【原】盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理及操作注意事項(xiàng)

王國義 2022-02-10

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盾構(gòu)刀盤開挖原狀土主要依靠刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，這是盾構(gòu)最重要液壓系統(tǒng)之一，現(xiàn)對其進(jìn)行介紹。如果存在錯(cuò)誤，請指正。

由于電機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生高壓油，高壓油帶動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)通過減速機(jī)減速，進(jìn)而帶動(dòng)主軸承大齒圈旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致與主軸承大齒圈相固定的刀盤旋轉(zhuǎn)。

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)操作面板如下圖：

當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)所有前提條件滿足后，將左中側(cè)刀盤轉(zhuǎn)速鈕旋轉(zhuǎn)為0，選擇低速（第1步）或高速（第2步）按鈕，選擇左轉(zhuǎn)（掘進(jìn)方向順時(shí)針）或右轉(zhuǎn)（掘進(jìn)方向逆時(shí)針），選擇啟動(dòng)按鈕，然后旋轉(zhuǎn)左中側(cè)刀盤轉(zhuǎn)速旋鈕，將之調(diào)節(jié)預(yù)定轉(zhuǎn)速（土壓平衡盾構(gòu)機(jī)一般為1.0～2r/min），并且由中上側(cè)顯示器顯示出來，中下側(cè)顯示刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓油高壓端壓力。左側(cè)為操作和服務(wù)旋鈕，當(dāng)正常掘進(jìn)時(shí)，旋鈕處于操作檔；當(dāng)需要在前方人閘處操作或有人員在土倉內(nèi)時(shí)，旋鈕處于服務(wù)檔并上鎖，防止人為操作導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)。

刀盤切削原狀土、旋轉(zhuǎn)、克服各種摩擦力等刀盤旋轉(zhuǎn)都需要扭矩，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)液壓油有壓力，壓力大小是由于刀盤所需被動(dòng)扭矩產(chǎn)生的。在所有部件確定后，刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩值與泵AB口液壓油壓力差成正比，正比系數(shù)由盾構(gòu)制造生產(chǎn)商通過計(jì)算取值。如果盾構(gòu)生產(chǎn)商正比系數(shù)取值比實(shí)際偏大，那么顯示出來的扭矩值就不是真實(shí)的扭矩。

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)如下圖：

由于刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，一張圖也看不清楚，筆者將此圖分為幾部分（一是先導(dǎo)泵及補(bǔ)油泵、二是恒功率控制系統(tǒng)、三是剎車及高低速控制系統(tǒng)、四是液壓泵系統(tǒng)、五是液壓馬達(dá)系統(tǒng)）進(jìn)行介紹。此刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)由三個(gè)315kw電機(jī)，帶動(dòng)三個(gè)液壓泵，產(chǎn)生高壓油，高壓油帶動(dòng)8個(gè)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。此液壓系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了先導(dǎo)泵及系統(tǒng)控制液壓泵，設(shè)計(jì)了補(bǔ)油泵對液壓泵低壓端油路進(jìn)行補(bǔ)油。

先導(dǎo)泵及補(bǔ)油泵系統(tǒng)如圖1：

圖1

圖1左側(cè)是先導(dǎo)泵，主要作用是采用5.5kw電機(jī)帶動(dòng)一小液壓泵，精確控制液壓油壓力，主要作用是控制三個(gè)大液壓泵的斜盤角度大小、2號(hào)液壓馬達(dá)處的剎車開啟和8個(gè)液壓馬達(dá)的高低速轉(zhuǎn)換。泵啟動(dòng)時(shí)閥235不得電，啟動(dòng)幾秒后再得電，小泵產(chǎn)生恒定的液壓油壓力和流量。

圖1右側(cè)是三個(gè)大液壓泵的補(bǔ)油泵，采用75kw電機(jī)帶動(dòng)一定量泵，主要為三個(gè)大液壓泵的閉式循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充液壓油。

注意：刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)為確保大液壓泵安全，補(bǔ)油泵補(bǔ)油壓力不能高也不能低，一般為18～30bar。因此，有時(shí)需要通過溢流閥242.1調(diào)整補(bǔ)油泵液壓油壓力。閥242.1也很容易出現(xiàn)問題。

