LOVAT盾構機主液壓系統改造

陸豪杰

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

伴隨著我國地下空間開發利用步伐的不斷加快，盾構施工作為隧道、地鐵、城市管線、越江和跨海等基礎設施建設的一種主要方法，在城市地下空間開發利用中得到了廣泛應用，隧道與地下工程建設的高潮已全面來臨［1］。盾構機為隧道與地下工程建設的主要機械，由于液壓傳動系統具有傳動平穩、質量輕、體積小、承載能力大、易實現無級調速、能有效防止過載、方便完成復雜的動作等優點［2］，在盾構機各功能系統中被廣泛采用。目前，盾構機施工、設計、制造技術在國內已經發展得較成熟，但是，針對主液壓系統改造的成熟經驗尚不多見。本文結合不同類型盾構設備使用與維修實踐經驗，通過對LOVAT盾構機主液壓系統常見故障的發生原因進行分析，得出此類型盾構機主液壓系統改造的施工技術措施，包括液壓系統油箱設計改造、管路壓力損失驗算及改造后系統部件的組裝調試等，不僅解決了LOVAT盾構機普遍存在的主液壓系統

故障的難題，而且可為類似主液壓系統改造積累經驗。

1 主液壓系統工作原理與特點

1．1 主液壓系統工作原理

LOVAT盾構機的推進系統、管片拼裝系統、螺旋輸送機系統、管片運輸系統、主控系統及先導系統均采用液壓傳動方式。其中，螺旋輸送機液壓系統由1臺斜盤式雙向變量柱塞泵、熱沖洗閥、遠程變量比例控制閥和1臺斜軸式雙向變量柱塞馬達組成閉式液壓控制系統，通過附帶的補油齒輪泵給系統補入涼油以置換系統內的熱油，其他各系統的液壓系統均為開式液壓控制系統。

液壓油箱為開式油箱，由T1、T2和T3 3個分部液壓油箱通過液壓管相互連接組成，其工作原理如圖1所示。

1．2 液壓系統部件布置結構特點

本液壓系統部件采用集中布置方式，各部件主要集中在盾體內部。其中，液壓油箱由前體面板上左右兩側2個箱體與中體底部1個箱體組成，電機、泵、控制閥組及相應管路集中于中體內部。液壓系統部件布局的特點有:1)液壓油箱、泵站、閥組及管件等均布置于盾體內部，結構緊湊，如圖2(a)所示。2)驅動電機與多聯泵相配置，系統配置集中，如圖2(b)所示。3)液壓管件采用螺紋接頭與生料帶密封形式連接，如圖2(c)所示。4)管件交錯布置，系統部件相互干涉，維修空間狹小，如圖2(d)所示。

圖1 液壓油箱工作原理Fig．1 Working principle of hydraulic system of original hydraulic oil tank

2 液壓系統常見故障及原因分析

2．1 主油箱油液溫度過高

導致液壓系統油液溫度過高的主要原因有液壓系統設計不合理、使用過程中系統壓力調定值不恰當及周圍環境溫度過高等［3］。結合LOVAT盾構機的實際情況，總結液壓系統主油箱油液溫度過高的主要原因。

2．1．1 周圍環境溫度過高

由于LOVAT盾構機液壓油箱、泵站、閥組等部件均集中于盾體內部，且2個分部液壓油箱安裝在前體隔板上;因此，機械、電氣及液壓等部件功率損耗的熱量與土倉內渣土熱傳遞至前體隔板上液壓油箱的熱量致使盾體內部環境溫度持續升高，進而導致主油箱散熱效果不佳。

2．1．2 換向沖擊

該系統各部件在換向時液壓沖擊很大，尤其表現在液壓閥組與管件，且管路布置錯綜復雜，存在較多、較大彎角;因此，造成較多的能量損失轉化為熱量，致使油液溫度升高。

2．1．3 油液中混入水分或空氣

由于油管接頭松動或油管破損，致使系統油液中混入水分或空氣，因此，油液具有一定的可壓縮性，當此類油液經過液壓泵變為輸送壓力油時，引起油液溫度升高。

圖2 液壓部件結構布置圖Fig．2 Structural layout of hydraulic components

2．2 液壓系統管路頻繁爆管且外泄露油嚴重

引起液壓系統管路爆管的主要原因有管路磨損、系統瞬時壓力值超限或疲勞損壞等。由于LOVAT盾構機液壓系統管路縱橫交錯布置，且缺少必要的防護措施，在液壓沖擊或管路共振時引起較大振動，造成管路之間或結構件之間相互摩擦，進而導致管路破損、爆管。除管路破損外，還有其他原因會導致系統液壓油泄漏。

