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1、盾构机关键性技术研究刀盘系统设计-硕士论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 盾构机关键性技术研究-刀盘系统设计 专 业:机械设计及理论 硕 士 生:张西仲 指导教师:张晓钟 教授 摘 要 随着国家对铁路和地铁的大力建设,盾构机已成为隧道挖掘过程中的不可缺少的工具,目前国内对盾构机的研究相对落后,而?盘作为盾构机中的关键部件,其挖掘性能的好坏将直接影响到盾构机的掘进效率和?盘的寿命。盾构机在掘进过程中,?盘产生的不平衡力是影响盾构 机挖掘性能的重要因素,而这些不平衡力主要是由各?具综合力引起的,因此? 盘上?具布置的合理性是?盘挖掘性能的重要体现,在理想的?具布置过程中, 往往以?盘上产生的径向力
2、和倾覆力矩为零为原则进行?具布置,从而可以保证 盾构机有好的挖掘性能和较长的使用寿命。 论文主要分析了?盘的整体结构,?盘的 掘进过程,并通过实例建模对?盘进行了运动仿真;分析了?具的种类,? 具的工作原理,?具的受力情况,重点介绍了盘形滚?的破岩机理和受力预测公 式;建立了?盘受力平衡方程,并介绍了以此为原则的?具布置方法;通过实例 计算了各?具的受力大小,运用有限元方法分析了盾构机的?盘强度、?具布置 的合理性以及由?具位置误差对盾构机挖掘性能产生的影响;另外由于?盘的主 轴承尺寸较大,在加工制造上存在一定困难,因此对?盘主轴承尺寸进行了优化 ,并对其进行了接触应力、强度和寿命分析。 关
3、键 词:盾构机;?盘;布?;位置误差;有限元;轴承; 论文类型:基础研究 西安建筑科技大学硕士学位论文西安建筑科技大学硕士学位论文 Research on key technology of shield machinecutter system design Specialty:Mechanical Design and Theory Postgraduate:Zhang Xizhong Instructor: Prof.Zhang XiaozhongAbstract Along with the railway and the subway to build in our country.
4、shield machine had been an indispensable instrument in Tunneling process.Currently,research about the shield machine is lagging behind relatively in our country.As a a critical component of the shield machine,the digding performance of cutter head influrces directly digding efficiency and the longev
5、ity of the cutter head.During the digging process,the unbalanced force created by the cutter head is a key factor to the digging performance of shield machine.The unbalanced force is synthetically created by kinds of cutters ,therefore,the rationality of the cutter layout is an important embodiment
6、of the cutter head digging performance.In the ideal cutter layout,the radial force and overturning moment should be zero is the principle of the whole process .which can ensure great digging performance and life spanThe thesis,mainly ,analyses the integral structure and digging performance of the cu
7、tter head .also,carried out a dynamic simulation to cutter head by example modeling.In this paper , the variety, operating principle and stress condition are all analysed. It introduced the rock-breaking mechanism and stress predicting formula of the hob cutter.It created force equilibrium equations
8、 of the cutter head ,and introduced the laying out of the cutter head based on that equations .It calculates the force of all kinds of cutters ,analyses the cutter head strength ,he rationality of the cutter layout and influence created by positional error from the cutter to digging performance of t
9、he shield machine.In addition, it causes difficulty to manufacture due to too big size of the main rolling bearing. for that reason it analyses the main rolling bearing ,modified its size.and it analyses the contact stress , strength and lifetime西安建筑科技大学硕士学位论文 Key words: Shield machine; Cutter head;
10、 Cutter layout; positional error; FEA;Rolling bearing; Paper Type: Fundamental Research;西安建筑科技大学硕士学位论文 目录 1 绪论. 1 1.1研究背景及意义1 1.2国内外发展现状2 1.2.1国外研究现状2 1.2.2国内研究现状3 1.3盾构机发展趋势4 1.4主要研究内容 5 2?盘系统的主要构造. 7 2.1?盘面板7 2.1.1?盘开口槽和开口率8 2.1.2?盘的种类 9 2.2 ?具.10 2.2.1滚压破岩?具.10 2.2.2切削破岩?具.11 2.2.3 辅助类?具.12 2.3 ?
