液壓系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用研究

張旺++初廣棟

摘 要：本文討論了盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理以及液壓推進(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用，液壓系統(tǒng)作為盾構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力源，其運(yùn)轉(zhuǎn)正常與否對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)施工影響極大。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；液壓推進(jìn)系統(tǒng)；影響因素

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中的液壓缸無(wú)桿腔活塞面積大小、液壓缸進(jìn)油腔的體積大小、活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量大小、有效體積彈性模量、流量增益系數(shù)、活塞機(jī)負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、以及幅頻與相頻特性。其中，通過(guò)減小調(diào)速閥的流量增益系數(shù)，增大液壓缸無(wú)桿腔活塞面積、液壓固有頻率、液壓阻尼比等，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將得到提高。系統(tǒng)工作時(shí)，阻尼比變化過(guò)大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中阻尼比值需要盡量稍大些且恒定。

一、盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理

盾構(gòu)機(jī)的絕大部分工作機(jī)構(gòu)主要由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成，液壓系統(tǒng)可以說(shuō)是盾構(gòu)機(jī)的心臟，起著非常重要的作用。這些系統(tǒng)按其機(jī)構(gòu)的工作性質(zhì)可分為：盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)及鉸接系統(tǒng)、刀盤切割旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)、管片小車及輔助液壓系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)、液壓油主油箱及冷卻過(guò)濾系統(tǒng)、同步注漿泵液壓系統(tǒng)、超挖刀液壓系統(tǒng)。以上8個(gè)系統(tǒng)除同步注漿泵液壓系統(tǒng)在1號(hào)拖車、超挖刀液壓系統(tǒng)在盾殼前體為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)外，其余6個(gè)液壓系統(tǒng)都共用一個(gè)油箱，并安裝在2號(hào)拖車上組成一個(gè)液壓泵站。有的系統(tǒng)還相互有聯(lián)系。盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)由液壓泵站，調(diào)速、調(diào)壓機(jī)構(gòu)，換向控制閥組及推進(jìn)油缸組成，32個(gè)油缸分16組均布的安裝在盾構(gòu)中體內(nèi)圓壁上，并分為上、下、左、右四個(gè)可調(diào)整液壓壓力的區(qū)域，為盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)提供推進(jìn)力、推進(jìn)速度，通過(guò)調(diào)整四個(gè)區(qū)域的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎調(diào)向及糾偏功能。鉸接系統(tǒng)的主要作用是減小盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)的曲率半徑上的直線段，從而減少盾尾與管片、盾體與圍巖間的摩擦阻力。

二、液壓推進(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用

（一）推進(jìn)及鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力來(lái)自推進(jìn)液壓系統(tǒng)中推進(jìn)油缸的工作，推進(jìn)油缸是推進(jìn)系統(tǒng)中的最終執(zhí)行部件。在推進(jìn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作順序?yàn)椋菏紫葐?dòng)液壓泵站的電機(jī)，帶動(dòng)液壓泵工作，液壓泵泵送出動(dòng)力液壓油，動(dòng)力液壓油經(jīng)管路傳輸?shù)酵七M(jìn)油缸的控制閥組，液壓油在閥組的控制下進(jìn)入推進(jìn)油缸的有桿腔或無(wú)桿腔，從而實(shí)現(xiàn)油缸的伸縮；在油缸收縮時(shí)，液壓油同樣需要通過(guò)控制閥組的控制經(jīng)控制閥組和管路流回安裝在二號(hào)拖車上的油箱。推進(jìn)系統(tǒng)的液壓油供給泵位于盾構(gòu)機(jī)二號(hào)拖車上，在一個(gè)55kW的電機(jī)帶動(dòng)下工作；控制閥組位于盾構(gòu)機(jī)的中體內(nèi)，每組油缸都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的控制閥，每組油缸在控制閥的控制下都可以單獨(dú)工作。