2．2．1 液壓管接頭松動

由于液壓沖擊、轉動時的不平衡力、摩擦阻力以及慣性力的變化等產生的振動，表現為液壓泵、液壓馬達、液壓油缸、閥及管件的振動或共振［4］。以上原因引起的液壓管接頭松動由于系統設計、制造及安裝的不合理，使得各部件之間由于空間干涉而無法維修，進而導致液壓油的泄漏。

2．2．2 密封效果差

此液壓系統液壓管接頭密封均采用生料帶。由于此種密封件材質低劣、物化性不穩定、機械強度低、彈性和耐磨性低，尤其是在系統溫度較高時極易軟化為絮狀物，造成油液泄漏。2．2．3 油液黏度影響

由于液壓系統在使用過程中會經常出現液壓油進水乳化現象，導致油液黏度降低;同時，隨著系統溫度的升高，油液黏度會進一步降低，造成液壓油泄漏增加。

2．2．4 油箱泄漏

由于位于土倉隔板處的分部液壓油箱向土倉側泄漏油，且無法維修，導致油液大量泄漏。

2．3 液壓部件頻繁損壞

在使用過程中，螺旋輸送機系統的液壓泵與馬達頻繁損壞。綜合分析系統設計參數匹配情況，并檢查管路實際連接情況，得出以上液壓部件損壞的主要原因有:1)油液機械雜質含量超標。2)油液進水乳化現象嚴重，使得油液黏度下降，油膜的承載能力達不到設備部件要求，造成運動部件間的干摩擦［5］。3)補油泵補充閉式系統冷油置換熱油的管路接回油箱，使得系統長時間在超高溫下運轉，且存在系統供油不足的情況，超高溫會導致油液黏度下降，油膜的承載能力及抗剪能力均不符合系統部件要求。4)機械部件潤滑不到位。

2．4 系統性能參數與靈敏度達不到設計要求

使用過程中，部分執行元件與閥組的性能參數及靈敏度達不到設計參數要求，尤其表現在推進系統中推進泵、推進缸與鉸接缸的控制閥組。

1)推進系統原設計的推進壓力為30 MPa，但配置的推進比例放大板沒有溫度補償功能，掘進過程中需要較大推力時，隨著掘進時間的增加，推進閥組電磁線圈溫度逐漸升高，電阻增加，電流降低，無法維持高推力。

2)控制閥組有時動作遲滯，有時不動作，經拆檢閥組，發現閥內有大量機械雜質、白色絮狀物及油泥，清洗后動作正常。

經分析總結可知，造成以上故障的主要原因是液壓系統的污染，而造成液壓系統污染的根源是液壓系統設計、制造及安裝的不合理;因此，該設備液壓系統改造勢在必行。

3 主液壓系統改造

3．1 改造總體原則

重新設計液壓系統，將盾體內的泵、電機等部件移到1號拖車左側;重新制作液壓油箱，將其置于1號拖車左側，增加相應的油箱冷卻循環系統;重點做好1號拖車的結構加固，避免拖車機架變形。

3．2 改造技術措施

3．2．1 液壓油箱制作

將盾體內原有的液壓油箱割除，重新制作1臺4 000 L液壓油箱，含油箱支撐架，增加1套冷卻循環過濾系統、油箱附件(含液位控制器、油標尺、溫度傳感器、溫度表、回油過濾器、空氣濾清器等)、管接頭及軟管等，具體工作原理如圖3所示。

3．2．2 部件空間布置

將原有的液壓泵及電機等部件移至1號拖車左側，同時將新制液壓油箱、冷卻循環過濾系統及油箱附件等安裝至1號拖車處，具體空間結構布置如圖4所示。

3．2．3 管路設計制作

對液壓管路系統進行重新設計，更換所有的連接件、軟管、管接頭形式和密封形式，并對所有的管路進行有效防護與固定。

3．3 液壓油箱容積驗算與管路壓力損失驗算

3．3．1 液壓油箱容積驗算

由液壓系統圖與盾構機工況得知，設備在正常工作情況下所需的實際總供油量 Q = Q總供油-Q管片機=(834-204)L/min=630 L/min。根據液壓系統設計要求，中高壓系統油箱容積一般為液壓泵總流量的5～7倍，則油箱容積V=630×(5～7)=3 150～4 410 L，參照GB 2876—81液壓泵站油箱公稱容量系列表，選定油箱容積V=4 000 L。因此，新制作的液壓油箱容積滿足系統設計要求［6］。