先解釋下恒功率的概念。盾構(gòu)刀盤扭矩曲線圖如下圖。

盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)需要消耗功。盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)消耗的功是由液壓油壓力與流量決定的，功的大小與壓力、流量成正比。刀盤扭矩與液壓油壓力成正比。刀盤轉(zhuǎn)速與液壓油流量成正比。因此，盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)消耗的功與刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速成正比。盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)消耗的功是由三個(gè)大電機(jī)提供的。因此，為了確保大電機(jī)不超負(fù)荷，液壓油壓力與轉(zhuǎn)速的積在最大荷載時(shí)必須是一定值，即電機(jī)的最大提供功。盾構(gòu)恒功率控制系統(tǒng)是確保大電機(jī)不超負(fù)荷，防止跳閘或損壞電機(jī)。此種條件下，電機(jī)最大荷載時(shí)，液壓油壓力與轉(zhuǎn)速成反比。盾構(gòu)恒功率曲線圖x軸是刀盤轉(zhuǎn)速，y軸是刀盤扭矩。盾構(gòu)恒功率控制系統(tǒng)是液壓閥控制確保大電機(jī)不超負(fù)載，也就是在高速或低速時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩在曲線之內(nèi)，不要超曲線范圍。也可以這樣理解，盾構(gòu)司機(jī)將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為1.5r/min。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為1.5r/min,刀盤扭矩最大值為3000knm,但由于推力較大導(dǎo)致刀盤扭矩超過3000knm，那么恒功率控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速低于1.5r/min，確保電機(jī)不超負(fù)荷。第1檔可以認(rèn)為是刀盤低速檔，第2檔可以認(rèn)為是刀盤高速檔，高低速檔是馬達(dá)的斜盤角度不同導(dǎo)致的。高速檔斜盤角度小。

恒功率控制系統(tǒng)如圖2。

圖2

如圖2，先導(dǎo)泵高壓油（一般為100bar）經(jīng)調(diào)速閥210.2（達(dá)到先導(dǎo)油設(shè)計(jì)流量）、減壓閥210.2、一部分到達(dá)大液壓泵控制油路加一部分經(jīng)電磁比例溢流閥210.4溢流回油箱。電磁比例溢流閥210.4的電流是由刀盤操作面板上的刀盤轉(zhuǎn)速經(jīng)放大板反饋的，也就是說當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速旋鈕旋轉(zhuǎn)至一位置，輸入至放大板一直流電壓（0～10v），放大板輸出一直流，確保大液壓泵控制油路中是一穩(wěn)定液壓油壓力。實(shí)際上，刀盤轉(zhuǎn)速大小由大液壓泵的斜盤角度決定，大液壓泵的斜盤角度是由先導(dǎo)泵控制油路的油壓大小決定的（這將在下文敘述）。

閥210.6就是恒功率閥。兩個(gè)單向閥210.1.1是與刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓馬達(dá)附近A、B口相通，液壓馬達(dá)A、B口高壓端液壓油進(jìn)入恒功率閥210.6內(nèi)，當(dāng)液壓油壓力要超過恒功率曲線范圍時(shí)，恒功率閥210.6的先導(dǎo)控制油溢流回油箱，大液壓泵控制油路油壓低于電磁比例溢流閥210.4的溢流壓力，此時(shí)d大液壓泵斜盤角度降低，確保大電機(jī)在最功率范圍內(nèi)。這就恒功率閥210.6的作用。

閥210.5是額定扭矩與脫困扭矩控制閥。正常情況下，盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處理額定扭矩下施工，當(dāng)液壓馬達(dá)A、B口高壓端液壓油壓力超過左側(cè)閥210.7、210.8的控制值（235bar）時(shí)，大液壓泵控制油路液壓油溢流，刀盤轉(zhuǎn)速降低為0。當(dāng)?shù)侗P卡死，手動(dòng)將閥210.5搬動(dòng)至左位（處于脫困扭矩），當(dāng)液壓馬達(dá)A、B口高壓端液壓油壓力超過右側(cè)閥210.7、210.8的控制值（270bar)時(shí)，大液壓泵控制油路液壓油溢流，刀盤轉(zhuǎn)速降低為0。這就是盾構(gòu)刀盤脫困的控制系統(tǒng)。

