盾構刀盤驅動液壓系統研究及故障診斷

吳朝來/WU Chao-lai

（中鐵隧道集團有限公司設備檢測中心，河南 洛陽 471009）

盾構是地下空間開發的主要施工機械，在我國的城市地鐵、過江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程項目中得到了廣泛的應用。盾構主驅動系統及液壓系統是盾構的核心部件，它們的性能直接影響著整個盾構的性能狀態。

隨著盾構“老齡化”的不斷加劇，液壓系統的穩定性、可靠性是設備管理人員關注的重點，因盾構在掘進過程中具有大功率、大扭矩及強沖擊等特點，給老舊盾構的液壓系統帶來了較大考驗。為此，很多業內專家、學者對盾構主驅動液壓系統進行了分析，如何診斷液壓系統故障進行研究，文獻[1]～[3]主要介紹如何采用仿真技術、VW-PCA、PCA 和SVM 等技術對主驅動液壓系統及故障診斷進行了研究分析，文獻[4]～[7]簡單對盾構刀盤驅動液壓系統原理做了分析。本文對盾構主驅動液壓系統主要參數選擇、主驅動液壓系統原理進行分析，對如何分析、處理故障進行了詳細的闡述，為后續盾構使用過程中更好、更快解決現場液壓故障提供幫助。

盾構刀盤驅動方式主要有電機驅動和液壓馬達驅動兩種，其中電機驅動方式根據電機控制形式分為單速、雙速及變頻電機驅動等；液壓驅動方式根據液壓回路形式分為開式系統和閉式系統，兩種驅動方式各有優缺點，根據不同工況選擇不同的驅動方式。

1 刀盤液壓驅動系統主要配置選擇

盾構刀盤液壓驅動系統的配置主要根據實際情況，滿足地質的不同需求確定刀盤轉速，而刀盤轉速由液壓馬達輸出轉速確定，馬達輸出轉速由刀盤最大驅動轉速、齒輪齒圈速比和減速機速比確定。

馬達的輸出轉速為

式中nm——馬達的輸出轉速；nd——刀盤最大驅動轉速；ic——齒輪齒圈速比；ij——減速機的速比。

液壓馬達的轉速由提供給馬達液壓油流量決定，馬達需要的輸入流量為

式中Vm2——馬達的半排量（高轉速排量）；qm——馬達需要的總輸入流量；ηmv——馬達的容積效率。

液壓馬達輸入流量由液壓泵的排量決定，泵需要輸出的最大排量為

式中Vp——泵的排量；

n——電機轉速；

ηpv——泵的容積效率；

mb——泵的數量；

mm——馬達的數量。

根據常規盾構設計，假定設計nd=3.15rpm，ic=7.44，ij=54.44。根據式（1）～式（3）可知，需要3 臺750mL/r 液壓泵帶動9 臺排量500mL/r液壓馬達能夠滿足使用需求。

2 盾構刀盤驅動液壓系統分析

2.1 刀盤驅動液壓系統原理分析

盾構刀盤驅動液壓系統為閉式系統，工作模式分為安全模式和脫困模式，在安全模式下，刀盤可實現高低速切換、轉速無級調節、恒功率控制、負載反饋調節，利于盾構在掘進過程中刀盤的轉速控制和扭矩控制，在脫困模式下，刀盤可在短時間內獲得較大扭矩從而克服負載實現脫困。

2.2 驅動泵控制原理分析

刀盤驅動液壓系統由3 臺A4VSG750HD1/22R 型斜盤式軸向柱塞泵提供動力，每臺柱塞泵額定排量為750mL/r，由額定功率為315kW 的電機進行驅動，其原理圖如圖1 所 示，需 要SNS 940ER46U12.1-W2 型外置補油泵通過補油口補充液壓油，同時需要A10VO28DFLR/31R 型外置控制泵通過刀盤驅動系統控制閥（原理圖如圖2 所示）提供壓力可控的控制油，從而實現刀盤旋向調節、轉速無級調節、恒功率控制及安全模式與脫困模式切換功能。

