刀盘设计范文

刀盘设计范文（精选8篇）

刀盘设计 第1篇

随着二、三线城市的发展, 大批量的地铁投入建设之中, 具有快速、高效、安全、可靠、施工质量好、对地面建筑物影响小等优点的常规土压平衡盾构机在市场占有额越来越大, 需求量大幅度增长。刀盘作为土压平衡盾构机的核心部件之一, 其结构设计的合理性, 直接关乎盾构施工的成败、开挖进度的把控、盾构机使用寿命的长短以及刀具费用的多少, 如何将刀盘结构的设计实现与施工地段地质情况的最佳匹配, 从一开始就是盾构机设计中的一个尤为关键的问题[1,2,3,4]。

1 刀盘分类

针对不同的地层情况, 常规土压平衡盾构机刀盘可划分为软土式刀盘和复合式刀盘两大种类。

1.1 软土式刀盘

软土式刀盘适应以黏粒、粉粒为主, 含有机质、可塑状为主或部分软塑, 天然含水量高, 孔隙比大, 压缩性高, 强度低的地质。常见的软土式刀盘主要有三种, 具体结构形式如图1所示。此类刀盘最显著的特点是开口率大, 可有效防止结泥饼的现象。如北京、天津、长春、西安、上海等大部分属于此类地质。结合地层中砂层的稳定性程度, 可通过调整刀盘上小面板的结构尺寸, 达到改变开口率的目的。此类刀盘主要配置刀具有鱼尾中心刀、贝壳刀、切刀、边缘刮刀、保径刀、导流刀等, 刀具结构较单一, 根据具体地质, 可调整刀具结构尺寸及刀具刀间距, 实现与施工地质匹配[5,6,7]。因此此类刀盘整体而言, 较为简单, 本文只对其做上述简要介绍。

1.2 复合式刀盘

复合式刀盘主要适应于岩石受区域变质作用较强, 混合岩化和片麻理构造均较明显, 岩质较坚硬, 锤击声脆, 不易击碎, 亦或中密为主, 部分密实, 含薄层细砂, 或含卵石其主要成分为花岗岩、闪长岩和石英岩等地质。如合肥、武汉、南京、南昌、苏州、重庆、福州、广州、深圳、长沙、成都、兰州、南宁等属于此类地质。常见的6 m级的复合式刀盘结构形式如图2所示。根据岩石软硬程度不同, 刀盘上可选择不同的刀间距配置齿刀、轴式滚刀、端盖式滚刀, 以及起辅助作用的切刀、边缘刮刀等[8,9]。

整体而言, 复合式刀盘钢结构形式属于面板式结构, 主要有4辐条+4面板结构形式 (如图2 (a) 与图2 (b) ) 和6辐条+6面板形式 (如图2 (c) ) 两大类, 后者结构形式相对于前者, 刀间距可减小, 能布置更多的刀具, 但是6支腿形式, 与主驱动连接的螺栓数量减少, 连接强度有所差别, 此文暂不考虑, 着重分析对比前者两种形式。

2 复合式刀盘强度分析

2.1 不同形式刀盘强度对比分析

针对6 m级的复合式刀盘, 根据地质条件, 如图2所示的4辐条+4面板的两种结构形式, 开挖直径相同, 总滚刀布置数相同, 且边滚刀都安装12把, 采用4支腿的铸造支腿, 两种形式的开口率约为35%。不同之处主要为:1) 刀盘支腿与面板相连, 边滚刀全部布置于面板上;2) 刀盘支腿与小面板相连, 且每个小面板处只安装1把边滚刀, 其余边滚刀布置于辐条两侧。由于盾构机在地下施工过程中, 刀盘的实际工况比较恶劣, 如若刀盘结构出现问题, 将很难处理。因此满足结构强度成为刀盘初步设计之后的首先需要校核解决问题[10,11,12,13]。

在相同的加载情况和约束条件下, 两种结构形式的刀盘应力、变形云图如图3所示。刀盘的应力主要集中在中间区域, 且最大值均出现在刀盘的连接弧形筋板处。从数值大小的角度来看, 结构形式一的最大应力 (240.4MPa) 、最大变形 (4.03 mm) 都小于结构形式二的最大应力 (262.6 MPa) 、最大变形 (4.47 mm) , 说明结构形式一强度较结构形式二更可靠。刀盘上使用的钢板厚度大于80mm, 屈服强度许用应力值按254 MPa, 通过对比, 结构形式二的刀盘应力超过许用应力, 需要加强结构。

2.2 不同优化结构强度对比分析

根据上述分析, 刀盘应力较大值区域出现在辐条与面板之间的连接弧形筋板处, 因此考虑改变弧形筋板圈数以及弧形筋板板厚两种途径进行分析对比。

由图4、图5所示应力及位移对比云图分析可得, 通过增加板厚或增加环筋的数量两种途径, 刀盘的结构强度都可以相应得到增强, 达到满足材料屈服强度的要求。进一步对比分析, 如表1所示, 相同环筋圈数, 板厚100mm的环筋应力降低率较板厚80mm更加明显, 同时可见, 板厚对强度的影响较环筋圈数更为显著。因此在刀盘结构设计时, 要考虑刀盘结构强度, 可通过适当增加刀盘连接环筋厚度来实现。

2.3 刀盘结构优化及强度分析

为了进一步验证上述结论, 刀盘结构采用环形梁+1圈板厚100 mm弧形筋板形式 (环形梁与辐条连接处最长350 mm) , 如图6所示, 具体环形梁截面参考右图所示。刀盘上施加上述相同的载荷以及约束, 通过进行强度分析, 得到刀盘应力最大值为221.1 MPa, 变形量为3.448 mm, 能够很好地满足强度要求, 且此刀盘在原有刀盘的基础上, 增加了中心区域的开口率, 且因减少外圈筋板数量, 整体开口率增加, 更便于开挖过程的渣土流动性[14,15]。