注意：一般情況下盾構(gòu)刀盤在額定扭矩下困住，在脫困扭矩下也無法脫困。常規(guī)方法是土倉內(nèi)多出渣，降低刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的土倉被動(dòng)扭矩，進(jìn)而達(dá)到刀盤脫困之目的。筆者有時(shí)也采用盾構(gòu)直接在脫困扭矩下掘進(jìn)，刀盤大部分時(shí)間在額定扭矩下工作，偶爾扭矩超過額定扭矩小于脫困扭矩時(shí)刀盤也不會(huì)困住，從而達(dá)到刀盤不會(huì)被困住之目的。我認(rèn)為這種方法更優(yōu)于在額定扭矩下刀盤被困住再啟用刀盤脫困扭矩的方法。

剎車及高低速控制系統(tǒng)如圖3。

圖3

如圖3是剎車及刀盤高低速控制系統(tǒng)。先導(dǎo)泵高壓油經(jīng)調(diào)速閥、減壓閥12.3。當(dāng)閥12.3不得電時(shí)，先導(dǎo)油不會(huì)通過閥，壓力油不會(huì)進(jìn)入馬達(dá)控制油路，馬達(dá)斜盤角度最大，為低速；當(dāng)閥12.3得電時(shí)，先導(dǎo)油通過閥，壓力油進(jìn)入馬達(dá)控制油路，馬達(dá)斜盤角度最小，為高速。因此，當(dāng)?shù)退侔粹o啟動(dòng)，閥12.3不得電，當(dāng)高速按鈕啟動(dòng)，閥12.3得電。

閥12.5為2號(hào)馬達(dá)剎車打開閥。當(dāng)閥12.5不得電時(shí)，先導(dǎo)油不會(huì)通過閥12.5。當(dāng)閥12.5得電，先導(dǎo)油經(jīng)減壓閥12.6、閥12.5、單向閥和節(jié)流閥、一部分進(jìn)入蓄能器14另一部分進(jìn)入2號(hào)馬達(dá)剎車內(nèi)，將剎車片打開。

注意：刀盤剎車為刀盤停止后剎車，并不是刀盤旋轉(zhuǎn)中剎車，刀盤旋轉(zhuǎn)中剎車是剎不住的，同時(shí)會(huì)損壞減速機(jī)等部件。因此，只有當(dāng)剎車片打開后刀盤才允許轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)停止，剎車片并不是馬上閉合剎車。閥12.5斷電，由于蓄能器14液壓油經(jīng)節(jié)流閥、閥12.5慢慢卸壓，剎車是隔一段時(shí)間（約20秒）才閉合，防止刀盤還在旋轉(zhuǎn)就剎車，損壞部件。

液壓泵系統(tǒng)如圖4。

圖4

圖4是刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中主液壓泵及控制系統(tǒng)。201是315kw電機(jī)帶動(dòng)主液壓泵。此系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)A口為低壓進(jìn)油口時(shí)，B口就為高壓出油口，反之一樣，當(dāng)高壓出油口變化時(shí)刀盤旋轉(zhuǎn)方向相應(yīng)發(fā)生變化。圖4最右側(cè)線為補(bǔ)油管路，補(bǔ)油泵液壓油少部分到蓄能器222，大部分經(jīng)單向閥進(jìn)入泵低壓端的A口或B口，當(dāng)泵未啟動(dòng)時(shí)對A口和Bk口管路內(nèi)補(bǔ)油，多余部分經(jīng)單向閥119、溢流閥214溢流回油箱，無論是大液壓泵停止還是運(yùn)行都要確保閉式循環(huán)系統(tǒng)管路中充滿液壓油，防止產(chǎn)生氣蝕等現(xiàn)象。蓄能器222對補(bǔ)油管路起穩(wěn)壓作用，防止補(bǔ)油壓力波動(dòng)過大。

