盾构机被动铰接改造为主动铰接研究

盾构机被动铰接改造为主动铰接研究

柯进  江仁武  罗格东

武汉重型机床集团有限公司     湖北武汉  430200

摘要：本文针对盾构机被动铰接改造为主动铰接的研究进行了全面的分析和探讨。首先，对盾构机铰接系统的原理和结构进行了介绍，阐述了被动铰接和主动铰接的区别及其在盾构机中的应用。然后，分析了盾构机主动铰接改造的必要性，从提高盾构机施工效率、减小设备故障率以及降低施工成本等方面进行了论述。接着，详细介绍了盾构机主动铰接改造的技术方案，包括改造过程中的关键技术和难点，以及改造后的盾构机性能提升等方面。最后，通过对改造前后的盾构机进行对比分析，验证了主动铰接改造的可行性和优越性，为盾构机主动铰接改造提供了理论支持和实践指导。

关键词：盾构机；被动铰接；主动铰接

引言

盾构机作为现代隧道工程中不可或缺的施工设备，其技术发展直接关系到隧道工程的效率和安全。在盾构机的设计中，铰接系统是其核心部件之一，负责连接盾构机的头部和尾部，确保在整个施工过程中能够灵活地适应各种复杂的地质条件。根据铰接系统的驱动方式，盾构机可分为被动铰接和主动铰接两种类型。被动铰接盾构机由于其结构简单，维护方便，长期以来在隧道工程中得到了广泛的应用。然而，随着工程要求的不断提高，被动铰接盾构机在施工效率和灵活性方面已逐渐显示出其局限性。

一、盾构机铰接系统概述

1.1 盾构机铰接系统的作用

盾构机铰接系统是盾构机的重要组成部分，其主要作用是在盾构机前进过程中，保持刀盘与盾体的相对位置不变，同时使盾体能够灵活地转动，以适应地层的地质条件，保证盾构机的正常施工。

1.2 盾构机铰接系统的分类

盾构机铰接系统主要分为两大类：被动铰接和主动铰接。被动铰接系统的铰接点由地层压力和盾构机自身重力决定，不能主动调节，其优点是结构简单，成本低，但缺点是适应性差，不能很好地应对复杂地层。而主动铰接系统则可以通过液压或其他方式主动调节铰接点的位置，以适应不同的地层条件，其优点是适应性强但结构复杂。

二、盾构机被动铰接与主动铰接原理对比

2.1 被动铰接原理

被动铰接是盾构机最初采用的铰接方式，其基本原理是通过一系列的铰链连接盾构机的各个部分，使得盾构机在推进过程中能够实现灵活的弯曲。被动铰接的主要特点是盾构机的铰链关节不能主动进行调整，因此盾构机在推进过程中的弯曲角度和弯曲半径都是由地质条件决定的，无法进行主动控制。

2.2 主动铰接原理

主动铰接是盾构机的一种新型铰接方式，其基本原理是通过电液伺服系统对盾构机的铰链关节进行主动控制，使得盾构机在推进过程中能够实现灵活的弯曲。主动铰接的主要特点是盾构机的铰链关节可以主动进行调整，因此盾构机在推进过程中的弯曲角度和弯曲半径都可以进行主动控制，从而提高了盾构机的灵活性和适应性。

2.3 两种铰接方式的优缺点分析

被动铰接的优点在于结构简单，成本较低，维护方便。然而，其缺点在于盾构机在推进过程中的弯曲角度和弯曲半径无法进行主动控制，因此在遇到复杂地质条件时，被动铰接的盾构机往往无法顺利完成隧道施工。主动铰接的优点在于盾构机在推进过程中的弯曲角度和弯曲半径可以进行主动控制，从而提高了盾构机的灵活性和适应性，使其能够更好地应对复杂地质条件。然而，其缺点在于结构复杂，成本较高，维护困难。

三、盾构机被动铰接改造为主动铰接的技术方案

3.1 改造方案设计

盾构机被动铰接改造为主动铰接的技术方案设计主要包括以下几个方面：铰接系统改造：将原有的被动铰接系统更换为主动铰接系统，以提高盾构机的灵活性和适应性。驱动方式改造：将原有的液压驱动方式改为电动驱动方式，以提高驱动效率和降低能耗。控制系统改造：对盾构机的控制系统进行升级，以实现主动铰接系统的精确控制。结构优化：对盾构机的结构进行优化，以减轻设备重量，提高施工效率。