3 结论

1) 刀盘作为一种非标准地下重型装备的关键性工作部件, 其类型选择以及结构设计必须根据具体掘进标段的工程地质和水文地质条件进行针对性匹配适应。

2) 刀盘类型确定后, 刀具种类的选择以及各刀具配置所涉及的关键参数根据掘进标段的工程地质和水文地质具体参数进行调整适应。

3) 盾构机在地下施工过程中刀盘的实际工况相当恶劣, 如果刀盘的结构出现问题, 如开裂等而需要在隧洞内进行维修很难处理, 因此刀盘设计时对刀盘结构进行强度校核是非常有必要的。

4) 对比两种4辐条+4面板形式的复合式刀盘结构强度, 相同约束和受力情况下, 形式一强度更为可靠。

5) 通过刀盘强度对比分析, 为了有效增加刀盘强度, 增加筋板厚度能更有效达到目的。

6) 采用环形梁的连接形式, 刀盘结构强度明显得到提升, 且刀盘中心区域的开口率增大, 为解决隧道施工刀盘中心“结泥饼”这个世界性难题迈出了有效一步。

摘要：为了实现刀盘结构与施工地段地质情况的最佳匹配, 根据地质特点, 文中对常规地铁施工用盾构刀盘结构形式进行了分类, 尤其对复合式刀盘进行了详细介绍。针对两种复合式刀盘形式进行结构强度分析对比, 并提出提高结构强度的优选方案。其次, 对刀盘结构进行优化设计并通过分析得到验证:采用环形梁连接形式, 不仅可以提高刀盘结构强度, 而且可增大刀盘中心区域开口, 有效降低刀盘中心“结泥饼”的可能性。

分体式盾构机刀盘的加工 第2篇

进入新世纪以来，随着经济的发展，许多大城市加快了地铁建设的步伐，国内出现了一大批生产制造盾构机的厂家，盾构市场的竞争越发激烈，盾构机的生产制造质量和生产周期将成为我们占领国内及国际市场的有力武器，本文简单描述了我公司为新加坡项目生产的分体式刀盘加工的工艺方法.

一、刀盘的总体要求及组成

该刀盘由四部分组成，分为刀盘体01、刀盘体02、刀盘体03及刀盘连接法兰，各部刀盘体最终所形成的刀盘整体需要经过多道工序及多工种穿插协作完成，刀盘的加工精度要求非常高，刀盘幅板毛坯面的平面度要求达到4mm以内，各刀盒的半径全部符合图纸要求的公差2mm以及刀盘中心与刀盘法兰中心同心的要求。这对我们加工制造的要求难度非常大，针对这些严格的制造要求，我们采取了整体检测分步加工的方法，以确保图纸要求的精度。

二、刀盘体的单瓣加工

以刀盘体01为例，首先将刀盘的幅板面朝上，水平擺放到平台上，并用水准仪及千斤顶将工件按上端毛坯面调整好水平，调整水平所用的测量位置需在焊接件形成后做好标记，以保证工件在加工时的状态与焊接件的状态保持一致，达到平面度3mm以内，此步调整结束后再检查刀盘上各刀盒孔的半径尺寸，并根据半径尺寸确定法兰的加工量，加工量确定后需在刀盘上端面划出加工线及十字中心线，并在刀盘体外侧划出水平找正线，供机床加工时调整水平及垂直。刀盘体01的加工，需将刀盘体01上端幅板面朝上，首先根据已划的加工找正线调整好工件的水平垂直，根据之前划好的加工线将把合法兰的加工面加工到图纸要求的尺寸，法兰上的把合光孔需根据数控编程的程序加工达图，以法兰上端面为加工基准。

由于刀盘体03的结构基本与刀盘体01相似，加工方法同刀盘体01.刀盘体02的加工，刀盘体02是连接刀盘体01与刀盘体03的中间幅条，起到连接过渡的作用，刀盘体02加工的精度直接影响整体的平面度及刀盒的半径尺寸，所以在加工此件时需要提高重视，尤其是把合面上的螺纹孔，我们采用整体组对，用水准仪整体调整刀盘平面度的方法，并将三瓣刀盘体用临时焊块连接成一体，在把合螺纹孔及销孔加工前先将把合螺纹孔及销孔的位置确定下来，并在刀盘体上打好标记，方便正式把合时作为参考基准，这样既可以满足刀盘体平面度不大于4mm又可以满足刀盒半径尺寸达图纸要求。确定刀盘体02把合螺纹孔的位置后，根据标记位置加工出图纸要求的螺纹孔及销孔。

三、刀盘体的组对

三瓣刀盘均加工后，按照标记位置将各瓣刀盘把合成整体，用水准仪检测刀盘上端面的平面度，在平面度达到要求后方可将把合螺栓及定位销按图纸要把合牢固。为确保各瓣在吊运及翻转过程中不会变形，需在合适的连接位置处增加临时焊块。

刀盘体的加工，刀盘体幅板背面朝上，根据图纸的要求加工图纸所示位置的加工面和把合孔以及与刀盘法兰相配合的把合面，在此道工序一并加工达图，唯有四个把合面上螺纹步需要加工，原因是考虑到刀盘体与法兰把合后需保证刀盘法兰与刀盘整体的同心问题。

四、刀盘法兰的加工

刀盘法兰的加工，刀盘法兰的结构相对简单，但仍需考虑到与刀盘体的整体性，首先加工与刀盘体把合的四个把合面，考虑到焊接件的变形尺寸，我们根据每个把合面的均匀性来确定把合孔的位置，然后进行加工把合孔。

五、刀盘整体组对及加工

刀盘体与刀盘法兰的组对，准备工作：为确保刀盘体与刀盘法兰的同心性，首先在刀盘幅板面的中心标记处钻出φ2的小孔，做为刀盘翻个组对时的中心。将刀盘幅板面朝下水平朝上，按已加工的把合面调整好水平，然后将刀盘法兰与刀盘本体组对，利用垂线法保证刀盘法兰的中心与刀盘体的中心重合，调整合适后利用刀盘法兰上的把合光孔标记出刀盘体上的把合螺纹孔位置。将两件拆开，按标记位置钻铰刀盘上的把合孔，把合孔加工后将刀盘体与刀盘法兰把合到一起。这样刀盘的总体结构初步形成了，最后根据图纸要求整体加工刀盘法兰及法兰上的各把合孔，结束全部的刀盘加工，保证了刀盘的平面度和刀盒半径尺寸以及法兰与刀盘体的同心度要求。

