

式中：v為物料運(yùn)行的實(shí)際平均速度，m/s；為篩面寬度，m；為物料松散密度，t/m；取值1.54；為料層厚度，m。

表4 盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)的泥漿脫水篩參數(shù)對(duì)比表

在保證單因素變化的前提下，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算后，可以得出優(yōu)化型脫水篩的產(chǎn)量較原篩機(jī)平均產(chǎn)量提高了46.5%左右。

截至京張高鐵清華園隧道泥水盾構(gòu)項(xiàng)目順利貫通，歷經(jīng)兩年半的實(shí)踐檢驗(yàn)，該泥漿脫水篩優(yōu)化改良后的振動(dòng)篩作業(yè)事故率降低超過(guò)30%，振動(dòng)篩使用壽命增加50%，實(shí)踐效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

泥漿脫水篩是地下空間建設(shè)盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)中泥水分離設(shè)備的核心部件，應(yīng)加強(qiáng)地層變化對(duì)其運(yùn)行作業(yè)中各類(lèi)問(wèn)題的分析研究，總結(jié)相適宜的優(yōu)化措施，在確保盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)的同時(shí)提高泥漿脫水篩的篩分效率、增強(qiáng)其對(duì)地層的適應(yīng)性、延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，降低故障發(fā)生頻率等，從而為整個(gè)隧道順利施工提供必要條件，這是泥漿脫水篩研究的必然方向。