盾構機刀盤控制系統的機理與維護

張志江中咨工程建設監理公司

盾構機刀盤控制系統的機理與維護

張志江
中咨工程建設監理公司

為了適應我國城市人口的大幅度增長，解決地面交通擁堵現狀，開發地下空間成為了我國目前發展的重要內容，盾構法作為一種重要的隧道挖掘技術，得到了廣泛的應用。盾構機中刀盤作為其主要的組成部分，刀盤的控制系統也就直接影響著盾構機的作用機理和效果。本文針對我國目前盾構機的控制系統中的液壓驅動控制系統的機理進行了分析，并對刀盤的控制系統容易出現的問題提出了維護措施，以期實現對盾構機的有效維護，最大限度的發揮盾構機的作用。

盾構機；刀盤控制系統；維護

一、前言

隨著我國城市建設的腳步不斷加快，城市人口呈現了大幅度的提升，城市人口壓力越來越大，大面積的人口擁擠導致了地面交通出現了不同程度的擁堵，在這種情況下，開發地下空間成為了一種必然。盾構法作為先進的隧道挖掘技術，具有不可忽視的優勢，其作業環境相對來說安全穩定，受到地表的影響相對較小，同時防震性能好，得到了廣泛的認可和應用。盾構機作為盾構法的主力軍，發揮著重要的作用。事實上，盾構機中的刀盤是盾構機主要的核心部件之一。

二、盾構機刀盤控制系統的主要工作原理

1.刀盤控制系統的主要分類

盾構機的刀盤控制系統主要包括了兩大類，其中包括液壓驅動控制系統和電機控制系統。相對來說，液壓驅動刀盤發展的時間較久，擁有較長的歷史，因此其系統的穩定性較高，使用起來也相對穩定，更為成熟，液壓驅動控制系統常用在中小直徑的軟土類型的地質的盾構機中，這主要是為了滿足中小直徑的軟土地質盾構機的速度相對較低，需要的扭矩較大的要求。而不同于液壓驅動控制系統，電機驅動的盾構機刀盤是近幾年受到應用的系統，這是隨著我國電機拖動技術的不斷提升，配合著變頻調速技術的共同進步和發展，逐漸的得到了盾構機的應用，進入了盾構機的設計領域之中。電機驅動控制系統通過利用變頻控制的技術，可以根據施工的狀況和地質的軟硬進行相對靈活的調整，滿足了盾構機在相對復雜的地質情況下對刀盤的要求，相對來說適應性強靈活度高負載能力高。

不過，雖然液壓驅動出現一些工作效率相對較低，噪聲污染較大等問題，但是由于隧道工作的環境都相對較差，刀盤在工作中啟動和停止較為頻繁，同時在施工過程中刀盤在對較為堅硬的沿途進行挖掘的過程中，受到的沖擊力相對較大，液壓驅動本身還具備轉速連續可調的優勢更利于操作，只要在施工過程中能夠保證設備具有冷卻水供給，以及隧道的通風問題良好，就可以降低對空氣環境溫度的影響，因此在實際工程中常常將液壓作為首要選擇。

2.刀盤控制系統的組成

液壓驅動控制系統的主要組成包括了大排量的變量柱塞泵、雙擊排量驅動液壓馬達、減速器、液壓管路、主軸承和密封的潤滑裝置系統等。刀盤通過法蘭與主軸承的內齒圈進行連接，刀盤可以在掘進的過程中得到需要的轉動扭矩，方便刀盤在順時針和逆時針方向上進行一定限度內的無級變速工作。刀盤驅動中包括了8組傳動副和主齒輪箱，其中任意一組傳動副都是由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和一個水冷式變速齒輪箱共同組成，其中水冷式齒輪箱中本身具有制動裝置，方便實現對刀盤進行制動作用。

3.系統的工作機理

刀盤的液壓驅動控制系統選用液壓馬達驅動，傳動主要采用了雙擊減速傳動裝置，首先第一級的減速器與液壓馬達進行緊密連接，第二級減速裝置，通過17齒小齒輪的傳動使得具有101齒的主軸承的大齒圈進行工作。在這一過程中，主軸承的齒輪油需要配備齒輪油泵裝置和過濾裝置，以及熱交換級，這是為了實現對齒輪油起到過濾和冷卻的目的，提高工作效率。

驅動系統的回路主要是容積調速回路裝置，其中主要包括了兩個工作狀態通過外空液壓的系統裝置進行整體控制和調配，這主要是通過對室內的輸入二位電磁閥信號的改變和控制來實現對油泵或者是馬達的傾斜角度的改變和控制，進而實現對3個刀盤驅動供油液壓泵得到供油流量和驅動液壓馬達的排量，最后實現對刀盤轉速和扭矩的控制。其中當進行土壓平衡模式的過程中選擇第一種工作狀態，當進行敞開式掘進模式就需要選擇第二種工作狀態。刀盤的驅動控制設計為正反兩種方向轉動和轉速均為可控可調的模式，這樣可以保證盾構機在進行操作的過程中能夠根據實際情況進行及時的調整以保證設備永遠在最為適宜的環境下工作。事實上，當選擇第一種工作狀態時，刀盤轉速主要在0-2.7r/min，其中屬于連續可調的范圍，其最大的工作扭矩為4377kNm；系統的脫困扭矩大約為5350kNm。