四位四通閥216是刀盤左右轉(zhuǎn)的啟動(dòng)閥。當(dāng)電機(jī)201啟動(dòng)，閥216得電，閥芯處于右位時(shí)，通過恒功率控制系統(tǒng)中的電磁比例溢流閥210.4調(diào)節(jié)的穩(wěn)定壓力油經(jīng)閥216進(jìn)入到三位三通閥114右側(cè)閥芯，推動(dòng)閥芯左移（同時(shí)液壓油經(jīng)閥芯左側(cè)流出），此時(shí)閥114處于右位，液壓缸115無桿腔卸油回油箱箱，無桿腔液壓油壓力降低，液壓缸115有桿腔液壓油與大液壓泵的A口和B口經(jīng)單向閥后相通，液壓油壓力是大液壓泵高壓出口壓力，此時(shí)液壓缸115液壓桿右移（斜盤角度向右增加），進(jìn)而帶動(dòng)閥114閥芯右移，當(dāng)閥114閥芯右移過多，閥芯處于左位時(shí)，液壓缸115無桿腔與有桿腔相通，有桿腔內(nèi)高壓油將向無桿腔內(nèi)低壓油溢流，液壓缸115液壓桿再次左移，進(jìn)而帶動(dòng)閥114閥芯左移，最終先導(dǎo)油壓力對閥芯的作用力與液壓缸115上液壓桿上彈簧對閥芯的作用力相等，閥114閥芯處于中位（大液壓泵斜盤角度固定，泵流量固定，刀盤轉(zhuǎn)速不變）。當(dāng)先導(dǎo)油壓力增加，泵斜盤角度繼續(xù)增加，刀盤轉(zhuǎn)速提高。

當(dāng)電機(jī)201啟動(dòng)，閥216得電，閥芯處于左位時(shí)，通過恒功率控制系統(tǒng)中的電磁比例溢流閥210.4調(diào)節(jié)的穩(wěn)定壓力油經(jīng)閥216進(jìn)入到三位三通閥114左側(cè)閥芯，推動(dòng)閥芯右移（同時(shí)液壓油經(jīng)閥芯右側(cè)流出），此時(shí)閥114處于左位，液壓缸115無桿腔與有桿腔相通，有桿腔內(nèi)高壓油將向無桿腔內(nèi)低壓油溢流，由于液壓缸有桿腔與無桿腔作用面積不同，液壓缸115液壓桿左移（斜盤角度向左增加），進(jìn)而帶動(dòng)閥114閥芯左移，同樣原理，最終先導(dǎo)油壓力對閥芯的作用力與液壓缸115上液壓桿上彈簧對閥芯的作用力相等，閥114閥芯處于中位（大液壓泵斜盤角度固定，泵流量固定，刀盤轉(zhuǎn)速不變）。當(dāng)先導(dǎo)油壓力增加，泵斜盤角度向左繼續(xù)增加，刀盤轉(zhuǎn)速提高。

注意：先導(dǎo)油壓力直接決定了大液壓泵斜盤角度。先導(dǎo)油流經(jīng)閥114閥芯左側(cè)還是右側(cè)決定了刀盤是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。

閥116、閥117、閥118是大液壓泵的安全保護(hù)閥，當(dāng)泵高壓油超過泵最大壓力限定時(shí)，高壓油向低壓油卸油低壓油經(jīng)閥116、閥214卸油。

液壓馬達(dá)系統(tǒng)如圖5。

圖5

圖5是液壓馬達(dá)系統(tǒng)。馬達(dá)與減速機(jī)之間安裝有剎車片。當(dāng)先導(dǎo)油進(jìn)入剎車內(nèi)時(shí)，將剎車頂開。當(dāng)先導(dǎo)油卸油后剎車關(guān)閉。液壓缸10液壓桿處于左位為高速檔，處于右位為低速檔，馬達(dá)斜盤角度小，大液壓泵流量相同情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速高，刀盤轉(zhuǎn)速快。閥9左側(cè)閥芯無先導(dǎo)油時(shí)，液壓缸10有桿腔與馬達(dá)A、B口相通，高壓油在有桿腔內(nèi)，無桿腔油經(jīng)節(jié)流閥、溢流閥卸油，馬達(dá)斜盤處于最大角度，刀盤轉(zhuǎn)速為低檔。當(dāng) 閥9左側(cè)閥芯有先導(dǎo)油時(shí)，液壓缸10有桿腔與無桿腔都與馬達(dá)A、B口相通，高壓油存在于有桿腔內(nèi)和無桿腔內(nèi)，由于作用面積不同，馬達(dá)斜盤處于最小角度，刀盤轉(zhuǎn)速為高檔。

注意：可能是由于剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，剎車系統(tǒng)內(nèi)密封容易損壞。

綜上所述，刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，筆者只是介紹其主要功能，一些閥件未詳細(xì)介紹。總結(jié)起來就是刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)泵的液壓油壓力控制大液壓泵斜盤角度，采用先導(dǎo)油控制馬達(dá)斜盤角度（最大-低速和最小-高速），恒功率閥確保了大電機(jī)不超負(fù)載。刀盤剎車是停機(jī)后剎車，不允許刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)剎車。

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