盾構(gòu)機(jī)刀盤控制系統(tǒng)的機(jī)理與維護(hù)

張志江中咨工程建設(shè)監(jiān)理公司

盾構(gòu)機(jī)刀盤控制系統(tǒng)的機(jī)理與維護(hù)

張志江
中咨工程建設(shè)監(jiān)理公司

為了適應(yīng)我國城市人口的大幅度增長，解決地面交通擁堵現(xiàn)狀，開發(fā)地下空間成為了我國目前發(fā)展的重要內(nèi)容，盾構(gòu)法作為一種重要的隧道挖掘技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)中刀盤作為其主要的組成部分，刀盤的控制系統(tǒng)也就直接影響著盾構(gòu)機(jī)的作用機(jī)理和效果。本文針對我國目前盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)中的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了分析，并對刀盤的控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)的問題提出了維護(hù)措施，以期實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)機(jī)的有效維護(hù)，最大限度的發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)的作用。

盾構(gòu)機(jī)；刀盤控制系統(tǒng)；維護(hù)

一、前言

隨著我國城市建設(shè)的腳步不斷加快，城市人口呈現(xiàn)了大幅度的提升，城市人口壓力越來越大，大面積的人口擁擠導(dǎo)致了地面交通出現(xiàn)了不同程度的擁堵，在這種情況下，開發(fā)地下空間成為了一種必然。盾構(gòu)法作為先進(jìn)的隧道挖掘技術(shù)，具有不可忽視的優(yōu)勢，其作業(yè)環(huán)境相對來說安全穩(wěn)定，受到地表的影響相對較小，同時(shí)防震性能好，得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)作為盾構(gòu)法的主力軍，發(fā)揮著重要的作用。事實(shí)上，盾構(gòu)機(jī)中的刀盤是盾構(gòu)機(jī)主要的核心部件之一。

二、盾構(gòu)機(jī)刀盤控制系統(tǒng)的主要工作原理

1.刀盤控制系統(tǒng)的主要分類

盾構(gòu)機(jī)的刀盤控制系統(tǒng)主要包括了兩大類，其中包括液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)。相對來說，液壓驅(qū)動(dòng)刀盤發(fā)展的時(shí)間較久，擁有較長的歷史，因此其系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，使用起來也相對穩(wěn)定，更為成熟，液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)常用在中小直徑的軟土類型的地質(zhì)的盾構(gòu)機(jī)中，這主要是為了滿足中小直徑的軟土地質(zhì)盾構(gòu)機(jī)的速度相對較低，需要的扭矩較大的要求。而不同于液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的盾構(gòu)機(jī)刀盤是近幾年受到應(yīng)用的系統(tǒng)，這是隨著我國電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)的不斷提升，配合著變頻調(diào)速技術(shù)的共同進(jìn)步和發(fā)展，逐漸的得到了盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用，進(jìn)入了盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過利用變頻控制的技術(shù)，可以根據(jù)施工的狀況和地質(zhì)的軟硬進(jìn)行相對靈活的調(diào)整，滿足了盾構(gòu)機(jī)在相對復(fù)雜的地質(zhì)情況下對刀盤的要求，相對來說適應(yīng)性強(qiáng)靈活度高負(fù)載能力高。

不過，雖然液壓驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)一些工作效率相對較低，噪聲污染較大等問題，但是由于隧道工作的環(huán)境都相對較差，刀盤在工作中啟動(dòng)和停止較為頻繁，同時(shí)在施工過程中刀盤在對較為堅(jiān)硬的沿途進(jìn)行挖掘的過程中，受到的沖擊力相對較大，液壓驅(qū)動(dòng)本身還具備轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的優(yōu)勢更利于操作，只要在施工過程中能夠保證設(shè)備具有冷卻水供給，以及隧道的通風(fēng)問題良好，就可以降低對空氣環(huán)境溫度的影響，因此在實(shí)際工程中常常將液壓作為首要選擇。

2.刀盤控制系統(tǒng)的組成

液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成包括了大排量的變量柱塞泵、雙擊排量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)、減速器、液壓管路、主軸承和密封的潤滑裝置系統(tǒng)等。刀盤通過法蘭與主軸承的內(nèi)齒圈進(jìn)行連接，刀盤可以在掘進(jìn)的過程中得到需要的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，方便刀盤在順時(shí)針和逆時(shí)針方向上進(jìn)行一定限度內(nèi)的無級變速工作。刀盤驅(qū)動(dòng)中包括了8組傳動(dòng)副和主齒輪箱，其中任意一組傳動(dòng)副都是由一個(gè)斜軸式變量軸向柱塞馬達(dá)和一個(gè)水冷式變速齒輪箱共同組成，其中水冷式齒輪箱中本身具有制動(dòng)裝置，方便實(shí)現(xiàn)對刀盤進(jìn)行制動(dòng)作用。

