CN117684997A - 一种用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于盾构机技术领域，具体公开了一种用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法，包括如下步骤：1）在支撑架(3)端面上划线，划一个外圆半径(7)，2）确定每个液压缸的在支撑架(3)上的位置。本发明采用最小移动距离的方法，改善布置液压缸的效率，操作方便，解决了盾构推进系统面对不同地质条件下载荷改变引起的偏载现象重新布置设计液压缸分布能耗与效率问题，提高了布置液压缸分布的实用性。本发明使得盾构推进系统在设计阶段就能根据不同地质调节设计出具有地质适应性的推进系统，通过有效地布置液压缸来抵抗偏载问题，保证盾构机的稳定推进和施工安全。
Description
技术领域
本发明属于盾构机技术领域，具体涉及一种用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法。
背景技术
盾构机是一种用于隧道开挖的大型工程机械，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。近年来国内一、二线城市地铁建设基本采用盾构进行隧道施工，盾构已广泛应用于我国各类城市及工程隧道建设中。
盾构推进系统液压缸抗偏载是指在盾构机施工过程中，为了防止盾构机发生偏移和倾覆，采取的一种措施。液压缸作为盾构机中承担推进力的关键部件，其设计和控制对于盾构机的稳定推进起着重要作用。在推进过程中，盾构机受到的推进力是不均匀的，导致液压缸受力不平衡。在遇到不均匀的地层情况，比如有软弱带、倾斜层、硬岩和砂砾层等。这些地层的差异性会导致盾构机受到不同的阻力和推进力，从而产生偏载。为了保证液压缸的稳定工作，需要采取布置液压缸等措施来实现力的平衡，以实现抗偏载。
在盾构机推进过程中，对于不同地质所受的不同载荷条件下，需调整液压缸的布局以解决偏载问题，由于盾构推进系统中液压缸的形状和重量大，需减少重新布置液压缸的距离，减少耗能以达到高效布置液压缸的情况。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作方便，能解决盾构推进系统在兼顾高效布置液压缸的问题上，面对不同地质所受不同的阻力和推进力，从而产生偏载的偏载现象，保证盾构机的稳定推进和施工安全的用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法。
本发明采用的技术方案是：一种用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法，其用于的盾构推进系统包括盾体、支撑架和N个液压缸，所述的支撑架设置于盾体内部且与之固接，N个液压缸呈环形布置于支撑架上，N个液压缸的推进方向与盾体移动方向一致，N取偶数；所述的液压缸的一端与支撑架固接，另一端通过撑靴顶在管片上；
包括如下步骤：
1)在支撑架端面上划线，划一个外圆半径，
2)确定每个液压缸的在支撑架上的位置，具体操作如下：
2.1)以靠近外圆半径左侧的一个液压缸为第一液压缸，逆时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；或者以靠近外圆半径右侧的一个液压缸为第一液压缸，顺时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；
2.2)使得第一液压缸中心与支撑架端面的圆心的连线和外圆半径的夹角为使得第i液压缸的中心与支撑架端面的圆心的连线和第i-1液压缸中心与支撑架端面的圆心的连线形成的夹角为/>
Δθi i＝1、2、3……N的计算方法如下：
根据盾体受力平衡得：
式中Fi——第i液压缸的推进力；
xi——第i液压缸的推进力在x轴方向的投影；
yi——第i液压缸的推进力在y轴方向的投影；
Fz——z轴方向的外部载荷(kN)；
Mx——x轴方向的外部力矩(kN·m)；
My——y轴方向的外部力矩(kN·m)；
这里的坐标系以支撑架端面的圆心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，以支撑架的轴线方向为z轴；
由公式(1)-(6)可得：
Φ-γ＝0 (9)
式中：
Φ——外圆半径与y轴正向夹角；
γ——x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩与x轴正向夹角；根据公式(7)(8)获得约束方程u、v：
并构造拉格朗日辅助函数：其中：对拉格朗日辅助函数求偏导，并根据以下公式求驻点：
式中：Δxi是第i液压缸与液压缸均布时相比在x轴上的位移；
Δyi是第i液压缸与液压缸均布时相比在y轴上的位移；
Δzi是第i液压缸与液压缸均布时相比在z轴下的位移，为0；
λ、μ是拉格朗日辅助函数的待定系数；
通过数据采集并计算出外部载荷Fz、Mx和My的区间，代入公式(10)、(11)、(12)求得Δθi。
上述的用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法中，步骤1)中选取与x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩垂直的外圆半径划线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用最小移动距离的方法，改善布置液压缸的效率，操作方便，解决了盾构推进系统面对不同地质条件下载荷改变引起的偏载现象重新布置设计液压缸分布能耗与效率问题，提高了布置液压缸分布的实用性。
2、本发明使得盾构推进系统在设计阶段就能根据不同地质调节设计出具有地质适应性的推进系统，通过有效地布置液压缸来抵抗偏载问题，保证盾构机的稳定推进和施工安全。
附图说明
图1为本发明用于的盾构推进系统的立体结构示意图。
图2为本发明用于的盾构推进系统的液压缸角度布置示意图。