圖1 刀盤驅動泵液壓原理圖

圖2 刀盤驅動系統控制閥液壓原理圖

2.2.1 刀盤旋向調節

盾構刀盤正轉時，V9 電磁換向閥右位得電，順時針調節刀盤轉速電位計時，V13 比例溢流閥升壓，X1 口控制壓力上升，V10 伺服閥右位工作，外置補油泵的壓力油通過V3/V4 單向閥進入C1伺服缸有桿腔，C1 伺服缸無桿腔與油箱相通，C1 伺服缸活塞桿右移，刀盤驅動泵A 口輸出液壓油。刀盤反轉時，控制閥的工作原理一致。

2.2.2 刀盤轉速無級調節

在恒壓模式下，刀盤轉速的無級調節是通過V13 比例溢流閥的壓力調節實現的，V13 比例溢流閥控制主驅動泵P1口的控制油壓力，隨著P1口壓力的變化，V10 伺服閥產生相應的位移，從而C1伺服缸活塞桿產生相應的位移，主驅動泵的排量產生相應的變化，實現刀盤轉速的無級調節。

2.2.3 刀盤恒功率控制

刀盤泵高壓側的壓力油及刀盤馬達的壓力油通過PHD1 口及PHD2 口作用于V15 恒功率閥的PHD 腔，當PHD 腔壓力超過160bar，V15 大彈簧開始壓縮，先導彈簧（小彈簧）彈力降低，溢流閥設定壓力降低，PST 口壓力下降，從而導致P1 口壓力降低，刀盤驅動泵排量降低，刀盤轉速降低，從而實現刀盤的恒功率控制，恒功率模式下，刀盤泵P-Q曲線如圖3 所示（電機轉速設置為1000rpm）。

圖3 刀盤驅動泵的P-Q曲線

2.2.4 安全模式與恒功率模式切換

安全模式下，刀盤驅動泵或馬達高壓反饋油作用在V16 順序閥PHD 口的壓力超過V16 順序閥的設置壓力（250bar），V16 順序閥開啟，P1口壓力受V17 溢流閥限制，最大壓力為V17 設置壓力12bar，刀盤驅動泵有極小的流量輸出。

脫困模式下，V20 手動換向閥左位工作時，刀盤驅動泵和馬達的高壓反饋油作用在V18 順序閥的PHD 口，當壓力超過V18 順序閥的設置壓力（280bar），此時單臺馬達能夠為刀盤提供2.23kNm 的扭矩，詳見式（4）；V18 順序閥開啟，P1 口壓力受V19 溢流閥限制，最大壓力為V19溢流閥設置壓力12bar，刀盤驅動泵有極小的流量輸出，達到短時間提高刀盤輸出扭矩的目的。刀盤轉速扭矩曲線如圖4 所示。

圖4 刀盤轉速扭矩曲線

單馬達的脫困扭矩為

式中 Δp——馬達進出口壓差，脫困模式下馬達高壓側壓力280bar，低壓側壓力20bar，壓差為260bar；

Vm——馬達的最大排量500mL/r。

3 刀盤驅動液壓系統故障

3.1 故障現象

某盾構刀盤正轉轉速可在0～1.6r/min 正常調節，反轉最大轉速只有0.5r/min，長時間正轉導致盾體滾動角過大，上位機報警無法掘進，刀盤反轉情況下掘進時，由于刀盤轉速過慢導致掘進速度過低，嚴重影響施工進度。

3.2 故障分析

刀盤反轉轉速過低的主要原因是刀盤驅動泵的排量不足導致，而影響泵的排量主要因素包括以下3 點。

1）液壓泵的容積效率過低。當液壓泵的缸體、柱塞、配油盤等元件磨損或損壞嚴重時，液壓泵輸出的液壓油并未做功，而是通過泵內部元件的間隙流失導致泵的容積效率下降，從而導致液壓泵的排量不足，刀盤轉速無法達到設計值。

2）單臺刀盤驅動泵無輸出或輸出方向與其他泵相反。刀盤驅動液壓系統有3 臺刀盤驅動泵，若有1 臺泵未工作或旋向與其他泵旋向不一致，會導致進入刀盤驅動馬達的做功液壓油減少，馬達轉速降低導致刀盤轉速降低。