3．3．2 管路壓力損失驗算

液壓系統的壓力損失有沿程壓力損失與局部壓力損失2種。由于本液壓系統改造后各系統液壓管路較原來延長約20 m，為了確定改造后各系統液壓泵的性能是否滿足系統設計要求，將以推進系統為例進行驗算［7］。

圖3 新制液壓油箱工作原理Fig．3 Working principle of hydraulic system of new hydraulic oil tank

圖4 改造后系統部件空間結構布置Fig．4 Structural layout of system components after reforming

本系統需測算的管路均屬于圓管形式，根據推進系統液壓工作原理可知，液壓泵額定流量為Q推進=204 L/min，液壓管水力直徑d=31．75 mm，泵的額定出口壓力 p出口=28．1 MPa，系統最大壓力p系統=24．1 MPa，液壓油密度取 ρ=900 kg/m3，液壓油運動黏度ν=68 mm2/s，泵出口至盾體內閥組處的管路長度l=20 m。

3．3．2．1 計算圓管內介質流速v根據得v=Q出口/A≈4．2 m/s。

式中:泵的容積效率η泵=0．97;Q出口為泵出口流量，m3/s;A為過流面積，m2。

3．3．2．2 計算雷諾數 Re

3．3．2．3 判斷液體流態及計算沿程阻力系數λ

由于雷諾數Re＜2 320，則圓管內液體流動類型屬于層流，沿程阻力系數λ =64/Re=0．032 6。

3．3．2．4 計算管路壓力損失

其中，

式中:ρ為介質密度，kg/m3;l為管路長度，m;ζ為局部阻力系數。

得

綜上所得，p出口- Δp=28．1-1．64=26．46 MPa＞p系統=24．1 MPa，故改造后推進泵的性能滿足系統設計要求。同理得出，改造后其他各系統泵的性能也滿足系統設計要求。

3．4 組裝與調試

原有部件由于經歷多次拆裝，采用自循環方式進行清洗，其他新增加部件均為新件，采用離線循環方式進行清洗。將清洗后的各液壓部件安裝到位后，所有管件按液壓系統重新設計連接，如圖5所示。

圖5 改造后液壓油箱系統結構布置組裝圖Fig．5 Structural layout of hydraulic system of hydraulic oil tank after reforming

油箱內加注調試所用的新液壓油，認真檢查系統管線連接后，開啟各系統管路蝶閥與球閥，嚴格按照調試程序對各系統分別進行調試。調試過程中，隨時觀察并記錄各系統液壓部件的壓力、速度、振動、噪聲及溫升等，同時對系統各關鍵部位提取到的油樣進行檢驗檢測，確保系統油液清潔度值在系統各部件允許的標準范圍內。

盾構機空載調試時，各液壓系統運行平穩，壓力、振動及噪聲等無異常現象，且各系統運轉性能參數符合系統設計參數要求。

4 結論與討論

通過對LOVAT盾構機主液壓系統常見故障的發生原因進行分析，并對液壓系統進行設計改造，不僅解決了LOVAT盾構機液壓油泄露、系統部件頻繁損壞及主液壓油箱溫度過高的問題，而且系統部件位置布局改造后增大了盾體內部的維修空間，方便了施工過程中的日常設備巡檢與維修。

盾構機在設計、制造及安裝過程中不僅要體現集成化與現代化的理念，更應結合施工實踐經驗，在設計、制造及安裝過程中堅持安全、可靠及人性化的原則，既要保證設備安全、可靠地運行，又要方便施工人員的使用、巡檢與維修。

縱觀國內地下工程施工市場，目前國內所有的盾構機設備數量相對工程建設市場需求已經飽和，同時隨著即有設備的老化，盾構機主要系統的國產化改造已經成為一種發展趨勢，為盾構施工技術人員指明了學術研究方向，為盾構施工企業提供了新的業務拓展平臺。

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