11、盘主轴承.13 2.4 ?盘驱动机构和推进机构.14 2.4.1 ?盘驱动机构14 2.4.2?盘推进机构.15 2.5 本章小结16 3?盘的?具布置.17 3.1?具的工作原理及受力分析.17 3.1.1切?的工作原理17 3.1.2盘形滚?的工作原理.17 3.1.3 盘形滚?的受力分析18 3.2 ?盘的受力分析及?具布置.24 3.2.1 ?盘扭矩.24 3.2.2 ?盘不平衡力26I西安建筑科技大学硕士学位论文 3.2.3?具布置方法 27 3.3实例?具布置.29 3.3.1?具布置29 3.3.2?具布置的合理性分析.30 3.3.3?具位置误差分析36 3.4 本章小结. 3
12、7 4盾构机主轴承的可靠性分析.39 4.1 ?盘的支承方式及轴承的几何造型.39 4.1.1?盘的支承方式39 4.1.2轴承的几何造型.40 4.2弹性接触理论.40 4.3实例分析42 4.3.1轴承结构优化42 4.3.2轴承的接触应力分析.44 4.4本章小结.50 5?盘系统运动仿真.51 5.1?盘运动系统分类51 5.1.1 ?盘切削系统51 5.1.2 ?盘推进系统51 5.1.3 土渣输送系统.53 5.1.4管片拼装装置53 5.2 ?盘系统虚拟样机运动仿真.54 5.2.1?盘系统建模.54 5.2.2?盘系统运动仿真.54 5.3 本章小结.57 6 总结与展望.59
13、 6.1 总结.59 6.2 展望.59 致谢61 参考文献.63 攻读硕士学位期间发表的论文.67 II 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着世界各国多年来对盾构机的广泛应用,盾构机已经成为融合机、光、电、液、传感、信息等多项技术于一身的专用隧道掘进机械。在功能上能够开挖地层、土渣排送、管片拼装、导向测量和纠偏等,广泛运用到了机械设计、液压传动、土木工程、地质地层、工程力学、电气控制等多种学科内容。在隧道施工中,不同地质的地层要选用或设计不同种类的盾构机,同时对盾构机的可靠性要求也较高。在我国经济飞速发展的情况下,盾构机已广泛用于铁路隧道、城市地铁等工1- 4
14、程建设中 。如图1.1所示。图 1.1 盾构掘进机2006 年国务院颁布的国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见中明确16个重大专项中的第 10项为“满足铁路、水利工程、城市轨道交通等建设项目的需要,加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制,尽快掌握关键设备制造技术。”这就对盾构机的发展提出了明确的目标。 随着我国经济高速发展以及基础设施的建设不断扩大,公路和铁路及地下隧道建设也就成为了一项长期而重要的任务。在未来的铁路规划建设中,长沙到昆明的铁路专线要开挖隧道 381座,总长 590Km;成都到兰州的铁路要开挖隧道 36座,总长 320Km;大理到瑞丽的铁路建设中开挖隧道 217Km;长株潭
15、湘江、树木岭隧道,以及渤海海峡和琼州海峡的隧道等,据不完全的统计,在未来的铁路建设中,需要开挖的隧道长度约为 9600Km,这就需要 250台左右的盾构机投入到建6- 9设中,这些盾构机以及所用到的配套设备,将用掉数百亿人民币 。而我国地1西安建筑科技大学硕士学位论文 形和地质复杂多变,在多数待建的交通隧道中具有各种地质地层特点的山岭或穹丘,这对我国盾构机的设计技术提出了更高的要求,正如美国地下工程协会主席 Reilly John先生所评价 “中国的西部大开发在规模上比西方国家己建的任何国家工程都要大,对于中国如此巨大的工程项目,盾构机及相关先进技术的应用,将为掘进机的优化设计和使用提供更多的机会。” 总体而言,我国盾构机技术相对国际较为落后,从我国对盾构机的市场需求,发展盾构机技术有着重要意义。加快盾构机技术发展是国家建设的需要,并且在国际竞争日益激烈的情况下,如不加快盾构机的研究,我国将失去盾构机在国际市场上的竞争机会,甚至在隧道建设中都要依靠外国进口盾构机。另
