盾尾密封刷實驗平臺的設計與研究

沈桂麗，劉金祥，李劍雄，吳朝來，李大偉

(中鐵隧道集團專用設備中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

在盾構法隧道施工中，盾尾和管片之間采用多道盾尾刷進行密封，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入隧道［1］，確保施工安全。目前，國內外生產盾尾刷的廠家眾多，但盾尾刷的制造及檢測檢驗尚無統一標準，行業內也無檢測盾尾刷性能的實驗設備，導致盾構施工項目在選購盾尾刷時，沒有可參照的標準，無法判斷盾尾刷的質量是否能夠滿足施工要求。

盾尾刷質量優劣與諸多因素有關，如盾尾刷的結構、彈簧鋼板的彈性和耐磨性、鋼絲彈性等。文獻［2－5］對盾尾密封失效、盾尾刷設計、保護及更換技術等進行了分析。目前，國內尚無對盾尾刷性能質量方面的研究。本文針對盾尾刷的耐磨性及彈性2個關鍵性能參數，設計一款新型實用的盾尾刷性能檢測設備，可以綜合檢測盾尾刷的耐磨性及彈性性能。

1 盾尾刷實驗平臺的設計技術指標

盾尾刷實驗平臺模擬盾構掘進最高速度為80 mm/min、盾尾刷受管片擠壓6 000 N。主要技術參數如表1所示。

表1 盾尾刷實驗平臺主要技術參數表Table 1 Main technical parameters of shield tail brush experimental platform

2 動力系統參數設計

盾尾刷實驗平臺主要由液壓泵站［6］、液壓馬達、油缸及控制器4部分組成，其動力性能參數設計主要取決于耐磨性實驗設備和彈性實驗設備的動力系統參數匹配，需要合理選擇動力總成各部件參數，以滿足整個實驗設備的動力要求。

2.1 耐磨性實驗設備動力參數計算

耐磨性實驗設備如圖1所示，由實驗臺架、混凝土實驗塊、絲杠機構、混凝土實驗塊連接板、盾尾刷、液壓馬達、閥組、油箱、泵、管路及控制系統等組成。由液壓馬達驅動混凝土實驗塊按照設定的轉速旋轉，盾尾刷通過盾尾刷連接板與絲桿連接，通過調整絲杠可調節盾尾刷與混凝土實驗塊之間的間隙，從而實現耐磨性實驗的目的。

圖1 耐磨性實驗設備Fig.1 Wearing resistance testing device

2.1.1 液壓馬達轉速

式中:i為耐磨性實驗設備整體減速比，取265;V為混凝土線速度，取50～390 mm/min;r為混凝土實驗塊直徑，取500 mm。

計算可得 N=4.22 ～32.9 r/min。

2.1.2 液壓馬達扭矩

液壓馬達扭矩由盾尾刷摩擦扭矩M1和混凝土實驗塊轉動扭矩M22部分組成，即

式中:μ為盾尾刷與混凝土實驗塊摩擦因數，取0.5;F為盾尾刷最大壓緊力，取6 000 N;r為混凝土實驗塊及連接板外徑，均取0.5 m;m為混凝土質量及連接板質量，取518 kg;r1為混凝土實驗塊及連接板內徑，均取0.3 m;Δω為混凝土實驗塊及連接板最大角速度，取0.013 r/s;Δt為加速時間，取 0.1 s;i為耐磨性實驗設備整體減速比，取265;ρ為整個系統的傳動效率，取 0.6。

計算可得M=9.5 N·m。

考慮到低轉速，另外后續負載可能增大的情況，選取徑向球塞式低速大扭矩1/2QJM21－0.8S液壓馬達，其性能參數如表2所示。

表2 1QJM32－1.6液壓馬達參數Table 2 Parameters of 1QJM32 －1.6 hydraulic motor

2.1.3 液壓馬達最大流量

式中:P0為馬達排量，取1.06 L/r;Nmax為馬達最高轉速，取33 r/min;η為馬達工作效率，取0.9。

計算可得 Q1=38.9 L/min。

2.2 彈性實驗設備動力參數計算

彈性實驗設備如圖2所示，由實驗臺架、液壓油缸、盾尾刷、內置式磁致位移傳感器［7－8］、閥組、油箱、泵、管路及控制系統等組成。其工作原理是通過將盾尾刷放到彈性實驗設備臺面上，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動實現盾尾刷的彎曲和復位，從而檢測盾尾刷抗疲勞能力，達到彈性實驗的目的。