小型救援盾构机的刀盘设计研究 第3篇

自1825年英国人布鲁诺尔第一次应用盾构法在泰晤士河下开挖隧道以来, 学者们就开始对盾构法进行深入的研究。在近190年的历史中, 世界各国制造了数以千计的不同类型、不同直径的盾构, 盾构机及其施工技术也得到了不断的发展和完善。直至今日, 盾构已经发展成为能适应不同地层修建隧道的一种专用工程机械。

近年来, 地震等灾害频频发生, 造成财产损失不计其数, 更有成千上万人在灾害中被掩埋。受灾后, 被困人员的救援黄金时间是72h, 但目前在这段黄金时间大都采用人工施救或是传统机械挖掘等效率较低的方式, 并且这些方式很有可能造成对被救人员的二次伤害和危害施救人员的安全。因此亟需一种高效救援设备以提高救人效率并保证施救人员的安全。联想到盾构机具有内部开挖、挖开的隧道具有自稳性的优点, 对盾构机进行机构的创新设计, 使之能够运用于地震灾后的救援工作。

2 救援盾构机简介

一般盾构机之所以不适用于灾后的救援, 主要原因是过于庞大, 不够灵活。灾后救援要求救援设备具有效率高、安全、易运输等特点。灾后的现场条件十分复杂, 除了一般盾构机工作时面对的沙石、泥土外, 木材、混凝土甚至钢筋都可能出现。因此, 所设计的小型救援盾构机必须能够克服这种复杂的地形, 准确找到被困人员的位置并将其快速、安全的救出。设计的救援盾构机的简图见图1。

1.外层刀盘;2.内层刀盘;3输送带;4.机械手;5.切割机;6.振捣器;7.齿轮;8.刀齿;9.小内齿轮;10.大内齿轮;11.电机;12.并联推杆;13.电机;14.护套;15.千斤顶;16.支架

工作原理为电动机11驱动双向复合刀盘1、2旋转, 同时推杆12将刀盘向前推进。刀盘上设置有偏心机构, 上面装有切割器5和振捣器6, 可对废墟中的各种可能的材料进行切割和破碎, 并将切下的混凝土、钢筋和木材等碎块排到刀盘后的空间内, 刀盘后方有一机械手4, 可将切下的碎料推出盾体填入下方的空隙之中, 为盾构机的前进铺路, 也可将碎料推往皮带输送机3运出盾构机;盾构在推进过程中, 利用推进机构15将环状履带式护管14向前推进, 这些护管形成对刚挖掘出的通道的支护, 确保安全通道不因外界压力而坍塌。刀盘和护管之间设计有可以实现刀盘小角度调整的并联机构。在盾构前端装有雷达生命探测仪与红外线摄像头等传感器, 在暗室或能见度低的环境中, 进行细致的搜索, 一旦探测到机构前方有被救人员时, 机构停止运动, 并将刀盘从安全通道的内部进行拆除, 此时施救人员进入护套进行人工施救。

3 刀盘的设计

刀盘设计的好坏关系到整个盾构机的成败, 而地震后的复杂环境也给救援盾构机的挖掘系统提出了特殊的要求。

图2、图3是普通盾构机的两种主流形式的刀盘。由于灾后现场废墟结构不稳定的特性, 并且传统的盾构机都是单向旋转的, 这样就会传递给废墟很大的扭矩和力从而可能造成废墟结构的改变, 造成二次坍塌, 对受灾人员和救灾人员都会造成生命威胁。此外, 传统的盾构机只能有效的挖掘淤泥、粘土和一些岩石, 对于混凝土和钢筋却没有很好的解决方法, 而地震灾后现场倒塌的建筑物多为钢筋混凝土结构, 同时还混杂着木头、玻璃等物品, 所以普通盾构机的挖掘系统不能够满足的需求。为了达到救人的目的, 该盾构机还应有容易拆卸的特点, 因此在传统的盾构机的基础上根据灾后的复杂环境和救灾的目的, 设计出了如图4救灾盾构机的刀盘结构。

1.外层刀盘;2.内层刀盘;3.切割机;4.振捣器;5.偏心旋转架

为了尽可能的减少这种由于盾构机的掘进对稳定性的破坏而造成的废墟再次坍塌, 采用两个反向同时旋转的刀盘结构, 通过刀盘的双向旋转抵消一部分的切削力减少废墟的受力从而减少对废墟结构的破坏。刀盘上装有CBN的刀齿, 采用这样的刀具主要考虑到切削混凝土和钢筋需要强度和硬度很高, 同时从经济方面考虑, 选择了这种刀具, 刀齿采用错落排列, 这样在刀盘工作时, 即使发生意外崩掉少量刀齿也不会影响到刀盘的正常工作。

由于环形刀盘切割下来的是一个大的圆柱形的实体, 不太容易被输送出去, 为此在刀盘中设置了一个偏心的振捣器, 通过振捣器的作用将环形刀盘切割下来的废料捣碎, 方便废料通过输送带运送出去。由于混凝土中可能会有钢筋从而导致捣碎不彻底, 因此安装了两个切割机, 当遇到钢筋时就启动切割机将其切断再进行捣碎。

为了使振捣器和切割机能够到达刀盘内的大部分地方, 将刀盘环切下来的废料切削和捣碎达到要求的程度, 将振捣器和切割机安装在一个偏心旋转的支架上。当振捣器和切割机无法到达要切割和捣碎的地方时, 就启动电动机旋转支架将它们带到合适的位置后, 再进行切割和捣碎 (图5) 。

