LOVAT盾構(gòu)機(jī)主液壓系統(tǒng)改造

陸豪杰

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

伴隨著我國地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，盾構(gòu)施工作為隧道、地鐵、城市管線、越江和跨海等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種主要方法，在城市地下空間開發(fā)利用中得到了廣泛應(yīng)用，隧道與地下工程建設(shè)的高潮已全面來臨［1］。盾構(gòu)機(jī)為隧道與地下工程建設(shè)的主要機(jī)械，由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、質(zhì)量輕、體積小、承載能力大、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、能有效防止過載、方便完成復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)［2］，在盾構(gòu)機(jī)各功能系統(tǒng)中被廣泛采用。目前，盾構(gòu)機(jī)施工、設(shè)計(jì)、制造技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展得較成熟，但是，針對主液壓系統(tǒng)改造的成熟經(jīng)驗(yàn)尚不多見。本文結(jié)合不同類型盾構(gòu)設(shè)備使用與維修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對LOVAT盾構(gòu)機(jī)主液壓系統(tǒng)常見故障的發(fā)生原因進(jìn)行分析，得出此類型盾構(gòu)機(jī)主液壓系統(tǒng)改造的施工技術(shù)措施，包括液壓系統(tǒng)油箱設(shè)計(jì)改造、管路壓力損失驗(yàn)算及改造后系統(tǒng)部件的組裝調(diào)試等，不僅解決了LOVAT盾構(gòu)機(jī)普遍存在的主液壓系統(tǒng)

故障的難題，而且可為類似主液壓系統(tǒng)改造積累經(jīng)驗(yàn)。

1 主液壓系統(tǒng)工作原理與特點(diǎn)

1．1 主液壓系統(tǒng)工作原理

LOVAT盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)、管片運(yùn)輸系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及先導(dǎo)系統(tǒng)均采用液壓傳動(dòng)方式。其中，螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)由1臺(tái)斜盤式雙向變量柱塞泵、熱沖洗閥、遠(yuǎn)程變量比例控制閥和1臺(tái)斜軸式雙向變量柱塞馬達(dá)組成閉式液壓控制系統(tǒng)，通過附帶的補(bǔ)油齒輪泵給系統(tǒng)補(bǔ)入涼油以置換系統(tǒng)內(nèi)的熱油，其他各系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)均為開式液壓控制系統(tǒng)。

液壓油箱為開式油箱，由T1、T2和T3 3個(gè)分部液壓油箱通過液壓管相互連接組成，其工作原理如圖1所示。

1．2 液壓系統(tǒng)部件布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本液壓系統(tǒng)部件采用集中布置方式，各部件主要集中在盾體內(nèi)部。其中，液壓油箱由前體面板上左右兩側(cè)2個(gè)箱體與中體底部1個(gè)箱體組成，電機(jī)、泵、控制閥組及相應(yīng)管路集中于中體內(nèi)部。液壓系統(tǒng)部件布局的特點(diǎn)有:1)液壓油箱、泵站、閥組及管件等均布置于盾體內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖2(a)所示。2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與多聯(lián)泵相配置，系統(tǒng)配置集中，如圖2(b)所示。3)液壓管件采用螺紋接頭與生料帶密封形式連接，如圖2(c)所示。4)管件交錯(cuò)布置，系統(tǒng)部件相互干涉，維修空間狹小，如圖2(d)所示。

圖1 液壓油箱工作原理Fig．1 Working principle of hydraulic system of original hydraulic oil tank

2 液壓系統(tǒng)常見故障及原因分析

2．1 主油箱油液溫度過高

導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油液溫度過高的主要原因有液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、使用過程中系統(tǒng)壓力調(diào)定值不恰當(dāng)及周圍環(huán)境溫度過高等［3］。結(jié)合LOVAT盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際情況，總結(jié)液壓系統(tǒng)主油箱油液溫度過高的主要原因。