圖2 彈性實驗設備Fig.2 Elasticity testing device

2.2.1 油缸內徑

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。

計算可得 D1=9.78 cm。液壓油缸內徑 D1取10 cm。

2.2.2 油缸流量

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

計算可得 Q2=16.1 L/min。

2.3 盾尾刷實驗平臺液壓系統流量

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

計算可得Q=54 L/min。

根據計算，本文選取NT4－D40F內齒合齒輪泵作為液壓系統動力源，其性能參數如表3所示。

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

2.4 盾尾刷實驗平臺泵站電動機功率

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

計算可得 Pe=13.4 kW。

根據計算，可選擇Y160L－4－15的電機作為齒輪泵驅動電機。Y160L－4－15電動機參數見表4。

表4 Y160L－4－15電動機參數Table 4 Parameters of Y160L－4－15 motor

根據以上參數，制造出了符合耐磨性、彈性實驗的設備。

3 實驗設備控制系統

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、觸摸屏和現場電氣信號裝置。為方便操作者對設備的操作，操作臺安裝有壓力、流量、轉速、溫度等顯示儀表，并且配有油濾污染、液位、溫度、油位等報警裝置。

3.2 電氣控制系統網絡

采用臺達PLC作控制和采集數據［9－10］，通過工業以太網(PROFINET)連接到PLC全自動控制臺的觸摸屏。實驗現場的工作狀況、參數的輸入操作通過觸摸屏界面實現。實驗設備輸出有開關量和模擬量2種信號，每個模擬量輸入信道都由傳感器、放大器(變送器)、信號隔離器組成，模擬輸入信道均連入PLC模擬量輸入模塊，編程時，直接讀取模擬量連接輸入模塊的地址，每個開關量通過開關量輸入信道均連入PLC開關量輸入模塊，編程時，直接讀取開關量連接輸入模塊的地址，即可實現自動控制和模擬量的數據采集。電氣控制系統網絡如圖3所示。

圖3 電氣控制系統網絡圖Fig.3 Electrical control system

3.3 電氣控制系統工作過程

本實驗設備工作過程是:實驗信號由相應的傳感器檢測，一路發送給二次儀表經過放大與濾波后進行數顯;另一路通過PLC數據采集模塊，經A/D轉換輸入到計算機，由上位機軟件進行編程處理，如存儲、顯示、打印等。

控制信號的發出除手動調節控制外，程控系統是通過PLC控制模塊發出控制信號到相應過繼電器，對各開關量及模擬比例量進行輸出控制。

3.4 設備電氣控制抗干擾措施

1)各檢測、控制設備供電電源隔離。

2)信號傳輸通道采取屏蔽、隔離及有效濾波。

3)采用單點接地法，為防止不同信號回路接地線上的電流引起交叉干擾，以控制信號為單位(例如以單臺控制設備為單位)將弱電信號的內部地線接通，然后各自用規定面積的導線統一引到接地網絡的某一點，進而實現控制系統單點接地。

4 盾尾刷實驗平臺的功能

盾尾刷實驗平臺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類情況進行:1)檢測不同工況(即盾構盾尾間隙不同，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(即盾構盾尾間隙相同)下不同材質盾尾刷的耐磨性和彈性。

4.1 耐磨性實驗

將盾尾刷固定到耐磨性實驗設備上，調整盾尾刷與混凝土實驗塊位置，使盾尾刷鋼絲上平面與混凝土實驗塊貼合面最大，混凝土實驗塊轉速調整到50～390 mm/min，模仿盾尾刷在盾構中受管片摩擦的現實工況，以檢測盾尾刷耐磨性。

4.2 彈性實驗

將盾尾刷固定到彈性實驗設備上，調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實工況，模仿盾尾刷在盾構中受管片擠壓的現實工況，以檢測盾尾刷彈性性能。

根據盾尾刷在一個區間內、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 結論與展望

研制的盾尾刷實驗平臺，可以模擬盾尾刷在盾構掘進過程中受力和摩擦狀態，具有盾尾刷耐磨性和彈性性能檢測兩大功能，可以準確地測試出不同型號的盾尾刷性能，為評定盾尾刷的質量優劣提供依據。

為進一步優化盾尾刷實驗刷設備的功能，今后將增加偏壓測試、破壞性測試功能，實現彈性實驗設備在每次盾尾刷受擠壓后能夠自動記錄盾尾刷的角度回彈量，并通過控制系統記錄、生成曲線的可行性。

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