3.2 改造方案的实施步骤

盾构机被动铰接改造为主动铰接的实施步骤如下：拆除原有的被动铰接系统，更换为主动铰接系统。更换驱动方式，将液压驱动改为电动驱动。对控制系统进行升级，以适应新的主动铰接系统。对盾构机的结构进行优化，以提高设备性能。进行整体调试，确保改造后的盾构机正常运行。

3.3 改造方案的技术难点与解决方案

改造方案的技术难点主要包括：铰接系统的更换：原有被动铰接系统与主动铰接系统在结构上有较大差异，需要进行精确的更换。解决方案：在更换过程中，严格按照设计图纸和施工规范进行，确保更换精度。驱动方式的改变：从液压驱动改为电动驱动，需要对驱动系统进行重新设计。解决方案：根据电动驱动的特点，重新设计驱动系统，确保驱动效率和稳定性。控制系统的升级：原有控制系统无法满足主动铰接系统的需求，需要进行升级。解决方案：采用先进的控制算法和硬件设备，对控制系统进行升级，提高控制精度。结构优化：原有盾构机结构无法满足主动铰接系统的需求，需要进行优化。解决方案：根据主动铰接系统的特点，对盾构机的结构进行优化设计，提高设备性能。

四、改造后的盾构机主动铰接性能评估

4.1 评估指标与方法

改造后的盾构机主动铰接性能的评估主要基于以下几个关键指标：铰接灵活性：通过测量盾构机在主动铰接模式下，各个铰接点的活动范围和响应速度来评估其灵活性。铰接力矩：评估在不同的作业环境下，盾构机主动铰接产生的力矩，以确定其承载能力和作业效率。能耗：对比改造前后的能耗，评估主动铰接系统对能源的利用效率。稳定性：通过模拟不同的地质条件，分析盾构机在主动铰接模式下的稳定性表现。可靠性：通过长时间运行和反复操作，检验铰接系统的可靠性和耐久性。

评估方法包括：现场测试：在实际施工环境中进行测试，收集数据，评估性能。模拟分析：利用计算机模拟不同地质条件下的盾构机作业，对比分析性能。能耗分析：通过监测能源消耗，对比改造前后的能源利用效率。长期跟踪研究：对改造后的盾构机进行长时间的跟踪研究，评估其长期性能和可靠性。

4.2 改造前后的性能对比分析

改造后的盾构机在主动铰接模式下，其铰接灵活性有了显著提升，能够更好地适应复杂多变的地质环境。在铰接力矩方面，改造后的盾构机能够产生更大的力矩，提高了其作业效率和承载能力。在能耗方面，由于主动铰接系统的优化，能耗有了一定的降低，提高了能源利用效率。稳定性方面，改造后的盾构机在复杂地质条件下表现更佳，能够保持良好的作业稳定性。可靠性方面，经过改造的盾构机在长期运行中表现出了较高的可靠性和耐久性。

4.3 改造效果的验证与评价

改造效果的验证主要通过以下几个方面进行：现场反馈：收集现场操作人员的反馈，了解改造后的盾构机在实际操作中的表现。数据分析：对收集到的数据进行分析，对比改造前后的性能差异，验证改造效果。长期性能跟踪：对改造后的盾构机进行长时间的性能跟踪，评估其长期效果和可靠性。

综合以上各方面的验证和评价结果，可以得出结论：盾构机主动铰接改造是成功的，其在各方面的性能都有了显著的提升，能够更好地适应和应对复杂多变的地质环境，提高了盾构机的作业效率和可靠性。

结语

盾构机被动铰接改造为主动铰接的研究是一项具有理论和实际意义的研究。通过这项研究，我们不仅提高了盾构机的性能和效率，也为盾构机的进一步发展和应用提供了新的思路和方向。我们期待未来能有更多的研究者和工程师参与到盾构机的研究和应用中来，共同推动盾构技术的发展。

参考文献

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