设 A (Xa, Ya) , O1 (r1, α) ,

有XO1=r1cosα, YO1=r1sinα,

(XO1-Xa) 2+ (YO1-Ya) 2=r${}_2^2$,

XO1-Xa=r2cosβ,

YO1-Ya=r2sinβ,

最后得:Xa=r1sinα+r2cosβ,

Ya=rsinα+r2sinβ,

即为A点的运动轨迹。

4 结语

通过对地震后废墟的情况进行分析, 结合传统隧道挖掘盾构的特点, 提出一种新型的小型救援盾构机, 可以适应灾后的复杂地形进行高效、快速、安全的救援。

根据传统盾构的刀盘的特点, 对其进行改进, 提出了对废墟稳定性影响较小的双层反向切削刀盘。

建立偏心旋转机构的几何模型, 对其进行运动位置分析, 得出偏心距越大, 安装位置越靠近边缘, 振捣器和切割机所能到达的范围就越大的结论。

摘要：分析了一种小型地震灾后救援盾构机的刀盘设计, 提出了一种双层反向切削的盾构刀盘形式, 在刀盘内部有一组安装在偏心旋转机构上的振捣和切割装置。指出了设计的刀盘能够适应地震后废墟的复杂地形。

关键词：救援盾构机,刀盘,双层反向,偏心旋转

参考文献

[1]Fong T W, Thorpe C, Baur C.Multi-robot remote driving with collaborative control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003 (7) :1～7.

[2]李左芬.盾构施工法的发展历程及展望[J].市政工程国外动态, 2000 (1) :23～24.

[3]张忠林, 孟庆鑫, 王华.基于转向机构的“穿地龙”机器人运动学研究[J].机器人, 2005, 27 (6) :550～554.

刀盘设计 第4篇

关键词：盾构刀盘试验台,组态软件,WinCC,PLC

1 监控系统整体方案设计

1.1 盾构刀盘试验台工作特点概述

盾构刀盘试验台工作过程是为了模拟实际盾构施工过程中的工况要求,该试验台工作特点主要有:

1)大功率、闭式传动,结构简单、传动效率高。模拟不同工况的使用要求。

2)通过比例放大器控制比例方向阀,实现对液压马达的无级调速。

3)根据变量泵高压端压力传感器的实时检测值,限定比例放大器外部控制电压的给定值,可以实现系统的恒功率控制,控制精度根据使用要求由PLC程序设定,调整方便。

1.2 监控系统整体设计

根据盾构试验台的功能特点,兼顾系统的先进性、安全性、经济性和可扩展性,确定采用以工控机作为上位机,由PLC完成数据的采集,完成对CP-5611卡初始化后,通过PROFIBUSDP通讯,来实现上位机的实验数据的采集显示,同时通过HMI(触摸屏)来实现重要数据的监视并控制。

1.3 盾构刀盘监控系统硬件设计

本系统采用SIMENTIC S7-300作为Win CC组态的硬件基础,通过MPI,实现数字编程。如图2所示。

由图2可知,工控机和CP-5611卡经PCI连接后,通过PROFIBUSDP完成于PLC间的通讯,传输电缆采用RS485系列。主站CPU模块为CPU 313C-2DP,该模块自带DP口,可以直接通过PROFIBUS_DP与上位机之间建立通讯。PLC从站IM模块具有分布式I/O接口,主要获取来自应变片传感信息,同时连接主站上还有两路高速计数通道,用来传递速度、位移等信息。

1.4 监控系统通讯方式的设计

本系统采用上位机PC集成CP5611通讯卡与PLC建立通讯,这里通讯方式主要选择有两种,一种是通过MPI协议建立通讯,另外一种则是通过PROFIBUS_DP组成通讯网络。

完成硬件组态后的项目经过编译,需设置PC侧PROFIBUS参数不再赘述。

2 监控系统软件设计及参数设置

2.1 监控软件设计

2.1.1 设计流程及整体设计

Win CC监控软件设计是监控系统的核心成分,一些重要数据的显示与监控都由监控画面完成,其设计流程图4示。

Win CC作为上位机监控软件,其主要作用是通过PLC通信采集到现场数据,根据现场条件和控制要求,并对其进行监控,保证盾构刀盘系统的正常运行。为方便操作员画面监控,对画面采用分级监控,如图5所示。

2.1.2 新建项目

Win CC组成主要包括七个主要部分组成:

1)变量管理器,可以增加与删除变量;

2)图形编辑器,静态流程图画面制作并进行变量关联;

3)报警记录:当变量的数值超限时,触发报警事件;

4)变量记录,进行历史曲线的制作与显示;

5)报表编辑,进行循环报表与事件报表制作;

6)用户权限管理,对操作功能进行等级限制,设置操作密码;

7)脚本语言,进行复杂事件组态;

图6是Win CC组成画面,由图可以看出Win CC的七个主要组成部分,利用组成部分的各项功能,便可实现系统的监控。

2.1.3 Win CC通讯参数设定与变量链接

添加SIMTIC S7 PROTOCOL协议集后,系统自动添加S7系统支持的所有协议,为了实现与PLC之间的通讯,采用PROFIBUS通讯,右击选择添加新的驱动连接,弹出图7通讯参数设定对话框,为了方便管理,新建名设为signal,通讯参数与PLC对应,站地址设为2,插槽号以及机架号等均设为0。

2.1.4 静态画面设计

在图6中,点选Graphics Designer,便弹出静态图行设计界面,在一般情况下一幅完整的流程图有四个部分组成:

图形按钮区实现不同流程图画面的切换

流程图名称区前流程图画面名称

操作画面区仿真的流程图

信息报警区超限报警,设备的启停报警

本设计中我们利用绘图工具中文本和I/O域建立与变量链接的图形界面,用以显示被测量的当前值。同时还利用Win CC中的库图形文件,建立八路开关量。通过动态链接将对象属性动态化,从而实现直观的视觉效果。如图8所示:在信号采集区,新建了十六个I/O域,连接的变量类型都是32位浮点的模拟量,用以显示盾构刀盘的刀位信息。动态链接变量过程如图所示,在图形对象的“属性”中,选中输入输出,右击选择添加变量,选中相应的变量即可。

按照上述所说的方法,我们把处理信号输出以及相应的开关量进行动态链接,处理信号输出量是采集后的信号通过个人PC处理,发出的刀盘动作信号。开关按钮用来控制运行系统的启停,系统内部发出脉冲信号,相应的开关图标动作,下面的I/O域文本值显示为ON或者OFF。