图中:1、刀盘；2、盾体；3、支撑架；4、液压缸；5、撑靴；6、管片；7、外圆半径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示,本发明用于的盾构推进系统包括盾体2、支撑架3和N个液压缸4(N为偶数)。盾体2首端设有刀盘1,所述的支撑架3设置于盾体2内部且与之固接。所述的液压缸4的一端与支撑架3固接,另一端通过撑靴5顶在管片6上，N个液压缸呈环形布置于支撑架上，N个液压缸4的推进方向与盾体2移动方向一致。盾构推进系统通过管片6反作用力推动整个盾体2向前掘进,刀盘1在掘进时切割的岩土通过输送机输出,盾构受到的岩土压力和自重等载荷作用于盾体2通过液压缸4传递到管片6上。
本发明包括如下步骤：
1)在支撑架3端面上划线，划一个外圆半径7。
2)确定每个液压缸的在支撑架3上的位置，具体操作如下：
2.1)以靠近外圆半径7左侧的一个液压缸为第一液压缸，逆时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；或者以靠近外圆半径7右侧的一个液压缸为第一液压缸，顺时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；如图2所示。
2.2)使得第一液压缸中心与支撑架3端面的圆心的连线和外圆半径7的夹角为使得第i液压缸4的中心与支撑架3端面的圆心的连线和第i-1液压缸4中心与支撑架3端面的圆心的连线形成的夹角为：/>
Δθi i＝1、2、3……N的计算方法如下：
根据盾体受力平衡得：
式中：Fi——第i液压缸的推进力；
xi——第i液压缸的推进力在x轴方向的投影；
yi——第i液压缸的推进力在y轴方向的投影；
Fz——z轴方向的外部载荷(kN)；
Mx——x轴方向的外部力矩(kN·m)；
My——y轴方向的外部力矩(kN·m)；
这里的坐标系以支撑架3端面的圆心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，以支撑架3的轴线方向为z轴；
由公式(1)-(6)可得：
Φ-γ＝0 (9)
式中：
Φ——外圆半径与y轴正向夹角；
γ——x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩与x轴正向夹角；根据公式(7)(8)获得约束方程u、v：
并构造拉格朗日辅助函数：其中：对拉格朗日辅助函数求偏导，并根据以下公式求驻点：
式中：Δxi是第i液压缸与液压缸均布时相比在x轴上的位移；
Δyi是第i液压缸与液压缸均布时相比在y轴上的位移；
Δzi是第i液压缸与液压缸均布时相比在z轴下的位移，为0；
λ、μ是拉格朗日辅助函数的待定系数；
通过数据采集并计算出外部载荷Fz、Mx和My的区间，代入公式(10)、(11)、(12)求得Δθi。
优选的，步骤1)中选取与x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩垂直的外圆半径7划线。
Claims (2)
1.一种用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法，其用于的盾构推进系统包括盾体(2)、支撑架(3)和N个液压缸(4)，所述的支撑架(3)设置于盾体(2)内部且与之固接，N个液压缸(4)呈环形布置于支撑架(3)上，N个液压缸(4)的推进方向与盾体(2)移动方向一致，N取偶数；所述的液压缸(4)的一端与支撑架(3)固接，另一端通过撑靴(5)顶在管片(6)上；包括如下步骤：
1)在支撑架(3)端面上划线，划一个外圆半径(7)，
2)确定每个液压缸的在支撑架(3)上的位置，具体操作如下：
2.1)以靠近外圆半径(7)左侧的一个液压缸为第一液压缸，逆时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；或者以靠近外圆半径(7)右侧的一个液压缸为第一液压缸，顺时针依次给每个液压缸编号，分别为第二液压缸、第三液压缸，直至第N液压缸；
2.2)使得第一液压缸中心与支撑架(3)端面的圆心的连线和外圆半径(7)的夹角为 使得第i液压缸(4)的中心与支撑架(3)端面的圆心的连线和第i-1液压缸(4)中心与支撑架(3)端面的圆心的连线形成的夹角为/>
Δθi i＝1、2、3……N的计算方法如下：
根据盾体受力平衡得：
式中Fi——第i液压缸的推进力；
xi——第i液压缸的推进力在x轴方向的投影；
yi——第i液压缸的推进力在y轴方向的投影；
Fz——z轴方向的外部载荷(kN)；
Mx——x轴方向的外部力矩(kN·m)；
My——y轴方向的外部力矩(kN·m)；
这里的坐标系以支撑架(3)端面的圆心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，以支撑架(3)的轴线方向为z轴；
由公式(1)-(6)可得：
Φ-γ＝0 (9)
式中：
Φ——外圆半径与y轴正向夹角；
γ——x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩与x轴正向夹角；
根据公式(7)(8)获得约束方程u、v：
并构造拉格朗日辅助函数：其中：对拉格朗日辅助函数求偏导，并根据以下公式求驻点：
式中：Δxi是第i液压缸与液压缸均布时相比在x轴上的位移；
Δyi是第i液压缸与液压缸均布时相比在y轴上的位移；
Δzi是第i液压缸与液压缸均布时相比在z轴下的位移，为0；
λ、μ是拉格朗日辅助函数的待定系数；
通过数据采集并计算出外部载荷Fz、Mx和My的区间，代入公式(10)、(11)、(12)求得Δθi。
2.根据权利要求1所述的用于盾构推进系统的抗偏载高效布局的方法，其特征在于：步骤1)中选取与x轴方向的外部力矩Mx和y轴方向的外部力矩My的合力矩垂直的外圆半径划线。
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