盾構機用內曲線液壓馬達脫空現象分析

黃 凱（上海城建隧道裝備有限公司，上海 200137）

0 引 言

液壓馬達是液壓系統中一種重要的執行元件，它是將液壓泵提供的液壓壓力能轉變成輸出旋轉運動的機械能[1]。液壓馬達按照輸出轉速可分為低速馬達和高速馬達，按照結構形式可分為葉片馬達、齒輪馬達、柱塞馬達和其他馬達[2-3]，其中，柱塞馬達又可分為徑向柱塞馬達和軸向柱塞馬達。內曲線液壓馬達屬于低速徑向柱塞馬達，具有工作壓力高、排量大、低速性能好、輸出扭矩大等特點，因此被廣泛應用于盾構機和頂管機中。雖然內曲線液壓馬達具有種種優點，但是在使用過程中也存在種種問題，如在做回轉運動時，由于回油壓力的缺失，柱塞和滾子因慣性力的作用會脫離滾道環曲面，這就是脫空現象。筆者從內曲線徑向柱塞液壓馬達的脫空現象造成的危害探討，對某項目內曲線液壓馬達的內部結構和外部控制原理進行分析，對脫空現象的原因進行解釋并提出解決方案。

1 故障概述

某項目盾構刀盤驅動的2個內曲線液壓馬達發生了損壞，一個馬達配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環損毀，2個軸承全部磨損。另一個馬達的泄露油口發現鐵塊，并且在回油濾芯處發現大量鐵屑。維修人員在現場拆解馬達控制閥組時發現，在閥組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長度約15 mm的長條狀鐵屑。

2 馬達結構分析和控制原理分析

2.1 馬達結構

該項目刀盤驅動使用的液壓馬達為內曲線徑向柱塞液壓馬達，該系列馬達的核心部件是滾道環、缸體、柱塞滾子副和配流體。其內部結構及工作原理如圖1所示。

圖1 內曲線徑向柱塞液壓馬達內部結構及工作原理

由圖1可知，滾道環內表面輪廓由形狀相同的若干曲線段構成，每一曲線段上均分布著1個凹點和1個凸點，當柱塞滾子副沿著凸點向凹點運動時，此區段稱為上升區段（工作區段），當柱塞滾子副沿著凹點向凸點運動時，此區段稱為下降區段（回油區段）。上升區段所聯柱塞滾子副與高壓油腔接通，下降區段所聯柱塞滾子副與回油腔接通，當柱塞滾子副運動到底部接通高壓油的上升區段時，滾子與滾道環曲面接觸，受到法向力F的作用。F可分解為徑向力Fr和切向力Ft，其中，Fr平衡了液壓力，Ft則經過柱塞傳遞至缸體。此時，缸體產生旋轉運動，當滾子進入下降區段時，滾子沿滾道環下降，柱塞底部與回油腔接通，液壓油被壓進回油腔[4]。當馬達需要做反轉運動時，只需將外部控制換向閥換向，使馬達的進回油口互換，此時，高壓油腔變為回油腔，回油腔變為高壓油腔，上升區段變為下降區段，下降區段變為上升區段，馬達則在切向力Ft的作用下做反轉運動。

由于內曲線馬達回轉的作用力直接來自滾子與滾道環之間接觸產生的力，因此在使用該馬達時，必須要保證滾子始終與滾道環接觸。當滾子與滾道環脫離時，就是所謂的脫空現象。若滾子與滾道環脫空，當柱塞滾子副進入上升區段后，在高壓油的作用下，滾子會瞬間撞擊到滾道環上，可能會導致滾道環嚴重磨損或開裂、滾子磨損或脫落、柱塞與缸體卡滯等現象。因此，回油腔不能直接接回油箱，且必須具有一定的回油背壓[5-6]。

2.2 控制原理

該項目刀盤驅動液壓馬達控制原理簡圖如圖2所示。

圖2 刀盤驅動液壓馬達控制原理

該系統中的液壓元件代號、名稱和功能對應說明如下。

T為液壓油箱，用于儲存系統所需的液壓油，并具有散熱、沉淀過濾雜質、分離油液中的氣泡等作用[7]。油箱上裝有冷卻器、液位計、溫度傳感器、空氣過濾器等元件。

M1為液壓泵組，可提供工作壓力油（原系統為比例變量柱塞泵，此處將功能簡化）。

CV1為單向閥，具有單向導通功能，防止壓力油倒流進液壓泵內而損壞液壓泵。

HF1為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），由閥芯、閥套、彈簧、密封圈、蓋板（帶阻尼孔）組成，與先導元件配合使用，控制液流的通斷、壓力的高低、流量的大小。此處與RV1配合使用，組成一個大流量的溢流閥。