2.2 HMI(触摸屏)监控软件设计

HMI(触摸屏)监控软件设计流程:新建项目变量连接组态画面通讯设置下载触摸屏。

2.2.1 HMI项目组态与变量链接

Wincc Flexible是西门子推出的用于MP系列控制面板的组态软件。在操作员与Wincc Flexible(HMI设备端)之间以及Wincc Flexible与PLC之间均存在一个接口,HMI系统承担过程状态显示,HMI设备上的画面可根据过程变化动态更新;操作员可通过图形用户界面控制过程,直接设置参数值或操作设备。本项目通过项目向导创建了如图10所示项目画面。

项目画面主要由监控画面、起始画面、系统画面构成。主体是监控画面,图中添加了9个输入输出I/O,用来链接盾构刀盘系统应变片信息。图形界面创建后,要为每个图形界面添加变量,这里添加了16路变量,类型为Real,从PLC站取得地址,详见表1。

2.2.2 HMI与PLC之间的通讯

组态好的项目除了包括图形界面外,还设置了变量链接,以便从PLC读取或向其传送值,变量地址与PLC中的相应地址一致。Win CC Flexible使用通讯管理变量与连接,通讯的任务是从过程中取出请求的变量值,这个过程通过集成在Win CCFlexible项目中的通讯驱动程序来完成。如图11:

3 监控系统实验验证

实验过程及结果分析

本模拟实验主要采用了二种信号的发生方式:

1)信号发生器作为信号源

2)PLC自身I/O作信号源

下面就二种情况下,分析实验模拟过程:

1)首先在信号发生器做信号源时,我们调定了一系列曲线,它们的波形相似,输出电压为方波,输出电流为正弦波。我们的实验目标是在上位机中能够观察到信号的值,并通过与示波器的调定值的对比,来检验数据的通讯是否成功。如图12所示。

图12中,处理信号输出栏连接的变量是信号发生器通过PLC传输的信号,左侧是方波信号显示值为5,右侧是正弦波信号的随机显示,图中捕捉到了数值5.53。通过与示波器上的信号值的对比,表明监控系统数据通讯已经成功。

2)PLC自身I/O做信号源时,主要为了试验开关按钮的变量连接。在PLC的CPU313C-2DP主站,自带有两个16路数字量DI/O模块,取模块地址I0.0,从中输入24V电压脉冲,从Win CC中观察结果图13示。

如图13示,在PLC编程时,设定I0.0上电时,Q0.0接通,这里用文本域ON跟OFF来显示模拟Q0.0的接通与否。从图中可以知道,输入开关量信号时,开关置1,文本域显示ON,表明实验成功。

参考文献

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2008.

[3]西门子(中国)自动化与驱动集团编.深入浅出西S-300 PLC[M].北京:北京航天大学出版社,2004.

刀盘设计 第5篇

1 地质概况

隧道工程属于某城市轨道交通环线工程, 共包括两个区间:区间一全长722.624m, 区间二全长902.655m, 隧道埋深约15.1~39.8m, 盾构掘进区间主要穿越地层为砂岩和砂质泥岩, 砂岩单轴饱和抗压强度最大值为28.5MPa, 砂质泥岩单轴饱和抗压强度最大值为5.5MPa。

2 双模式TBM刀盘选型及结构设计

综合考虑地质最佳适应性、施工效率与经济性, 优先推荐双模式 (主机皮带机/ 螺旋输送机出渣) 方案。因此设计出适应双模式掘进的刀盘结构尤为重要。

盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证, 根据不同的地质条件匹配不同类型的刀具组合, 实现适应双模式掘进的刀盘刀具配置, 提高开挖效率。具体设计内容如下。

1) 刀盘结构主要由有6 个辐条及辐板、6 个刮渣板、6 根牛腿组成, 刀梁全部为箱型结构, 刀梁之间用弧形板进行连接加强, 具有足够的刚度和强度用于支撑开挖面水土压力和承受掘进中的推力及扭矩, 能满足本工程的需要。

2) 刀盘开口率就是刀盘开口与开挖面积的比值[3], 是刀盘重要参数之一。刀盘开口的形状和位置取决于地质条件、开挖面的稳定性。共设有18 个周边进渣口, 刀盘每个方向旋转可有1个进渣口。刀盘开口率35%, 开口位置在盘面均匀布置, 刀盘中心开口尺寸足够。主开口进渣板具有较宽的宽度, 能够将进入开口的渣土全部带走, 其作用相当于硬岩TBM刀盘的溜渣板, 滚刀切削下来的渣土通过刮板和溜渣板运送至溜渣槽内, 并通过皮带机将渣土输送出去。滚刀伸出量175mm, 使刮刀的旋向前方留有尽可能大的容渣空间, 以便使刮刀能够一次刮入最多的渣土。同时掘进过程中应使刀盘前渣土位尽量低, 减少渣块对大部分刀具的挤压损坏。从周边延伸到中心的开口可以部分进渣, 减少落入底部渣块数量。

3) 刀盘与开挖面之间接触面积小, 渣土不易堆积在刀盘与开挖面之间, 因此, 刀盘不容易产生“泥饼”堵塞现象, 并减轻了刀盘与刀具的磨损。并且能降低刀盘切削扭矩。

4) 万盘耐磨设计。刀盘外圈梁外表面及与切口环相对的端面焊接12.5+12.5mm的耐磨复合钢板, 刀盘面板表面焊接6.4+6.4mm的耐磨复合钢板, 充分保证刀盘在不良地质掘进时的耐磨性能。

5) 刀盘上合理配置足够数量添加剂 (膨润土或泡沫) 注入口, 保证添加剂均匀的注入到开挖面, 改善开挖土的流塑性。在盾构施工时, 通过泡沫口注入土仓内的泡沫或者膨润土等具有改善土仓内渣土的流动性、冷却刀盘、改善螺旋机出渣能力、降低刀盘扭矩和防止刀盘中心结泥饼的作用。

