盾尾密封刷实验平台的设计与研究

沈桂丽，刘金祥，李剑雄，吴朝来，李大伟

(中铁隧道集团专用设备中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

在盾构法隧道施工中，盾尾和管片之间采用多道盾尾刷进行密封，并在盾尾刷之间的空腔充填盾尾油脂，以有效防止泥浆与注浆材料回流进入隧道［1］，确保施工安全。目前，国内外生产盾尾刷的厂家众多，但盾尾刷的制造及检测检验尚无统一标准，行业内也无检测盾尾刷性能的实验设备，导致盾构施工项目在选购盾尾刷时，没有可参照的标准，无法判断盾尾刷的质量是否能够满足施工要求。

盾尾刷质量优劣与诸多因素有关，如盾尾刷的结构、弹簧钢板的弹性和耐磨性、钢丝弹性等。文献［2－5］对盾尾密封失效、盾尾刷设计、保护及更换技术等进行了分析。目前，国内尚无对盾尾刷性能质量方面的研究。本文针对盾尾刷的耐磨性及弹性2个关键性能参数，设计一款新型实用的盾尾刷性能检测设备，可以综合检测盾尾刷的耐磨性及弹性性能。

1 盾尾刷实验平台的设计技术指标

盾尾刷实验平台模拟盾构掘进最高速度为80 mm/min、盾尾刷受管片挤压6 000 N。主要技术参数如表1所示。

表1 盾尾刷实验平台主要技术参数表Table 1 Main technical parameters of shield tail brush experimental platform

2 动力系统参数设计

盾尾刷实验平台主要由液压泵站［6］、液压马达、油缸及控制器4部分组成，其动力性能参数设计主要取决于耐磨性实验设备和弹性实验设备的动力系统参数匹配，需要合理选择动力总成各部件参数，以满足整个实验设备的动力要求。

2.1 耐磨性实验设备动力参数计算

耐磨性实验设备如图1所示，由实验台架、混凝土实验块、丝杠机构、混凝土实验块连接板、盾尾刷、液压马达、阀组、油箱、泵、管路及控制系统等组成。由液压马达驱动混凝土实验块按照设定的转速旋转，盾尾刷通过盾尾刷连接板与丝杆连接，通过调整丝杠可调节盾尾刷与混凝土实验块之间的间隙，从而实现耐磨性实验的目的。

图1 耐磨性实验设备Fig.1 Wearing resistance testing device

2.1.1 液压马达转速

式中:i为耐磨性实验设备整体减速比，取265;V为混凝土线速度，取50～390 mm/min;r为混凝土实验块直径，取500 mm。

计算可得 N=4.22 ～32.9 r/min。

2.1.2 液压马达扭矩

液压马达扭矩由盾尾刷摩擦扭矩M1和混凝土实验块转动扭矩M22部分组成，即

式中:μ为盾尾刷与混凝土实验块摩擦因数，取0.5;F为盾尾刷最大压紧力，取6 000 N;r为混凝土实验块及连接板外径，均取0.5 m;m为混凝土质量及连接板质量，取518 kg;r1为混凝土实验块及连接板内径，均取0.3 m;Δω为混凝土实验块及连接板最大角速度，取0.013 r/s;Δt为加速时间，取 0.1 s;i为耐磨性实验设备整体减速比，取265;ρ为整个系统的传动效率，取 0.6。

计算可得M=9.5 N·m。

考虑到低转速，另外后续负载可能增大的情况，选取径向球塞式低速大扭矩1/2QJM21－0.8S液压马达，其性能参数如表2所示。

表2 1QJM32－1.6液压马达参数Table 2 Parameters of 1QJM32 －1.6 hydraulic motor

2.1.3 液压马达最大流量

式中:P0为马达排量，取1.06 L/r;Nmax为马达最高转速，取33 r/min;η为马达工作效率，取0.9。

计算可得 Q1=38.9 L/min。

2.2 弹性实验设备动力参数计算

弹性实验设备如图2所示，由实验台架、液压油缸、盾尾刷、内置式磁致位移传感器［7－8］、阀组、油箱、泵、管路及控制系统等组成。其工作原理是通过将盾尾刷放到弹性实验设备台面上，将盾尾刷最上层钢丝面放在油缸活塞杆固定板正下方，通过液压油缸的往返运动实现盾尾刷的弯曲和复位，从而检测盾尾刷抗疲劳能力，达到弹性实验的目的。