2．1．1 周圍環(huán)境溫度過高

由于LOVAT盾構(gòu)機(jī)液壓油箱、泵站、閥組等部件均集中于盾體內(nèi)部，且2個(gè)分部液壓油箱安裝在前體隔板上;因此，機(jī)械、電氣及液壓等部件功率損耗的熱量與土倉內(nèi)渣土熱傳遞至前體隔板上液壓油箱的熱量致使盾體內(nèi)部環(huán)境溫度持續(xù)升高，進(jìn)而導(dǎo)致主油箱散熱效果不佳。

2．1．2 換向沖擊

該系統(tǒng)各部件在換向時(shí)液壓沖擊很大，尤其表現(xiàn)在液壓閥組與管件，且管路布置錯(cuò)綜復(fù)雜，存在較多、較大彎角;因此，造成較多的能量損失轉(zhuǎn)化為熱量，致使油液溫度升高。

2．1．3 油液中混入水分或空氣

由于油管接頭松動(dòng)或油管破損，致使系統(tǒng)油液中混入水分或空氣，因此，油液具有一定的可壓縮性，當(dāng)此類油液經(jīng)過液壓泵變?yōu)檩斔蛪毫τ蜁r(shí)，引起油液溫度升高。

圖2 液壓部件結(jié)構(gòu)布置圖Fig．2 Structural layout of hydraulic components

2．2 液壓系統(tǒng)管路頻繁爆管且外泄露油嚴(yán)重

引起液壓系統(tǒng)管路爆管的主要原因有管路磨損、系統(tǒng)瞬時(shí)壓力值超限或疲勞損壞等。由于LOVAT盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)管路縱橫交錯(cuò)布置，且缺少必要的防護(hù)措施，在液壓沖擊或管路共振時(shí)引起較大振動(dòng)，造成管路之間或結(jié)構(gòu)件之間相互摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致管路破損、爆管。除管路破損外，還有其他原因會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)液壓油泄漏。

2．2．1 液壓管接頭松動(dòng)

由于液壓沖擊、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不平衡力、摩擦阻力以及慣性力的變化等產(chǎn)生的振動(dòng)，表現(xiàn)為液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓油缸、閥及管件的振動(dòng)或共振［4］。以上原因引起的液壓管接頭松動(dòng)由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及安裝的不合理，使得各部件之間由于空間干涉而無法維修，進(jìn)而導(dǎo)致液壓油的泄漏。

2．2．2 密封效果差

此液壓系統(tǒng)液壓管接頭密封均采用生料帶。由于此種密封件材質(zhì)低劣、物化性不穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度低、彈性和耐磨性低，尤其是在系統(tǒng)溫度較高時(shí)極易軟化為絮狀物，造成油液泄漏。2．2．3 油液黏度影響

由于液壓系統(tǒng)在使用過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)液壓油進(jìn)水乳化現(xiàn)象，導(dǎo)致油液黏度降低;同時(shí)，隨著系統(tǒng)溫度的升高，油液黏度會(huì)進(jìn)一步降低，造成液壓油泄漏增加。

2．2．4 油箱泄漏

由于位于土倉隔板處的分部液壓油箱向土倉側(cè)泄漏油，且無法維修，導(dǎo)致油液大量泄漏。

2．3 液壓部件頻繁損壞

在使用過程中，螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)的液壓泵與馬達(dá)頻繁損壞。綜合分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)匹配情況，并檢查管路實(shí)際連接情況，得出以上液壓部件損壞的主要原因有:1)油液機(jī)械雜質(zhì)含量超標(biāo)。2)油液進(jìn)水乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，使得油液黏度下降，油膜的承載能力達(dá)不到設(shè)備部件要求，造成運(yùn)動(dòng)部件間的干摩擦［5］。3)補(bǔ)油泵補(bǔ)充閉式系統(tǒng)冷油置換熱油的管路接回油箱，使得系統(tǒng)長時(shí)間在超高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，且存在系統(tǒng)供油不足的情況，超高溫會(huì)導(dǎo)致油液黏度下降，油膜的承載能力及抗剪能力均不符合系統(tǒng)部件要求。4)機(jī)械部件潤滑不到位。