RV1為溢流閥，設定壓力為32 MPa，作為HF1的先導閥，與HF1配合使用。系統工作時，液壓泵輸送出的油液進入HF1的閥芯底部和彈簧腔，彈簧腔與RV1連接，當泵輸出壓力較低時，不足以打開RV1，由于彈簧腔與HF1閥芯底部導通，壓力相同，但彈簧腔的面積大于閥芯底部的面積，所以彈簧腔的作用力要大于閥芯底部的面積，閥芯無法打開。當壓力達到32 MPa時，溢流閥RV1打開，彈簧腔中的壓力油就可以通過蓋板中的阻尼孔，經過RV1進入油箱，由于阻尼孔的作用使彈簧腔的壓力小于閥芯底部的壓力，此壓力差產生的作用力大于彈簧腔的彈簧力，HF1的閥芯打開，油液從HF1進入油箱，實現溢流[8]，將系統壓力維持在32 MPa。

FT1為帶壓差發信器的回油過濾器，可過濾回到油箱中的油液，保持液壓系統的清潔度。當油液被污染時，通過FT1濾芯的前后壓差會升高，當壓力達到發信器的設定值時會自動報警[9]。

HF2為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV2、RV2、RV3配合使用。

SV2為電磁閥，與溢流閥RV2、RV3配合使用，以切換HF2的開啟壓力。當馬達正轉時，SV2失電，RV3開始發揮作用，此時HF2的開啟壓力為2 MPa，馬達的回油經過HF2進入油箱，回油背壓被RV3限定為2 MPa；馬達反轉時SV2得電，RV2開始發揮作用，此時HF2的開啟壓力為35 MPa，大于系統最大壓力，以保證系統的正常運行。

RV2為溢流閥，它作為HF2的先導閥，與SV2配合使用，馬達正轉時，SV2失電，RV2開始發揮作用，限定馬達進油口的壓力為32 MPa。

RV3為溢流閥，作為HF2的先導閥，與SV2配合使用，馬達反轉時，SV2得電，RV3開始發揮作用，限定馬達回油背壓為32 MPa。

HF3為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV1配合使用，組合成一個開關閥。

SV1為電磁閥，控制HF3的開啟與關閉，馬達正轉時SV1失電，馬達反轉時，SV1得電。

HF4為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV4、RV4、RV5配合使用。

SV4為電磁閥，與溢流閥RV4、RV5配合使用，切換HF4的開啟壓力。當馬達正轉時，SV4得電，RV4開始發揮作用，此時HF4的開啟壓力為35 MPa，大于系統最大壓力，以保證系統的正常運行；馬達反轉時，SV4失電，RV5開始發揮作用，此時HF4的開啟壓力為2 MPa，馬達的回油經過HF4進入油箱，回油背壓被RV5限定為2 MPa。

RV4為溢流閥，作為HF4的先導閥，與SV4配合使用，馬達正轉時，SV4得電，RV4開始發揮作用，限定馬達進油口的壓力為32 MPa。

RV5為溢流閥，作為HF4的先導閥，與SV4配合使用，馬達反轉時，SV4失電，RV5開始發揮作用，限定馬達回油背壓為2 MPa。

HF5為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV3配合使用，組成一個開關閥。

SV3為電磁閥，它控制著HF5的開啟與關閉，馬達正轉時SV3得電，馬達反轉時，SV3失電。

RV6為溢流閥，起緩沖作用，當馬達正轉時，若負載突然增大，或者馬達堵轉，馬達的A口壓力會突然上升，會導致馬達損毀。RV6在此處限定了馬達A口的最大壓力為32 MPa。當負載突然增大，或者馬達堵轉時，馬達A口壓力上升至32 MPa后RV6打開，A口壓力無法再繼續上升，從而發揮緩沖保護作用。

RV7為溢流閥，起緩沖作用，當馬達反轉時，若負載突然增大，或者馬達堵轉，馬達的B口壓力會突然上升，會導致馬達損毀。RV7在此處限定了馬達B口的最大壓力為32 MPa。當負載突然增大，或者馬達堵轉時，馬達B口壓力上升至32 MPa后RV7打開，B口壓力無法再繼續上升，從而發揮緩沖保護作用。