刀盘在掘进过程中承受巨大的推力和扭矩, 刀盘结构应满足强度和刚度要求, 以免施工过程中因刀盘强度不足和变形影响掘进。

针对某城市地质设计出的刀盘结构形式如图1 所示, 刀盘参数如下。

3 双模式刀盘结构有限元分析

3.1 计算模型简化及边界条件确定

刀盘结构的几何尺寸来自设计方案图纸, 刀盘结构的三维简化模型如图2 所示。刀盘主要承受主驱动的驱动扭矩和掌子面的土压力。经计算可知, 取掘进推力1 250t, 扭矩取6 500k Nm。

为了计算的方便, 在建立有限元模型时对刀盘的模型进行了简化, 去除了辐条上的泡沫孔和膨润土孔以及连接法兰上的螺栓孔等局部特征。本次有限元分析选用的软件为ANSYS WORKBENCH, 曲线边界进行了优化剖分, 生成了141 218 个六面体单元, 254 717 个结点, 有限元模型如图3 所示。刀盘所用材料为Q345B, 有限元模型采用的材料参数如下: 弹性模量2.0e11Pa;泊松比0.3;密度7 850kg/m3。计算时施加的扭矩为6 500k Nm, 推力1 250t, 并且约束刀盘法兰连接面的全部自由度作为位移边界条件。

3.2 计算结果与强度评价

计算结果显示, 在边界条件下刀盘结构的最大等效应力为205MPa, 刀盘绝大部分区域的等效应力小于150MPa。刀盘结构的最大综合最大位移为4.4mm。刀盘设计所用材料为Q345B, 该材料的屈服极限为345MPa, 具有富余的安全储备, 因此该刀盘的结构设计满足强度要求。

4 结语

刀盘是盾构施工过程中受力最复杂的结构件之一, 本文结合某城市地质结构, 对刀盘进行了针对性设计, 并对设计出的刀盘进行了有限元分析校核, 刀盘的结构设计、强度及刚度的分析计算为刀盘的使用可靠性提供劳务理论参考依据。

摘要：本文结合某城市地质情况, 对用于该地层的盾构刀盘结构进行了针对性设计, 并在不同工况下对刀盘结构进行了有限元分析, 分写结果表明, 刀盘结构设计满足工程使用要求, 为刀盘结构进一步优化设计提供理论参考依据。

关键词：TBM,刀盘,双模式, 结构设计,有限元分析

参考文献

[1]杨书江, 孙谋, 洪开荣.富水砂卵石地层盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]陈韵章, 洪开荣.复合地层盾构设计概念[M].北京:人民交通出版社, 2009.

圆盘式换刀器的分度机构及刀盘设计 第6篇

本设计为TH5632立式加工中心 (自动换刀数控立式镗铣床) 设计圆盘式换刀装置。该加工中心是新一代精密高效立式加工中心, 可为汽车、摩托车、航空航天、机械制造、等行业批量生产阀类、板盘类和箱体类零件, 可进入自动线进行批量生产。

2 刀库分度机构的设计

2.1 刀库转动定位机构的选择

目前圆盘式刀库分度装置大多采用单头双导程蜗轮蜗杆传动, 此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙, 实现准确的转位分度, 但此传动机构较复杂, 且蜗轮和蜗杆的加工较困难。

圆盘式刀库一般使用在立式加工中心上, 受机床尺寸大小的限制, 刀库的容量不能太大, 所以分度装置多使用经典的槽轮机构, 如图1所示。它由主动曲柄1、槽轮2、拨销3和锁止盘4组成。主动曲柄回转轴线与槽轮回转轴线平行, 通常主动曲柄作等速回转, 当主动曲柄上的拨销进入槽中, 就拨动槽轮作反向转位运动, 当拨销从槽中脱出, 槽轮即静止, 并由锁止盘定位。当只有一个拨销时, 主动曲柄转一周, 槽轮作转一个角度的步进运动, 从而实现转位、分度和定位。

2.2 槽轮机构参数计算

槽轮槽数Z可根据刀库容量选取, 但不同槽数时外啮合槽轮的角速度和角加速度的变化不同, 槽数越小, 则角加速度的变化越大, 由此产生的冲击和磨损也就越大。因此在用槽轮机构时, 槽数应不小于8。设计中刀库容量为12把刀。

槽轮机构的其他参数可由表1求出。根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸。如图2所示, 绘制12槽槽轮机构图。

当槽轮机构进入和脱出槽口的瞬时位置, 主动曲柄中心与槽的中心线垂直, 使槽轮转位起、停瞬时的角速度等于零, 避免了刚性冲击。但是槽轮转位起、停时的角加速度变化较大, 因此当槽与滚子之间存在间隙时, 会产生一定冲击, 为减小冲击可采取以下方法:a.减小或消除拨销和槽之间的间隙;b.回转轴采用空心结构, 减小槽轮组件的转动惯量;c.增加轴承的预紧力, 从而增加槽轮组件的回转阻尼。

3 刀盘设计

3.1 刀盘部分的设计

刀盘尺寸的确定:刀盘采用轮辐式结构, 这样既能满足使用要求, 又能保证刀盘的强度。在整个设计过程中保证各尺寸在换刀过程中不发生干涉即可, 刀盘直径为450mm。如图3刀盘结构图, 刀盘组件主要由刀盘和刀夹组成, 12个刀夹均布在刀盘的圆周上。

3.2 刀夹的设计

在无刀状态下, 两刀夹在夹紧弹簧的作用下, 驱闭合状态。当接到换刀指令时, 刀库回转体将位于其上的空刀夹单元转至刀库换刀点, 这时位于机床主轴前端的刀具释放块跟随主轴快速移动到换刀点, 在刀具释放块的作用下, 将位于刀库回转体上刀夹单元的解锁销钉打开, 所需换刀的刀具在主轴的夹持下, 与主轴一同移动到换刀点。这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下, 将刀具夹紧。主轴松开刀柄向后移动, 与此同时位于刀夹单元后端的解锁销钉在锁刀弹簧的作用下, 将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上, 完成锁刀动作 (如图4所示) 。刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点, 主轴向前移动, 主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开, 同时主轴夹紧刀柄。主轴取到所需要的刀具后, 主轴前端的刀具释放块跟随主轴一同向外移动离开刀库, 当刀具释放块的引导斜面离开解锁销钉时, 解锁销钉在锁刀弹簧的作用下回到原位, 进行刀具锁紧刀库回转体转回刀库原位, 刀库完成一次换刀循环。