2．4 系統(tǒng)性能參數(shù)與靈敏度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求

使用過程中，部分執(zhí)行元件與閥組的性能參數(shù)及靈敏度達(dá)不到設(shè)計(jì)參數(shù)要求，尤其表現(xiàn)在推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)泵、推進(jìn)缸與鉸接缸的控制閥組。

1)推進(jìn)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)的推進(jìn)壓力為30 MPa，但配置的推進(jìn)比例放大板沒有溫度補(bǔ)償功能，掘進(jìn)過程中需要較大推力時(shí)，隨著掘進(jìn)時(shí)間的增加，推進(jìn)閥組電磁線圈溫度逐漸升高，電阻增加，電流降低，無法維持高推力。

2)控制閥組有時(shí)動(dòng)作遲滯，有時(shí)不動(dòng)作，經(jīng)拆檢閥組，發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)有大量機(jī)械雜質(zhì)、白色絮狀物及油泥，清洗后動(dòng)作正常。

經(jīng)分析總結(jié)可知，造成以上故障的主要原因是液壓系統(tǒng)的污染，而造成液壓系統(tǒng)污染的根源是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及安裝的不合理;因此，該設(shè)備液壓系統(tǒng)改造勢在必行。

3 主液壓系統(tǒng)改造

3．1 改造總體原則

重新設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，將盾體內(nèi)的泵、電機(jī)等部件移到1號(hào)拖車左側(cè);重新制作液壓油箱，將其置于1號(hào)拖車左側(cè)，增加相應(yīng)的油箱冷卻循環(huán)系統(tǒng);重點(diǎn)做好1號(hào)拖車的結(jié)構(gòu)加固，避免拖車機(jī)架變形。

3．2 改造技術(shù)措施

3．2．1 液壓油箱制作

將盾體內(nèi)原有的液壓油箱割除，重新制作1臺(tái)4 000 L液壓油箱，含油箱支撐架，增加1套冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)、油箱附件(含液位控制器、油標(biāo)尺、溫度傳感器、溫度表、回油過濾器、空氣濾清器等)、管接頭及軟管等，具體工作原理如圖3所示。

3．2．2 部件空間布置

將原有的液壓泵及電機(jī)等部件移至1號(hào)拖車左側(cè)，同時(shí)將新制液壓油箱、冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)及油箱附件等安裝至1號(hào)拖車處，具體空間結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

3．2．3 管路設(shè)計(jì)制作

對液壓管路系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，更換所有的連接件、軟管、管接頭形式和密封形式，并對所有的管路進(jìn)行有效防護(hù)與固定。

3．3 液壓油箱容積驗(yàn)算與管路壓力損失驗(yàn)算

3．3．1 液壓油箱容積驗(yàn)算

由液壓系統(tǒng)圖與盾構(gòu)機(jī)工況得知，設(shè)備在正常工作情況下所需的實(shí)際總供油量 Q = Q總供油-Q管片機(jī)=(834-204)L/min=630 L/min。根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，中高壓系統(tǒng)油箱容積一般為液壓泵總流量的5～7倍，則油箱容積V=630×(5～7)=3 150～4 410 L，參照GB 2876—81液壓泵站油箱公稱容量系列表，選定油箱容積V=4 000 L。因此，新制作的液壓油箱容積滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求［6］。

3．3．2 管路壓力損失驗(yàn)算

液壓系統(tǒng)的壓力損失有沿程壓力損失與局部壓力損失2種。由于本液壓系統(tǒng)改造后各系統(tǒng)液壓管路較原來延長約20 m，為了確定改造后各系統(tǒng)液壓泵的性能是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，將以推進(jìn)系統(tǒng)為例進(jìn)行驗(yàn)算［7］。

圖3 新制液壓油箱工作原理Fig．3 Working principle of hydraulic system of new hydraulic oil tank

圖4 改造后系統(tǒng)部件空間結(jié)構(gòu)布置Fig．4 Structural layout of system components after reforming

