盾構機刀盤驅動液壓系統設計探索

張競爭

摘 要：文章主要分析了盾構機刀盤驅動液壓系統的設計要求，闡述其具體的工作設計原理及特點。針對目前盾構機刀盤驅動液壓系統存在的問題，設計出結構相對更加簡單、性能更加優越的盾構機刀盤驅動液壓系統。

關鍵詞：盾構機；刀盤驅動；液壓系統；設計

盾構機是一種隧道掘進的專用工程機械，現代盾構掘進機集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送渣土、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，涉及地質、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制、測量等多門學科技術，其專業從事工程隧道的挖掘工作，具有挖掘效率高、施工影響小、高質量的安全性能以及對于周邊環境的影響小等特點。目前我國在這一大型工程設備的設計制造工作仍然處于起步階段，因此進行相關的科學技術研究對于打破國外的技術壟斷，推動中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變具有十分重要的意義。據此文章將針對盾構機刀盤驅動液壓系統的設計展開相關的探索，具體的設計思路及過程詳見下文。

1 盾構刀盤的驅動方式

在盾構機的組成部件中，刀盤是掘進工作的主要工作機構，對于盾構機而言是核心工作部分。對于盾構機中的刀盤來說，其具體的作用有：隧道巖土破碎切削功能、固定盾構機整體平穩功能以及攪拌推進功能。刀盤的驅動方式能夠實現效率高、范圍廣的要求，同時刀盤的推進速度也會隨著具體掌子面的實際地質情況而有所變化，例如在針對硬巖層與軟土層所用到的動力及刀盤運轉速度會有巨大的差別。

在目前盾構刀盤的主流驅動方式中，主要有變頻電機驅動及液壓驅動。變頻電機驅動主要存在以下特點，適應不同工況條件下的頻繁變速；采用電磁設計，減少了定子和轉子的阻值；在一定程度上能夠節省能耗。而文章主要探討、設計的是刀盤的液壓驅動方式，其主要的構成部件有液壓泵、閥組、液壓管路、液壓驅動馬達、減速緩沖部件、大小規格不一的齒輪、主軸承以及相應的密封件構成，通過液壓馬達所提供的動力來帶動刀盤的運轉，刀盤的旋轉速度由液壓馬達及其相應動力傳動裝置來進行調節控制，液壓驅動刀盤的盾構機具有環境適應性強、維護修理較為簡便和結構可靠、刀盤旋轉速度易掌控并且具有過載保護的能力。

2 刀盤驅動液壓系統原理設計

刀盤驅動液壓系統原理設計如圖1所示。液壓驅動系統的設計一般為開放回路，能夠普遍適應以下兩類施工工況：即軟土地層，一般采用增大刀盤旋轉速度降低刀盤扭矩的方案；而硬巖地層下的施工工況，一般采用降低刀盤旋轉速度加大刀盤扭矩的方案。此兩類工況下的施工轉換能夠使用電磁換向閥5.3來完成，若電磁鐵C出現失電情況時，可通過設置溢流閥5.1來確保液壓驅動系統的最大壓力，此刻，將液壓驅動系統的壓力值調整到25MPa，刀盤的扭矩就會增大，而因為液壓動力不足，刀盤的實際旋轉速度就會降低。對于液壓系統的刀盤旋轉速度而言，只需調節液壓變量泵6的壓力即可完成對于刀盤旋轉速度的實際控制，對于液壓系統的動力來源馬達而言，通過對于壓力傳感器3的調節控制，即可完成測量進油口壓力的工作，將測得到的進油口壓力通過信息系統的計算處理之后，將其運用到液壓變量泵6的比例閥之上，最終形成對于刀盤旋轉速度的整體內部系統控制。

通過對于變量調節機構的控制，實現了變量泵能夠在整個刀盤液壓系統中進行無級調節，并且能夠通過比例電磁閥，形成對電流大小的調節；恒功率的系統功率控制要在變量調節控制之前，即為若刀盤轉動速度的實際需求未達到相應的功率標準，則實際排量將會受到電流的調節影響，若刀盤轉動速度的實際需求達到或超出相應的功率標準，則恒功率控制就會替換相應的電子控制變量，且依據恒功率來縮小相應的排量標準。刀盤液壓系統的驅動馬達1正反方向的轉向控制，需要通過換向閥4調節，電磁鐵B1得電，刀盤液壓系統的驅動馬達即實現正向旋轉，電磁鐵B2得電，刀盤液壓系統的驅動馬達即實現反轉，通過單向閥8實現對于進油口壓力的最低控制，此閥門的啟動壓力值一般為0.80MPa。

3 閥塊組及液壓站設計

3.1 插裝閥塊的設計

插裝閥塊主要是通過運用先導元件、底座蓋板、插裝元件組成的邏輯控制閥。插裝閥塊具有結構簡便、防御污化能力強、操作簡易、通流量大、結構穩固、密封性能強等特點，尤其適合于大型液壓系統的集成化。此次涉及的刀盤液壓系統的壓力控制閥，通過安裝的插裝閥5來進行安全保障，其中包含了2個壓力控制閥，以及1個方向換向閥，從而能夠滿足盾構掘進中的兩類施工工況。

3.2 液壓泵站設計

在盾構機的機體內，液壓泵站一般設計在其拖車一側，因此也就決定了液壓泵站的整體構建、分列為長串排列式，即液壓泵和驅動電機在前部位置，液壓油箱在后部。由于盾構機的拖車節長一般為8m左右，因此使液壓油箱受到了一定的局限性。一般情況下，液壓系統的消耗較大，其需要散發的熱量也較大。

散發的熱量功率為：

其中 NzE-主驅動電機的輸出功率

？濁mm-馬達的機械效率

？濁mv-馬達的容積效率

？濁zpm-主驅動泵的機械效率

？濁zpv-主驅動泵的容積效率

4 結束語

文章主要通過對于盾構機刀盤驅動液壓系統設計的探索研究，分析了目前盾構刀盤的主要驅動方式有變頻電機驅動及液壓驅動，闡述了此兩種方式各自的優點。文中主要進行了對于刀盤驅動液壓系統原理設計探索，以及閥組及液壓泵站設計，經過試驗結果發現，盾構機在掘進過程中推進了一環（1.5m）時，冷卻系統未啟動，整機系統的溫度僅僅升高了9℃，此項試驗結果顯示該系統能量損耗較低。采用此類的配比變量泵能夠有效的調節液壓驅動系統馬達。

參考文獻

[1]林軍，劉強.盾構機刀盤控制系統的機理與維護[J].機床與液壓，2009（5）.

[2]張魏友，黃曉華.基于AMESIM的EPB盾構刀盤液壓驅動系統的仿真研究[J].機械制造與自動化，2013（4）.

[3]賈要偉.海瑞克盾構刀盤驅動液壓系統故障分析及處理[J].隧道建設，2010，（3）.