图2 弹性实验设备Fig.2 Elasticity testing device

2.2.1 油缸内径

式中:F为油缸活塞最大推力，取6 000 N;p1为油缸压力，取 0.8 MPa。

计算可得 D1=9.78 cm。液压油缸内径 D1取10 cm。

2.2.2 油缸流量

式中:D1为油缸无杆腔内径，取100 mm;D2为油缸有杆腔半径，取60 mm;L为油缸行程，取200 mm;初步认为油缸伸出和回缩所用时间相同，F为油缸往返频率，取8次/min。

计算可得 Q2=16.1 L/min。

2.3 盾尾刷实验平台液压系统流量

式中:Q1为马达流量，取38.9 L/min;Q2为油缸流量，取 16.1 L/min。

计算可得Q=54 L/min。

根据计算，本文选取NT4－D40F内齿合齿轮泵作为液压系统动力源，其性能参数如表3所示。

表3 NT4－D40F齿轮泵参数Table 3 Parameters of NT4－D40F gear pump

2.4 盾尾刷实验平台泵站电动机功率

式中:Qmax为泵的最大流量，取58 L/min;p为系统工作压力，取12.5 MPa;电机总效率 η=0.9。

计算可得 Pe=13.4 kW。

根据计算，可选择Y160L－4－15的电机作为齿轮泵驱动电机。Y160L－4－15电动机参数见表4。

表4 Y160L－4－15电动机参数Table 4 Parameters of Y160L－4－15 motor

根据以上参数，制造出了符合耐磨性、弹性实验的设备。

3 实验设备控制系统

3.1 电气控制硬件组成

电气控制硬件主要包括控制操作台、触摸屏和现场电气信号装置。为方便操作者对设备的操作，操作台安装有压力、流量、转速、温度等显示仪表，并且配有油滤污染、液位、温度、油位等报警装置。

3.2 电气控制系统网络

采用台达PLC作控制和采集数据［9－10］，通过工业以太网(PROFINET)连接到PLC全自动控制台的触摸屏。实验现场的工作状况、参数的输入操作通过触摸屏界面实现。实验设备输出有开关量和模拟量2种信号，每个模拟量输入信道都由传感器、放大器(变送器)、信号隔离器组成，模拟输入信道均连入PLC模拟量输入模块，编程时，直接读取模拟量连接输入模块的地址，每个开关量通过开关量输入信道均连入PLC开关量输入模块，编程时，直接读取开关量连接输入模块的地址，即可实现自动控制和模拟量的数据采集。电气控制系统网络如图3所示。

图3 电气控制系统网络图Fig.3 Electrical control system

3.3 电气控制系统工作过程

本实验设备工作过程是:实验信号由相应的传感器检测，一路发送给二次仪表经过放大与滤波后进行数显;另一路通过PLC数据采集模块，经A/D转换输入到计算机，由上位机软件进行编程处理，如存储、显示、打印等。

控制信号的发出除手动调节控制外，程控系统是通过PLC控制模块发出控制信号到相应过继电器，对各开关量及模拟比例量进行输出控制。

3.4 设备电气控制抗干扰措施

1)各检测、控制设备供电电源隔离。

2)信号传输通道采取屏蔽、隔离及有效滤波。

3)采用单点接地法，为防止不同信号回路接地线上的电流引起交叉干扰，以控制信号为单位(例如以单台控制设备为单位)将弱电信号的内部地线接通，然后各自用规定面积的导线统一引到接地网络的某一点，进而实现控制系统单点接地。

4 盾尾刷实验平台的功能

盾尾刷实验平台功能是用于检测分析盾尾刷的耐磨性和弹性性能，主要分2类情况进行:1)检测不同工况(即盾构盾尾间隙不同，盾尾刷承受压力不同)下盾尾刷耐磨性和弹性;2)检测相同工况(即盾构盾尾间隙相同)下不同材质盾尾刷的耐磨性和弹性。

4.1 耐磨性实验

将盾尾刷固定到耐磨性实验设备上，调整盾尾刷与混凝土实验块位置，使盾尾刷钢丝上平面与混凝土实验块贴合面最大，混凝土实验块转速调整到50～390 mm/min，模仿盾尾刷在盾构中受管片摩擦的现实工况，以检测盾尾刷耐磨性。