本系統(tǒng)需測算的管路均屬于圓管形式，根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)液壓工作原理可知，液壓泵額定流量為Q推進(jìn)=204 L/min，液壓管水力直徑d=31．75 mm，泵的額定出口壓力 p出口=28．1 MPa，系統(tǒng)最大壓力p系統(tǒng)=24．1 MPa，液壓油密度取 ρ=900 kg/m3，液壓油運(yùn)動(dòng)黏度ν=68 mm2/s，泵出口至盾體內(nèi)閥組處的管路長度l=20 m。

3．3．2．1 計(jì)算圓管內(nèi)介質(zhì)流速v根據(jù)得v=Q出口/A≈4．2 m/s。

式中:泵的容積效率η泵=0．97;Q出口為泵出口流量，m3/s;A為過流面積，m2。

3．3．2．2 計(jì)算雷諾數(shù) Re

3．3．2．3 判斷液體流態(tài)及計(jì)算沿程阻力系數(shù)λ

由于雷諾數(shù)Re＜2 320，則圓管內(nèi)液體流動(dòng)類型屬于層流，沿程阻力系數(shù)λ =64/Re=0．032 6。

3．3．2．4 計(jì)算管路壓力損失

其中，

式中:ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;l為管路長度，m;ζ為局部阻力系數(shù)。

得

綜上所得，p出口- Δp=28．1-1．64=26．46 MPa＞p系統(tǒng)=24．1 MPa，故改造后推進(jìn)泵的性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同理得出，改造后其他各系統(tǒng)泵的性能也滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3．4 組裝與調(diào)試

原有部件由于經(jīng)歷多次拆裝，采用自循環(huán)方式進(jìn)行清洗，其他新增加部件均為新件，采用離線循環(huán)方式進(jìn)行清洗。將清洗后的各液壓部件安裝到位后，所有管件按液壓系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)連接，如圖5所示。

圖5 改造后液壓油箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置組裝圖Fig．5 Structural layout of hydraulic system of hydraulic oil tank after reforming

油箱內(nèi)加注調(diào)試所用的新液壓油，認(rèn)真檢查系統(tǒng)管線連接后，開啟各系統(tǒng)管路蝶閥與球閥，嚴(yán)格按照調(diào)試程序?qū)Ω飨到y(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中，隨時(shí)觀察并記錄各系統(tǒng)液壓部件的壓力、速度、振動(dòng)、噪聲及溫升等，同時(shí)對系統(tǒng)各關(guān)鍵部位提取到的油樣進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，確保系統(tǒng)油液清潔度值在系統(tǒng)各部件允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

盾構(gòu)機(jī)空載調(diào)試時(shí)，各液壓系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，壓力、振動(dòng)及噪聲等無異?，F(xiàn)象，且各系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)性能參數(shù)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

4 結(jié)論與討論

通過對LOVAT盾構(gòu)機(jī)主液壓系統(tǒng)常見故障的發(fā)生原因進(jìn)行分析，并對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，不僅解決了LOVAT盾構(gòu)機(jī)液壓油泄露、系統(tǒng)部件頻繁損壞及主液壓油箱溫度過高的問題，而且系統(tǒng)部件位置布局改造后增大了盾體內(nèi)部的維修空間，方便了施工過程中的日常設(shè)備巡檢與維修。

盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)、制造及安裝過程中不僅要體現(xiàn)集成化與現(xiàn)代化的理念，更應(yīng)結(jié)合施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)、制造及安裝過程中堅(jiān)持安全、可靠及人性化的原則，既要保證設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行，又要方便施工人員的使用、巡檢與維修。

縱觀國內(nèi)地下工程施工市場，目前國內(nèi)所有的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備數(shù)量相對工程建設(shè)市場需求已經(jīng)飽和，同時(shí)隨著即有設(shè)備的老化，盾構(gòu)機(jī)主要系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，為盾構(gòu)施工技術(shù)人員指明了學(xué)術(shù)研究方向，為盾構(gòu)施工企業(yè)提供了新的業(yè)務(wù)拓展平臺(tái)。

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