tbm直动式溢流阀内泄漏研究

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1、万方数据1绪论1．1研究背景及意义硬岩掘进装备(TBM)是专用于公路、高铁、水利、城市地铁等硬岩隧道施工的技术密集型重大装备【11。与传统的钻爆法相比，TBM集钻孔、掘进、排渣、支护、衬砌等于一体，对围岩扰动较小，开挖面圆顺平整，能有效降低地质灾害发生的风险，可以连续快速作业，实现隧道一次成洞。具有质量高、速度快、施工安全、费用低、噪音粉尘少等优点。目前，我国已经成为全球对硬岩掘进装备需求量最大的国家。据可靠预计，我国未来十年里各类隧道的总长度将会突破I万公里，硬岩掘进装备的需求量将达到200台，装备投入将突破500亿元，拉动相关投资8000亿元。然而我

2、国TBM研究起步较晚，技术受国外垄断，目前拥有的30余台TBM基本上从国外进口。因此，必须研究和掌握硬岩TBM设计制造的相应科学基础及关键技术，提高我国TBM自主研发能力。TBM主要工作于大埋深、长距离以及‘‘三高’’(高硬度、高温、高石英含量)复杂地质环境的恶劣工况中。由于掘进过程中破岩会产生强烈的振动、TBM自身会产生自激振动、隧道附近的爆破产生的振动、作业过程中中小型岩爆产生的振动及其他原因产生的振动，使得TBM上液压系统工作于强振动的恶劣环境中[2-4]。图1-1a为某一施工现场测量的TBM(刀盘转速8．5rpm，推进压力227bar)主梁各段垂

3、直方向振动时域统计图。在相同的工况下，主梁振动情况随着远离主轴承而变小，主轴承及主梁前部的垂直振动加速度最大值分别达到了49和109，这说明TBM上的振动非常剧烈。图l-lb表示主梁及主轴承垂直方向振动烈度统轴b．振动加速度和速度时域统计指标图a振动加速度时域统计指标；图b振动加速度时域统计指标万方数据图1．2为现场采集的TBM主梁前部、中部以及后部的振动信号时域图。由此图可知主梁前部的振动加速度幅值超过了20m／s2，且振动能量沿轴线呈衰减趋势。忡0工2”’谢。8≈式怦=^。32洲”^1·-‘一n-一一一～L·L_J．⋯址“．一l⋯～J-⋯．■J1．·

4、_．J^·L-●J-J⋯L⋯u⋯L一⋯一。～⋯山J’⋯一F1T丌1⋯T一叩T1’1．⋯”一⋯1j1⋯一1⋯⋯1。rr1刑⋯1r⋯⋯Tr一一⋯’’'T’甲1’图1-2主梁垂直方向振动时域波形直动式溢流阀作为TBM液压系统中重要的压力控制装置，在TBM中应用广泛，受基础振动的作用，阀芯与阀体会发生相对运动，可能会引起阀芯的自动开闭及阀芯与阀体间隙流场的变化，造成内泄漏。液压元件的内泄漏形式主要有缝隙泄漏、黏附泄漏、多孔泄漏、孔口泄漏和动力泄漏等【5】。滑阀型直动式溢流阀的阀芯与阀体之间采用的是间隙配合，容易发生缝隙泄漏。而溢流阀工作在强振动的工况中，过大的振

5、动会使阀芯与阀体的相对位移发生改变，致使密封面不严密，从而产生阀口泄漏，这属于孔口泄漏的一种。因此，直动式溢流阀的内泄漏主要是由阀口泄漏和缝隙泄漏引起的。直动式溢流阀一旦发生阀口泄漏，即会造成以下危害：一、影响溢流阀的动态性能，造成溢流阀额定溢流的压力不稳定，使系统的工作效率变低；二、严重时会导致溢流阀工作性能失效，这不仅会导致TBM出现事故，甚至会造成人身伤亡。由于间隙的存在，直动式溢流阀的缝隙泄漏无法避免，但过大的缝隙泄漏量会破坏缝隙的油膜，造成阀芯运动不稳，无法建立起预定的压力，降低溢流阀的工作性能，引起溢流阀阀的操作失灵。因此，研究基础振动参数及

6、阀的结构参数对溢流阀内泄漏的影响规律，对减小因基础振动引起的内泄漏、提高TBM液压系统工作稳定可靠性和完善溢流阀的选型及设计提供一定的借鉴及参考价值。2万方数据亟±堂位论文l绪论1．2课题来源本课题来源于国家973重点基础研究发展项目：“硬岩掘进装备的关键基础问题”子课题“强冲击载荷下掘进液压系统动力学行为”(项目编号为2013CB035404)。1．3溢流阀内泄漏研究现状1．3．1溢流阀内泄漏量研究现状(1)内泄漏量的大小国内外学者对液压元件及系统的内泄漏进行了大量研究。其中国内学者研究主要有：刘胜吉【6】利用有限元及实验相结合的方法，分析了针阀偶件配

7、合面的变形对泄漏量的影响大小，得出了高压下正确计算燃油间隙泄漏量的方法。谢露等【7】探讨了针阀偶件润滑油膜的破裂机理，仿真分析了间隙前后压差及间隙高度对润滑介质的泄漏特性影响大小，得出针阀偶件油膜破裂的临界压力为20KPa，针阀的合理间隙为O．002—0．004mm。李富尚等【8J对某一型号的汽轮机电液控制系统中伺服阀的内泄漏故障实例进行了分析，得出伺服阀处于动态零位时，内泄漏量最大。液压缸的泄漏研究文献比较多，针对间隙密封的液压缸，蒋俊【9】采用CFD对不同结构的间隙流场进行了仿真研究，获得了流场分布及速度分布，计算出了液压缸的泄漏量。得出了缸的泄漏量

8、随活塞的速度及间隙的增大而增大。杨静华等【lo】对液压缸泄漏前后的动力特性对比进