3）控制油壓力過低。刀盤驅動泵的排量是通過伺服缸活塞位移控制的，而伺服缸活塞位移的大小是由控制油的壓力控制決定，如果控制油壓過低，將導致刀盤驅動泵的排量過低，而導致控制油壓過低的因素有以下7 種：①P4 口輸入壓力過低；②V11 調速閥流量過低或者V12 減壓閥壓力設定過低；③V13 比例溢流閥故障導致控制壓力無法提升；④V15 恒功率閥內泄量過大導致控制壓力無法提升；⑤V16 或V18 順序閥內泄量過大導致控制壓力無法提升；⑥刀盤驅動泵的V10伺服閥內泄量過大導致控制壓力無法提升；⑦低壓側主溢流閥（V5/V6）內泄，PHD1 口壓力過低時導致P1 無法上調，3 臺刀盤驅動泵控制壓力較低。

3.3 故障排查

由于刀盤正轉時轉速調節正常，通過液壓系統的工作原理可以分析出，P4 口輸入壓力、V11調速閥及V12 減壓閥正常；由于刀盤正轉時轉速正常，刀盤正轉和反轉時，高壓液壓油所經過的液壓泵內部元件是一致的，說明刀盤驅動泵的容積效率是正常的；在選擇刀盤正轉且將轉速電位計調至最大時，3 臺刀盤驅動泵斜盤指針方向及擺角一致，且擺角達到15°，說明3 臺刀盤驅動泵都工作且輸出方向一致，刀盤反轉時3 臺泵的斜盤控制壓力較低，可能存在控制油路泄壓情況。

刀盤無論在正轉還是反轉的情況下，控制油路的壓力均受V13 比例溢流閥、V15 恒功率閥、V16 和V18 順序閥控制，由于刀盤在正轉情況下轉速正常，說明V13 比例溢流閥、V15 恒功率閥、V16 和V18 順序閥的功能正常，因此可以判斷是某臺刀盤驅動泵反轉（B 口高壓）時低壓側V6 主溢流閥故障或者V10 伺服閥存在泄壓情況。

通過依次關閉1 號、2 號、3 號刀盤驅動泵的A、B 口球閥并拔掉V9 電磁換向閥兩側的電磁插頭，然后選擇刀盤反轉并將轉速調至最大，發現在屏蔽1號刀盤驅動泵的時候，刀盤轉速可達到1.0r/min，說明1 號泵的控制油路泄露嚴重導致整個系統的控制壓力無法建立。通過將刀盤反轉低壓側V6 主溢流閥（圖5）和高壓側V5 主溢流閥對調后，選擇刀盤反轉，提升刀盤轉速，發現刀盤轉速可提升至1.6r/min，說明導致刀盤泵反轉轉速無法提升的故障點就是V5 主溢流閥內泄，修復V5 溢流閥后刀盤正反轉的轉速調節恢復正常。

圖5 V6主溢流閥原理圖

3.4 故障點剖析

刀盤反轉時，刀盤泵B 口輸出高壓油，由于1 號泵的V5 溢流閥內泄量過大導致刀盤泵B 口輸出的一部分液壓油進入刀盤泵的A 口，由于V8節流閥的作用導致A 口大量液壓油不能及時回到油箱使得1 號刀盤泵的A 口壓力升高。

由于V5 溢流閥內泄量過大導致PA2壓力升高，從而導致PB2壓力升高，作用在恒功閥PHD腔的壓力升高，恒功率閥PST 腔壓力降低，即刀盤泵的先導控制壓力降低，刀盤泵的排量下降，刀盤轉速降低。

4 結論與建議

本文主要對盾構刀盤液壓系統進行了詳細的剖析，對其泵、閥的工作原理及在系統中的作用進行了分析，并結合因液壓系統故障導致出現的轉速不能正常調節的典型案例，從故障現象、故障原因和故障排查等方面進行了說明，為今后在液驅盾構施工過程中快速解決類似液壓系統故障提供幫助和借鑒。