（二）注漿系統(tǒng)及管片移運(yùn)系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)主要由4個(gè)柱塞泵完成泵送出砂漿的工作，過(guò)濾后的液壓油經(jīng)兩個(gè)節(jié)流分流閥分流，在液壓閥件的控制下液壓油進(jìn)入油缸形成進(jìn)油和回油回路，促使油缸完成伸縮動(dòng)作。在管片移運(yùn)系統(tǒng)回路中，油液經(jīng)過(guò)單向閥、溢流閥和調(diào)速閥后流入油缸，其中單向閥對(duì)油液的流向進(jìn)行控制，確保單方向形成回路，有效預(yù)防油缸非正常回縮；溢流閥在油壓過(guò)大時(shí)溢流減壓；調(diào)速閥對(duì)油液的流速進(jìn)行控制。

（三）控制油路液壓系統(tǒng)及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)

控制油路主要用來(lái)控制螺旋輸送機(jī)液壓泵站的液控?fù)Q向閥，通過(guò)油路與蓄能器相連來(lái)緩沖驅(qū)動(dòng)馬達(dá)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，油路中布置有電磁閥和溢流閥，當(dāng)油路油壓過(guò)大時(shí)，進(jìn)行溢流泄壓；另外通過(guò)手動(dòng)閥、溢流閥對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)油路油壓過(guò)大時(shí)進(jìn)行溢流減壓。系統(tǒng)回路的泵站控制閥與控制油路連接，在啟動(dòng)泵站工作前首先應(yīng)啟動(dòng)控制油路開(kāi)始工作，然后啟動(dòng)系統(tǒng)供油泵站工作泵送出高壓液壓油，油液經(jīng)管路傳輸至螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)連接的還有補(bǔ)油泵，當(dāng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作油壓不足時(shí)，補(bǔ)油泵輸出油液進(jìn)行油液補(bǔ)充，以確保馬達(dá)的正常工作。所有的電氣控制部分都在主控室完成，操作伸縮按鈕接通電磁閥工作，從而使油路暢通，完成各油缸的伸縮。

（四）推進(jìn)油缸的選型和配置

盾構(gòu)在土層中掘進(jìn)，主要是靠安裝在支承環(huán)內(nèi)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)完成的。推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由液壓油缸（千斤頂）和相關(guān)液壓設(shè)備構(gòu)成，以襯砌管片為支承座。由于盾構(gòu)內(nèi)部空間狹窄，安裝條件惡劣以及盾構(gòu)工作情況和其他機(jī)械不同，要求液壓油缸體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、同步性能好，便于安裝和布置，有必要的防護(hù)裝置，避免灰塵、泥水、砂漿混入油內(nèi)或千斤頂內(nèi)。推進(jìn)油缸沿圓周對(duì)稱均勻分布，根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)中推力的需要和管片拼裝的要求進(jìn)行布置。每個(gè)油缸的推力和數(shù)量應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)外徑、總推力、管片結(jié)構(gòu)和隧道路線等因素確定。一般情況下推進(jìn)油缸可以分為4組，4個(gè)缸組同時(shí)動(dòng)作，且推進(jìn)油缸軸線平行于盾構(gòu)軸線，盾構(gòu)直線前進(jìn)。如果按照規(guī)定分別動(dòng)作，就可獲得盾構(gòu)的調(diào)向動(dòng)作。各液壓油缸內(nèi)的液壓油壓能夠在0%～100%的系統(tǒng)壓力范圍變化，最大安全壓力為35MPa。特殊設(shè)計(jì)的液壓油缸油缸桿縮回速度比伸出速度快，使油缸桿能快速收回。

三、結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)各種施工地層土質(zhì)情況及其水土壓力的變化情況，克服盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中遇到的各種障礙與阻力，完成盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎、姿態(tài)與偏差控制以及同步運(yùn)動(dòng)，最終按照事先設(shè)定好的推進(jìn)路線前進(jìn)，是盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)大多存在著對(duì)土層地質(zhì)條件的適應(yīng)能力差，推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度及穩(wěn)定性不能得到有效保證等問(wèn)題。

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