刀夹设计的关键是夹持力和夹爪的设计, 夹持力过大, 换刀机械手承载力大, 夹爪磨损过快, 夹持力过小, 会产生掉刀现象。因此, 弹簧的设计就很重要, 且12个夹持用的弹簧特性尽量一致。夹爪的硬度要低于刀柄的硬度。刀夹结构如图5所示。

4 结论

数控技术的发展必定是未来制造业的发展方向, 刀库的发展极大地左右了加工中心的发展, 而盘式刀库的结构解决了刀库容量, 机床加工范围等的众多问题。本次设计的刀库满载装刀12把, 刀盘最低转速达到60r/min, 满足了实际加工中节省时间的目的, 提高了加工效率。

参考文献

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刀盘设计 第7篇

1 刀盘设计

1.1 刀盘面板设计

本工程刀盘采用面板加辐条式刀盘, 刀盘开挖直径6 280mm, 刀盘的开口率为25% (较以往海瑞克土压平衡盾构28%小) 。盾构在圆砾层中掘进结泥饼的概率较小, 刀盘设计时主要考虑刀座的布置有利于刀具更换和土层开挖。刀盘面板开口采用特殊形状的流线型设计, 能使切削下的碴土等顺利地进入土仓, 避免在刀盘前方堆积, 增加刀盘、刀具的磨损。刀盘周边区域带采用堆焊耐磨保护, 刀盘面板采用hardox板耐磨保护, 用硬质合金保护耐磨条保护刀盘外径。减小了中心部位的开口率, 增加了中心部位泡沫孔, 在该地层中减小刀盘开口率能有效地控制地面沉降。刀盘面板设计图如图1所示。

1.2 刀具配置

清-动区间圆砾含量较高, 且较密实, 刀具配置采取呈阶梯搭配, 配备常规的保径刀, 安装磨损检测刀具2把。刀盘旋转时最先由滚刀和正面齿刀接触掌子面, 起到预先松动土体的作用, 再由先行刀进行局部的二次松动。松动后的土体由正面刮刀和边缘刮刀切削, 由此来减小切削扭矩。滚刀磨损到一定程度后由先行刀和滚刀共同预先松动土体, 此时盾构掘进参数将有所变化, 根据掘进参数的变化可以初步判断刀具磨损情况。在圆砾中使用的刀具保证切削效果的同时还要有良好的耐磨性的和较强的防碰撞能力, 所以, 本区间滚刀采用单刃宽刃滚刀, 刮刀采用250mm宽双排螺栓固定刮刀。根据地质条件结合我司成都某工程粘土卵石层中的施工经验, 本工程清~动区间采用如下刀具配置方案:11把17寸单刃宽刃滚刀, 刀高175mm;4把中心双齿刀, 刀高175mm;20把正面齿刀, 刀高175mm;2把先行刀, 刀宽200mm, 刀高160mm;28把正面刮刀, 刀宽250mm, 刀高140mm, 双排螺栓;8把边缘刮刀, 刀高140mm, 双排螺栓;6把边缘保径刀;2个磨损检测装置。滚刀刀间距:中心区域90mm, 正面区域100mm, 最外侧的切削轨迹上有2把边滚刀。

2 主驱动设计

清-动区间以较密实的圆砾地层为主, 部分地段富水承压, 在该种地层中刀盘切削扭矩较大, 所以该台盾构所使用的主驱动要能够承受较大的扭矩, 而且有较强的密封性能。以往海瑞克土压平衡盾构以8个液压马达为主, 如果要提高盾构的极限扭矩就需要增加液压马达数量, 同时增大回转中心直径。根据以往的盾构应用情况, 本工程的主驱动在考虑保有一定富余量后采取如下设计: (1) 刀盘驱动是液压驱动, 刀盘驱动马达9个, 如图2所示, 总功率945k W; (2) 主轴承采用3排滚柱式轴承, 直径3 000mm, 设计寿命为10 000h; (3) 主驱动密封通过外4排内2排的迷宫式密封方式, 在富水承压底层中能起到有效的密封作用, 保护主轴承, 如图3所示。 (4) 额定扭矩6 228k Nm, 脱困扭矩7 447k Nm, 最大工作压力4.5bar, 主驱动性能曲线如图4所示。

1-内密封系统 (2排) ;2-密封衬套;3-外层密封系统 (4排) ;4-润滑油室;5-油室;6-泄漏油室;7-重新驱动支持;8-3排滚子轴承 (结合齿圈) ;9-两边驱动小齿轮;10-内啮合

3 结语

刀盘设计 第8篇

刀盘是微米木纤维定向刨片机的核心部件, 在机床的中心位置安装一套切削机构, 可以沿着进给方向进行纵向加工, 切削过程中依靠装在刀盘上的刀具旋转运动、木材的向下运动及刀盘的上升运动进行加工。由于微米木纤维定向刨片机的切削精度要求较高, 须达到微米级别, 这就对整机安装精度及切削部件的工作精度提出更高要求。

传统的刀盘在进行切削时, 伴随着刀具的切入切出, 会产生振动, 对切削精度产生不利影响。特别是进行高速切削时, 振动的频率较高, 切削宽度不断变化, 切削力与切削功率波动剧烈, 峰值很大, 加快了切削刃的磨损, 降低了刀具寿命。同时造成产品精度不均, 降低生产效率。为了使刀盘的工作状态得到改善, 提高工作稳定性, 根据均衡切削理论, 对高速切削刀盘进行设计, 减少刀盘工作中切削力和切削功率的大范围波动。