當進行軟土挖掘的過程中可以選擇低速大扭矩的狀態進行掘進，這主要是由于低轉速可以減少刀盤與土層之間的土和石塊的摩擦阻力，降低對溫度的影響，避免因摩擦引起的溫度過高，進而對刀具的內部進行造成不同程度的破壞或是影響主軸承密封性，同時，當增大扭矩的過程中可以增大刀具的切削力，加大實用的切深度，從而實現提高工作效率。

刀盤驅動扭矩是通過主軸承的內齒進行傳遞扭矩到刀盤，其中主軸承利用大直徑的三排滾柱組合，加大了對徑向力和雙向軸向推力的承受能力。可以說主軸承和主軸承的密封性直接決定了盾構機的效果。與此同時還需要注意潤滑系統的作用和功效，事實上，在主軸承上的泥沙和水等物質會侵入主軸承的三個旋轉密封處，當旋轉密封和金屬機體在使用的過程中，出現了明顯磨損泥沙，就會由于重力的作用而進入主軸承，導致主軸承的銹蝕甚至損壞。此時潤滑系統的作用也就顯現出來，有效的對此問題進行了控制和管理。

三、盾構機刀盤控制系統的維護

要想對盾構機的刀盤控制系統進行正確的維護，就需要正確認識到常見的故障和問題，并針對這些常見的問題進行有針對性的維護。其中包括了：

1.沖程計數器出現故障

事實上，刀盤液壓驅動控制系統在實際的使用過程中，并不能夠對實際的沖程數進行準確的檢測，這就會導致刀盤在工作中出現突然中斷工作，這主要是由于沖程計數器的安裝過程中一端是安裝在定量塊的內部結構的，定量塊的內部充滿油脂，這就使得測試的靈敏度較低。同時當沖程計數器出現問題時也會對控制系統造成一定程度上的誤導，控制系統將電磁通斷閥依舊設于通位，造成大量的油脂的流失浪費現象。

當出現上述問題時，就需要得到及時的處理和解決。當工作人員在進行掘進的過程中需要在掘進前后檢查油脂桶的情況，通過對油脂用量的分析，當發現油脂量使用出現異常時就需要及時對沖程計數器進行檢查，或者當發現刀盤多次出現中斷工作得狀況時。就需要及時對沖程計數器進行檢查，當問題較為嚴重時，就需要及時進行更換處理，避免造成更大程度的浪費和損耗。

2.缺乏壓力自動控制系統

隨著我國自動化技術的發展和應用，各項技術都積極將自動化技術融入到實際的工作之中，然而目前由于技術的限制，刀盤控制系統還沒能采用優質的自動控制系統，而刀盤控制系統在工作的過程中油脂分配閥每一次進行循環工作的時間主要是受到油脂提供的壓力的影響，當泵送的油脂壓力較大時電磁閥通斷的一瞬間，定量塊內的閥芯已經進行了多次的往復運動，遠遠超出了預先設定的預期值，造成了大面積的油脂浪費。

面對這一問題，就需要有關的工作人員積極的將自動化技術融入到該系統之中進行工作，降低工作中出現的大面積的浪費和損失，同時不斷推進新技術的發展。另外，在目前新技術尚不成熟的過程中，盾構機的工作人員需要在進行施工作業前就認真的對油脂泵的供氣壓力進行檢測，與此同時在油脂泵的輸出口增設溢流回路，對供油壓力進行嚴格的控制和管理。

3.油脂污染引起的故障

事實上，在實際的施工作業的過程中盾構機的工作人員在對油脂進行更換的過程中往往不注意清潔工作，忽視清潔工作的主要性，這也就使得在更換的過程中引起少量的泥土等污染物進行油脂桶內，在進行工作的過程中，油脂桶內的細微顆粒隨著油脂泵的作業被傳送到分配閥的閥芯位置，造成了閥芯的堵塞，停止運行，設備的潤滑機制出現問題。沖程計數器也就無法對沖程數進行準確捕捉，導致刀盤停止工作運行。與此同時，當缺乏對過濾器進行及時的清洗時，就會使得過濾器的濾芯表面出現一部分黏性較高的油脂覆蓋，隨著油脂的積累壓力的增加，這些油脂會被攜帶到分配閥中，對油脂孔造成一定程度的堵塞，引發了機器故障。

針對上述問題，要想對此進行解決和維護，就需要盾構機的維護人員及時對過濾器進行清理，同時在對油脂進行更換的過程中保證整個過程的清潔無污染，降低對機器的威脅。當閥芯出現了卡死的故障時，就需要將分配閥的任意一個輸出管進行拆卸，通過手動的方式開啟電磁通斷閥，加入該管口沒有油脂的輸出就需要將分配閥進行整體的拆卸清洗。同時當濾芯出現油脂覆蓋現象是，可以利用安裝在承壓隔板上的定量螺旋液壓泵驅動的主齒輪箱中的潤滑油，潤滑主齒輪箱，同時水冷式的齒輪油冷卻器用來對齒輪油進行冷卻，保證潤滑工作的順利進行。

四、結語

事實上，盾構法作為一種集各種操作技術于一體的綜合性施工技術，具有明顯的高風險高投入高技術等特點。刀盤控制系統作為盾構法中主要的環節，需要得到有效的提升和保證，實現對我國隧道開發的推動和促進。

［1］蔡啟仲，湯堯，吳玉鵬.盾構機刀盤變頻驅動控制研究［J］.廣西工學院學報，2011，22.

［2］吳啟誼.海瑞克盾構機刀盤電液控制系統分析［J］.流體傳動與控制，2009，4.