4.2 弹性实验

将盾尾刷固定到弹性实验设备上，调整盾尾刷与油缸活塞压板距离，使盾尾刷钢丝上平面与处于压板正下面，模仿盾尾刷受管片挤压的现实工况，模仿盾尾刷在盾构中受管片挤压的现实工况，以检测盾尾刷弹性性能。

根据盾尾刷在一个区间内、特定的盾尾间隙下磨损或弹性变化情况，如盾尾刷最高高度低于该盾尾间隙的2倍可判断该盾尾刷密封效果差，不能较好满足使用要求。

5 结论与展望

研制的盾尾刷实验平台，可以模拟盾尾刷在盾构掘进过程中受力和摩擦状态，具有盾尾刷耐磨性和弹性性能检测两大功能，可以准确地测试出不同型号的盾尾刷性能，为评定盾尾刷的质量优劣提供依据。

为进一步优化盾尾刷实验刷设备的功能，今后将增加偏压测试、破坏性测试功能，实现弹性实验设备在每次盾尾刷受挤压后能够自动记录盾尾刷的角度回弹量，并通过控制系统记录、生成曲线的可行性。

［1］ 张合沛，陈馈，李凤远，等.盾尾密封油脂注入理论及控制方法研究［J］.建筑机械化，2014(9):68－71.(ZHANG Hepei，CHEN Kui，LI Fengyuan，et al.Research on shield tail seal oil injection theory and control method［J］.Construction Mechanization，2014(9):68 －71.(in Chinese))

［2］ 陈茂坤，钟志全.保障盾尾密封有效性的技术措施［J］.建筑机械化，2012(6):79 －81.(CHEN Maokun，ZHONG Zhiquan.The technology of guaranteeing tightness of shield tail［J］.Construction Mechanization，2012(6):79 － 81.(in Chinese))

［3］ 刘利君.长距离盾构隧道盾尾刷的保护［J］.山西建筑，2012(13):232 － 233.(LIU Lijun.On protection of shield tail brush of long-distance shielding tunnel［J］.Shanxi Architecture，2012(13):232 －233.(in Chinese))

［4］ 孙善辉，李凤远.盾构尾刷洞内更换技术［J］.建筑机械化，2012(4):76 － 78.(SUN Shanhui，LI Fengyuan.Technology ofinnertunnelboring machine tailbrush replacement［J］.Construction Mechanization，2012(4):76－78.(in Chinese))

［5］ 霍志光.新型盾尾刷设计与应用分析［J］.价值工程，2011(8):87.(HUO Zhiguang.Design and application analysis of new shield tail brush［J］.Value Engineering，2011(8):87.(in Chinese))

［6］ 高翔，张辉，史勇，等.泵控马达电液比例加载系统的研究［J］.流体传动与控制，2013(3):23 －25.(GAO Xiang，ZHANG Hui，SHI Yong，et al.Study of electro-hydraulic proportional loading system on pump control motor［J］.Fluid Power Transmission and Control，2013(3):23 － 25.(in Chinese))

［7］ 贺瑞燕，贾文广，郭杰.内置式位移传感器在液压缸中的应用［J］.流体传动与控制，2013(1):45－46.(HE Ruiyan，JIA Wenguang ，GUO Jie.Application of the built-in displacement sensor used for hydraulic cylinder［J］.Fluid Power Transmission and Control，2013(1):45 － 46.(in Chinese))

［8］ 冯希辰，周新志，余超.磁致伸缩位移传感器回波信号滤波器设计［J］.传感器与微系统，2013(6):104－107.(FENG Xichen，ZHOU Xinzhi，YU Chao.Fiters design for echo signal of magnetostrictive displacement sensors［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2013(6):104 －107.(in Chinese))

［9］ 张国平.浅析台达PLC在自动化工程上的应用［J］.科技资讯，2012(16):9.(ZHANG Guoping.Application of delta PLC in automation engineering［J］.Science ＆ Technology Information，2012(16):9.(in Chinese))

［10］ 张勇洪，许松林，谢仕伟.浅谈台达PLC及文本显示的应用［J］.泸天化科技，2013(3):205 －208.(ZHANG Yonghong，XU Songlin，XIE Shiwei.Application of delta PLC and text display［J］.Lutianhua Ke Ji，2013(3):205 －208.(in Chinese))