1 均衡切削理论

圆盘式切削系统进行切削时, 同时参与切削的刀具越多, 切削越平稳。在任意切削时间内, 切削下的切屑横断面积不变, 这时切削进行得最平稳, 切削力和切削功率的变化幅度最小, 称为切削平衡。对于盘式切削来说, 保持切削过程中载荷均衡, 从根本上解决了易发生切削振动造成切削不均匀的缺陷。

为了实现切削均衡, 必须保证在切削过程中, 是被切削木料能一直处于一把刀或一把以上刀具切入被加工木料的状态, 使木料不断地受到牵引力的作用。要维持这种连续切削, 两把刀之间的距距离应不大于木料在切削方向向的截面尺寸。为了抬高原木木在切削时的稳定性和对中程程度, 刀具在刀盘上的布置一一般以进料中心处刀具所在同同心圆为对称点, 定出第一把把切削刃的位置, 以此为对称。这样能保证刀具对称地切削木料, 改善木料的进给条件, 切削过程振动小, 提高切削后木片质量, 降低刀具的磨损。

对刀具来说, 如图1所示, 有以下关系:

式中:L为在切削半径为R的圆周上, 两把切削刀具间距离;R为切削半径, 即刀盘中心到被切削木料截面中心的距离;Z为刀具的数量;d为被切削木料截面长度;ε为投入角。

由于在各切削方向上的截面尺寸是不一样的, 当纵向切削时, 随着刀盘的进给截面尺寸会根据距离木料中心的远近发生变化, 越靠近木料中心, 截面尺寸逐渐递增;过了中心区域, 切削截面逐渐递减。节距大小决定了切削截面的大小、刀宽、刀数和动力相遇角。这样的布置具有连续切削的条件, 即一把刀出来的同时, 另一把刀进入切削, 最大程度地保持了载荷均衡。

2 刀具断面的形状

刀具在切削时, 除了刀具的前、后刀面参与切削, 其外侧面也会使木材产生变形, 其变形量大小取决于切削半径、刀具厚度和刀刃长度。如图2所示, 在刀厚方向上的点A和点C, 它们运动轨迹不同, ΔABC区域面积不在切削刃的切削轨迹范围, 因而这部分不参与切削, 这部分将受到挤压而发生形变, 不但增加了功率的消耗, 而且会损害发生形变部分的木材纤维, 使木片质量降低。所以, 切削刀具的侧面必须具有一定的倾斜角。

由图2可知:

式中:α为倾斜角;R为切削半径;δ为切削刃厚度。

实际设计中, 为了避免刀具侧面与木材发生摩擦, 刀具的倾斜角αz≥≥1.5~2≥α。因此, 刀具的断面形状必须做成具有一点倾斜角度的梯形断面, 能有效降低动力消耗。

3 刀具的数量

考虑到本机床是纵向切削, 为了保持切削时的稳定性, 刀盘刀具采用等节距布置。这样在整个切削过程中, 任意时间内保证至少有一把刀进行切削, 实现切削的连续性。此方案布置简单, 易于操作。基于均衡原理布置飞刀, 设计切削刀盘直径为580 mm, 厚度为85 mm, 材料为Q235钢。飞刀数量公式为

式中:dmax为切削直径的最大值;H为动力相遇角;l为刀具长度;Δ为刀具厚度。

将设计尺寸代入公式, 初步得出Zmin=3.76, 所以确定刀具数量为4把。

4 刀盘的装配

根据均衡理论设计的刀盘如图3所示。

刀盘总成由刀块、刀盘和侧刃构成, 如图3所示。刀块有3个内六角螺钉固定在刀盘上, 沿刀盘直径方向分布, 当刀盘旋转时, 四个刀块中刀片均可参与切削, 大幅度提高切削效率。刀片2被装刀块3固定, 通过调整与装刀块3配合的楔块4能调整刀片的位置。参与装刀块3定位的两个楔块被一个丝杆5连接, 丝杆5的旋转使两个楔块紧固, 对刀片位置进行微调, 保证刀片的位置精度。侧刃9被压刀块10固定在刀盘侧面, 由一个内六角螺钉贯穿侧刃和压刀块使二者紧固在一起。当单盘对木料进行的切削进行到一定程度时, 刀盘会深入被加工木料, 这时侧刃会切除与刀盘侧面接触的木料, 给刀盘留出进给空间, 防止侧面木料对刀盘的摩擦力, 降低刀盘旋转速度, 影响切削效率。

4个刀块的结构相同, 当需要换刀时, 只需松开刀盘背面的紧固螺栓, 即可把刀块取下, 换上新的刀块。采用这种装配方式的刀块刀片, 夹紧牢固, 安装简单快捷。刀盘上安装四把刀, 目的是在切削过程中, 刀盘每转一圈就能对木料进行四次切削, 装刀数量的增加可以减少在木材切削过程中运动学的不平度, 还可以使切削过程中振动减少, 提高切削质量。

5 结语

本文对现有的刀盘进行研究, 根据均衡切削理论, 设计出新式刀盘, 结构简单, 飞刀尺寸小, 制造及安装容易, 维护方便;刀片磨损比较均衡, 驱动电机的功率大幅度下降, 刀盘质量仍有优化空间。同时, 可以提高生产加工效率, 减小切削力的波动, 提高切削精度。

运用Solid Works软件将刀盘的三维模型绘制出来进行三维模拟装配, 可以非常直观地看出所设计零部件是否有缺陷, 而且还可以对相应部分进行修改和优化, 这样可以大大缩短产品的设计周期, 还可以降低产品制造出之后的故障率。

摘要：通过对当前刀盘的研究, 发现其存在生产率较低、切削力不稳定、切削效率不高、精度低等问题, 为了改善这些问题, 根据均衡切削理论刀盘进行重现设计, 并通过Solid Works2012软件建立刀盘的三维模型, 对其关键零件进行虚拟装配, 验证设计刀盘, 而且还可以为后续设备的优化改进提供理论依据。

关键词：刀盘,切削稳定,均衡理论,振动

参考文献

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[2]张晓文.盘式削片机动态载荷特性及均衡切削的研究[D].北京:北京林业大学, 1999.

[3]王宇.数控节能顺纹削片机的设计与仿真[D].哈尔滨:东北林业大学, 2012.

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