1）基本参数计算

①最大管片重量：

式中　D——管片外径（m）；

d——管片内径（m）；

α——管片最大夹角（°）；

γ——管片材料的密度（kg/m3）；

w——管片宽度（m）。

②最大回转半径：

式中　D盾——盾构外径（m）；

δ——管片厚度（m）。

③最小回转半径：

式中　h1——管片运送小车、钢轨、枕木的总高（m）。

t——间隙（m），一般t≥0.1 m。

2）平移油缸的选型计算

油缸是标准件，一般设计选型时考虑三个主要参数，即行程L、缸筒内径D以及活塞杆直径d（图3-30）。行程的设计要根据实际的尺寸需要，然后再从《液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径》（GB/T 2348—1993）标准中选取相近似的尺寸；而缸筒内径的设计思路是根据液压缸推力F和选定的工作压力p，按液压缸输出推力公式确定大致尺寸后，再在《液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径》（GB/T 2348—1993）标准中选取相应的标准尺寸。

图3-30　液压缸基本参数

管片拼装机锁紧管片之后，将管片提起，然后平移油缸伸长，提供推力，驱动滚轮滚动，将管片拼装机连同管片平移至合适的位置。拼装机从喂片机处抓取管片，喂片机放置管片处和管片实际拼装处之间应留有一定的间隔。另外，考虑到封顶块沿轴向插入的安装方式，平移油缸应再增加约1/3管片宽度的平移量。

平移油缸在推动管片拼装机平移的时候，零件之间有相对滑动，也有滚动，这些相互运动产生的摩擦力是平移油缸推进的主要阻力。另外，盾构机一般要求具有一定的爬坡能力，且最大爬坡能力多设计为35‰。此时由于导轨处于非水平状态，系统受到因重力产生的沿轨道向下的力，也要在设计的考虑范围之内。

当拼装机夹持管片水平平移时，其推进阻力：

式中　Ff——推进阻力（kN）；

μ——阻力系数，考虑到滚动摩擦及滑动摩擦和恶劣的工况，一般取0.2；

W总——最大负载时的重量（kN）。

最大爬坡能力设计为35‰，则当达到最大坡度时，每一个平移油缸所要输出的推力为：

式中　K——安全系数，一般取1.5；

θ——爬坡角（°）。

比较以上两种推力的大小，选取其中较大者作为设计参数F，根据液压缸推力输出公式以及往返速比公式：

式中　F——平移油缸输出推力（kN）；

D——平移油缸缸径（m）；

d——平移油缸活塞杆直径（m）；

P——工作压力（kPa）；(www.daowen.com)

φ——往返速比。

联立两式计算得出平移油缸缸径D和平移油缸活塞杆直径d。

其壁厚应满足：

式中　δ——油缸壁厚（m）；

Py——试验压力（kN）；

[σ]——许用应力（kPa）。

3）举升油缸的选型计算

举升油缸的行程设计需要考虑拼装机的回转环半径和管片内径。回转环半径约为盾构开挖半径的一半，当举升油缸伸出量为零时，其基本处于回转环的圆周上；当举升油缸完全伸出时，其应能达到管片内壁的位置。

举升油缸的缸筒直径及活塞杆直径的设计思路与平移油缸相似，但也有所不同。举升油缸工作时受到的主要阻力为被举升物的重力。被举升物主要包括提升油缸活塞杆、管片和管片夹持装置，如轭架及工作平台等。当举升油缸垂直提升时，油缸只受到沿缸筒轴向的力。但是当拼装机夹持管片做回转运动时，油缸还要另外承受因被提升部分重力而产生的弯矩作用。因此设计举升油缸时，要从举升和回转这两方面综合考虑。

当管片拼装机处于举升工况时：

式中　F总——需提升的最大总重（kN）；

WG1——管片最大重力（kN）；

WG2——其他装置重（kN）；

K——安全系数。

同上述计算平移油缸的方法，根据液压缸推力输出公式、往返速比公式以及壁厚公式，依次计算D、d以及δ。

当管片拼装机处于回转工况时，可以将举升油缸当成轴受弯矩作用的情况来计算，而且当举升油缸活塞完全伸出时，受到的弯矩作用最大（图3-31）。

图3-31　举升油缸完全伸出

当旋转至90°或者270°时，重力和油缸轴向互相垂直，此时油缸受最大弯矩作用，其受力图如图3-32所示：

图3-32　举升油缸受力示意

图中F'R1和F'R2为活塞杆受到的缸筒的支反力，W总为活塞杆受到的被提升者的重力，在一个稳定的系统中，不仅受力要平衡，力矩也要平衡，因此可列出如下方程：

联立以上公式可分别求出F'R1和F'R2。

画出其弯矩图如图3-33：

图3-33　举升油缸弯矩

轴直径设计公式：

式中　M——活塞杆所受最大弯矩（kN·m）；

[σ-1b]——对称循环应力状态下的许用弯曲应力（kPa）。

则缸筒内径：

综合以上两种工况下计算出的提升油缸参数，取其中较大者为设计方案。