日立盾構機螺旋機驅動液壓系統改造方案設計

倪鵬 馬俊江 張林 馬世佳

（秦皇島天工重工有限公司，河北秦皇島 066000）

0.引言

隨著現代交通運輸、地下工程、水利工程以及市政建設等的需要，土壓平衡式盾構機已成為隧道施工過程中不可或缺的掘進設備。地底固化石塊、泥沙經刀盤切削后，通過刀盤開口，被壓進土艙，推進油缸持續推進，使土艙內土壓增高，土壓到達一個穩定系數后，為保證設備持續掘進，需要將多余泥土外排，螺旋輸送機即為盾構設備內的排土裝置。為滿足不同隧道管徑施工要求，節約盾構機新機制造成本，盾構機擴徑、縮徑改造，已成為盾構行業內的技術熱點。擴徑后的盾構機在保證掘進速度不變條件下，導致螺旋機出土量增大，螺旋機旋轉為液壓驅動，本文重點介紹日立φ6150mm盾構機擴徑至φ6550mm后，螺旋機驅動液壓系統設計方案。

1.原φ6150mm螺旋機驅動液壓系統原理及參數

（1）φ6150mm螺驅液壓原理，如圖1所示。

圖1 φ6150mm螺驅液壓原理

（2）φ6150mm主要技術參數，如表1所示。

表1 φ6150mm主要技術參數

2.φ6550mm螺旋機驅動液壓系統設計選型

2.1 馬達參數計算及選型

結合擴徑后現場施工工況及螺旋機出土排量，在達到最大出土量時，螺旋機額定轉速：20r/min，額定扭矩T1：210kN·M。

傳動比I=6.9保持不變，計算可得，馬達額定轉速：nm=20×6.9=138r/min，馬達額定扭矩：Tm=210/(6.9×0.95)=32kN·M，0.95為齒輪機械效率。

根據馬達額定扭矩、額定轉速、額定壓力要求，選用2臺赫格隆馬達，CA70，單臺性能參數：滿排量：4400ml/r，扭矩：70Nm/bar，即系統壓力達到23MPa時，輸出扭矩：16.1kN?M，額定轉速：180r/min，額定壓力：35MPa。該馬達自帶全排量/半排量切換功能，電氣系統可根據螺旋機系統工作壓力，手自切換全排量/半排量，用于控制螺旋機轉速，即螺驅低工作壓力（低扭矩）運行時，使用半排量控制，實現高轉速（大排量）運行，螺驅高工作壓力（高扭矩）運行時，使用滿排量控制，轉為低轉速（小排量）運行，選擇此馬達控制方式，可在保證盾構機正常掘進條件下，節約設備制造成本和設備安裝空間。

2.2 液壓泵參數計算及選型

因2臺馬達以額定轉速運行時，為半排量控制，經公式計算，得出液壓系統最大工作流量：Qm=(nm×q半)/ηm×2=(138×2.2)/0.95×2=639L/min；

式中：ηm―馬達容積效率，ηm=0.95；q半―馬達半排量，q半=2.2L/r。

螺驅液壓系統選用雙泵供油，電機選用4P，轉速：nm1=1450r/min，原機液壓泵型號為伊頓PVWS-250，額定排量qp=250ml/r，額定輸出流量：

Qp=nm1×qp×ηp×2=1450×0.25×0.95×2=688L/min ；

式中ηp―液壓泵容積效率，ηp=0.95；PVW2-250雙泵供油可滿足馬達額定轉速流量需求。

2.3 電機參數計算及選型

單臺泵所需最大輸出流量：Qm1=320L/min，系統最高工作壓力Pm=23MPa，液壓泵實際輸出功率：N=(Qm1×Pm)/60=(320×23)/60=122.7kW；

電機輸出功率：Nd=N/(ηp×ηj)=122.7/(0.95×0.95)=136kW；

式中ηj―液壓泵機械效率，ηj=0.95；

因實際使用過程中，通過電氣程序約束，控制液壓泵不能同時達到最高工作壓力23MPa和最大流量320L/min，故選取電機功率：132kW。

2.4 液壓閥組重新設計制作

因液壓系統額定流量由原487L/min增至640L/min，原液壓閥組通流量已不能滿足系統使用需求，液壓閥組選用插裝式集成閥組，重新設計制作，并在回油口增加順序閥，保證馬達回油產生3MPa背壓。

新增電磁控制減壓閥組，通過控制電磁球閥得失電，實現馬達全排量/半排量轉換功能。

3.φ6550mm螺旋機驅動液壓系統原理及參數

（1）φ6550mm螺驅液壓原理，如圖2所示。

圖2 φ6550mm螺驅液壓原理

（2）φ6550mm主要技術參數，如表2所示。

表2 φ6550mm主要技術參數

4.結語

此臺盾構機經工廠擴徑改造后，已順利完成預定標段的掘進目標，螺旋機系統在施工過程中運行穩定，未出現因傳動扭矩低導致卡滯、旋轉異常等情況。