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盾构机铰接装置的设计探讨【摘要】本文根据某台?2580mm土压平衡盾构机改造经验对盾构机铰接装置设计进行初步探讨介绍盾构机铰接装置的工作原理及特点、铰接装置的结构设计与设计计算为盾构机自主研发设计提供参考。【关键词】盾构机；铰接装置；设计目前我国盾构设备的国产化工作正在快速向前各盾构设备制造企业在引进国外盾构技术的同时不断提高自主研发技术能力致力于研究打造企业自主品牌的国产盾构设备。现结合某台?2580mm土压平衡盾构机的改造工程实例简单介绍盾构机铰接装置的工作原理以及设计过程具有一定的参考价值。1、盾构机铰接装置的工作原理及特点1.1铰接装置的作用为了使盾构机具有姿态调整功能盾构机的前后盾体可以摆动一定的角度以适应盾构机曲线段掘进盾构机需设计有铰接装置。1.2铰接装置的工作原理铰接装置主要由铰接油缸、铰接密封、应急气囊等组成（见图1）。盾构机前部与后部通过铰接油缸连接从而实现盾构机前后部分可以摆动一定的角度前、部分连接处设有铰接密封防止隧道的泥水进入盾体内密封唇间注入油脂提高密封效果和延长其使用寿命。另外由于盾构机在掘进过程中一旦铰接密封失效则难以更换故有些盾构机的铰接装置还设有应急气囊。铰接装置按推进油缸在盾构机上的固定位置不同可分为主动型和被动型两种：1）主动型铰接―依靠铰接油缸的主动伸缩使盾构机前后部分实现摆动推进油缸固定在盾构机后部（见图2）推进油缸的推力作用在盾构机后部通过铰接油缸再传递到盾构机前部；2）被动型铰接―依靠外力迫使铰接油缸伸缩从而使盾构机前后部分实现摆动推进油缸后端顶紧在盾构机前部油缸的前部安装在摆动支承上（见图3）推进油缸的推力直接作用在盾构机的前部。由图2、图3可知铰接油缸载荷：1）主动型铰接：=+；2）被动型铰接：=。图1铰接装置图2主动型铰接图3被动型铰接实际盾构机在掘进过程中还受到刀具切削土体的贯入阻力、盾尾刷与管片的磨擦力和后配套的牵引阻力。因此往往需要在以上计算结果乘以2-3倍的安全系数。2、?2580mm土压平衡盾构机铰接装置的设计2.1铰接装置的型式确定本台?2580mm土压平衡盾构机原无铰接功能为满足改造后具备曲线掘进施工需求需重新设计增加一套铰接装置以恢复其铰接功能。由于原推进油缸的推力盘设置在盾构机的后端在不改变推进油缸安装固定方式的前提下只能选择主动型铰接。2.2铰接油缸载荷计算主动型铰接：=+。式中：-盾构机掘进正面阻力；-盾构机前部盾壳的磨擦阻力。2.2.1计算参数表1地质条件及盾构机相关计算参数2.2.2盾构机掘进正面阻力盾构机的掘进正面阻力按在最大土压位置进行计算在刀盘面板上取一微分元根据朗肯土压理论有：===。式中：K-土体侧压力系数：-土体重力密度。盾构机壳体土压力分布图如图4所示：在盾壳圆周上对应圆弧角为的位置取一微分元则有1）侧向土压力：；2）垂直土压力：。两个土压力分解到盾壳圆周的正压力分别分：、。盾构机自身重力引起作用于盾壳的压力如图5所示：故盾构机前部盾壳受到的磨擦阻力为。式中：-土与钢的磨擦系数；L-盾构机长度本次计算取盾构机前部长度；g-重力加速度；G-盾构机前部质量。故盾构机的的铰接油缸载荷为：。在计算结果的基础上乘以2-3倍的安全系数故盾构机的铰接油缸的设计载荷应取：。盾体内空间狭窄根据推进油缸的布置方位为避免与螺旋输送机产生干涉盾体的天地方向不布置铰接油缸此外为实现通过控制铰接油缸的伸缩行程从而控制盾构机的掘进路线其中4个铰接油缸须设置行程传感器故铰接油缸按图6布置。每根铰接油缸的载荷为：。图4盾构机壳体土压力分布图图5盾壳自重的压力分布图6铰接油缸布置示图2.3铰接装置结构设计设计一个止动环保证盾构机前、后部的最小间隙30mm铰接开口处插入段的长度一般取400mm左右铰接油缸座焊接在盾壳内侧盾体内侧上下焊两个止动耳板防止盾构机、后部分旋转铰接装置结构如图7所示。前后铰接油缸座距离L为：=+。式中：-铰接油缸缩回状态下安装孔中心距；-铰接油缸工作时的最小伸缩量；其中已知所用铰接油缸座安装孔中心距为800mm选择38mm。故=+=。为防止泥水进入盾体内盾构机前后铰接处选择唇形铰接密封进行密封唇形密封共设两道密封唇两道密封唇之间在圆周方向均布开设4个油脂通道使油脂可通过4个油脂孔进入两道密封唇之间达到润滑和密封的作用（见图8