MS為液壓馬達，它是執行元件，輸出扭矩通過減速器增大后帶動刀盤轉動，切削土體。A口進油則馬達正轉，B口進油則馬達反轉。

3 馬達損壞原因分析

“馬達配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環損毀”，這說明馬達發生了脫空現象，并且脫空后在高壓油的沖擊下，滾子與滾道環發生撞擊，導致滾道環損毀，滾子與滾道環撞擊后導致柱塞和缸體產生變形，柱塞與配流體卡死。“油馬達的泄露油口發現鐵塊，并且在回油濾芯處發現大量鐵屑”，這可能是滾子與滾道環發生撞擊后，導致滾子脫落，滾道環和缸體破裂產生了大量的碎屑。“在閥組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長度約15 mm的長條狀鐵屑”，這些鐵屑可再次表明其是由脫空現象產生的，圓形扁狀鐵屑和長條狀鐵屑是滾子、滾道環和缸體碎裂后的產物。

該項目中液壓馬達的回油背壓僅依靠RV3和RV5這2個溢流閥建立，當元件老化或者人為操作失誤時，RV3和RV5就有可能失效，馬達回油腔的背壓將無法建立，很可能會使馬達脫空并將其損壞。另外，這種設計必須在馬達有回油時才能產生背壓，假如馬達因某些原因需要拆卸或維修時，馬達A口和B口的管路被拆下，當再次把管路安裝好之后，馬達的回油腔中并沒有液壓油，滾子和滾道環可能已經脫離，此時若直接啟動馬達，那么在高壓油的沖擊下，馬達的使用壽命很有可能會縮短，嚴重時則會損壞。

通過以上分析可知，脫空現象是造成內曲線液壓馬達損壞的重要原因。

4 整改措施

為了保證馬達的安全性和可靠性，必須主動給馬達的回油腔建立背壓，在馬達運轉前保證滾子被頂出，貼合到滾道環曲面上。因此，在原系統中增加了一臺補油泵，為馬達的回油腔主動建立壓力，同時，將RV3和RV5的開啟壓力調節至5 MPa，提高馬達回油腔的背壓。修改后的刀盤驅動液壓馬達控制原理如圖3所示。系統中新增的液壓元件代號、名稱和功能說明如下。

圖3 修改后的刀盤驅動液壓馬達控制原理

M2為補油泵，可為馬達回油腔主動建立壓力，防止馬達脫空。

CV2為單向閥，具有單向導通功能，可防止壓力油倒流進補油泵內，損壞補油泵。

RV8為溢流閥，可將補油回路的最大壓力限定在5 MPa。

CV3為單向閥，可防止馬達高壓管路中的油進入補油回路。馬達正轉時，A口壓力較高，B口壓力較低，由于補油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV3被動關閉，CV4打開，油液進入馬達B口，為回油腔建立5 MPa背壓。

CV4為單向閥，可防止馬達高壓管路中的油液進入補油回路。馬達反轉時，B口壓力較高，A口壓力較低，由于補油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV4被動關閉，CV3打開，油液進入馬達A口，為回油腔建立5 MPa背壓。

馬達工作時，須先開啟補油泵M2，主動為馬達建立回油背壓，將馬達內的柱塞滾子頂出，使其與滾道環曲面貼合，補油泵M2開啟5 s后再開啟液壓泵M1；馬達停止時，須先關閉液壓泵M1，當檢測到刀盤轉速為0后再關閉補油泵M2。當需要改變刀盤轉向時，須先等刀盤轉速為0后再進行反轉動作，補油泵M2在此過程中始終處于工作狀態。如此，可以保證內曲線馬達的滾子與滾道環始終貼合，防止馬達脫空而導致損毀。此外，這種設計還有一個好處，當馬達需要停轉時，正常操作是將電磁閥SV1或SV3直接失電，不再往馬達A口或B口供油，但此時馬達會在慣性作用下繼續旋轉，可能會因此造成吸空[10]，這對馬達的使用壽命是相當不利的，補油泵的存在就是為了避免這種情況的發生，因此刀盤停轉時需要先停液壓泵M1，后停補油泵M2。

5 結 語

筆者通過內曲線液壓馬達損壞后的現象分析其損壞的原因，并深入分析內曲線液壓馬達的內部結構以及外部控制油路和控制方法，通過改進控制油路和控制方法避免盾構機在后續推進過程中液壓馬達因脫空現象而導致損毀。本研究對今后的項目應用具有重要的借鑒意義，在以后的項目中無論是由刀盤驅動還是由螺旋機驅動的盾構機等，若使用內曲線液壓馬達，均建議增加馬達補油功能，避免發生馬達脫空的情況。