3.系統(tǒng)的工作機(jī)理

刀盤的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)主要采用了雙擊減速傳動(dòng)裝置，首先第一級的減速器與液壓馬達(dá)進(jìn)行緊密連接，第二級減速裝置，通過17齒小齒輪的傳動(dòng)使得具有101齒的主軸承的大齒圈進(jìn)行工作。在這一過程中，主軸承的齒輪油需要配備齒輪油泵裝置和過濾裝置，以及熱交換級，這是為了實(shí)現(xiàn)對齒輪油起到過濾和冷卻的目的，提高工作效率。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的回路主要是容積調(diào)速回路裝置，其中主要包括了兩個(gè)工作狀態(tài)通過外空液壓的系統(tǒng)裝置進(jìn)行整體控制和調(diào)配，這主要是通過對室內(nèi)的輸入二位電磁閥信號(hào)的改變和控制來實(shí)現(xiàn)對油泵或者是馬達(dá)的傾斜角度的改變和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對3個(gè)刀盤驅(qū)動(dòng)供油液壓泵得到供油流量和驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的排量，最后實(shí)現(xiàn)對刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩的控制。其中當(dāng)進(jìn)行土壓平衡模式的過程中選擇第一種工作狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行敞開式掘進(jìn)模式就需要選擇第二種工作狀態(tài)。刀盤的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)為正反兩種方向轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速均為可控可調(diào)的模式，這樣可以保證盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行操作的過程中能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整以保證設(shè)備永遠(yuǎn)在最為適宜的環(huán)境下工作。事實(shí)上，當(dāng)選擇第一種工作狀態(tài)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速主要在0-2.7r/min，其中屬于連續(xù)可調(diào)的范圍，其最大的工作扭矩為4377kNm；系統(tǒng)的脫困扭矩大約為5350kNm。

當(dāng)進(jìn)行軟土挖掘的過程中可以選擇低速大扭矩的狀態(tài)進(jìn)行掘進(jìn)，這主要是由于低轉(zhuǎn)速可以減少刀盤與土層之間的土和石塊的摩擦阻力，降低對溫度的影響，避免因摩擦引起的溫度過高，進(jìn)而對刀具的內(nèi)部進(jìn)行造成不同程度的破壞或是影響主軸承密封性，同時(shí)，當(dāng)增大扭矩的過程中可以增大刀具的切削力，加大實(shí)用的切深度，從而實(shí)現(xiàn)提高工作效率。

刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩是通過主軸承的內(nèi)齒進(jìn)行傳遞扭矩到刀盤，其中主軸承利用大直徑的三排滾柱組合，加大了對徑向力和雙向軸向推力的承受能力。可以說主軸承和主軸承的密封性直接決定了盾構(gòu)機(jī)的效果。與此同時(shí)還需要注意潤滑系統(tǒng)的作用和功效，事實(shí)上，在主軸承上的泥沙和水等物質(zhì)會(huì)侵入主軸承的三個(gè)旋轉(zhuǎn)密封處，當(dāng)旋轉(zhuǎn)密封和金屬機(jī)體在使用的過程中，出現(xiàn)了明顯磨損泥沙，就會(huì)由于重力的作用而進(jìn)入主軸承，導(dǎo)致主軸承的銹蝕甚至損壞。此時(shí)潤滑系統(tǒng)的作用也就顯現(xiàn)出來，有效的對此問題進(jìn)行了控制和管理。

三、盾構(gòu)機(jī)刀盤控制系統(tǒng)的維護(hù)

要想對盾構(gòu)機(jī)的刀盤控制系統(tǒng)進(jìn)行正確的維護(hù)，就需要正確認(rèn)識(shí)到常見的故障和問題，并針對這些常見的問題進(jìn)行有針對性的維護(hù)。其中包括了：

1.沖程計(jì)數(shù)器出現(xiàn)故障

事實(shí)上，刀盤液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際的使用過程中，并不能夠?qū)?shí)際的沖程數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，這就會(huì)導(dǎo)致刀盤在工作中出現(xiàn)突然中斷工作，這主要是由于沖程計(jì)數(shù)器的安裝過程中一端是安裝在定量塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，定量塊的內(nèi)部充滿油脂，這就使得測試的靈敏度較低。同時(shí)當(dāng)沖程計(jì)數(shù)器出現(xiàn)問題時(shí)也會(huì)對控制系統(tǒng)造成一定程度上的誤導(dǎo)，控制系統(tǒng)將電磁通斷閥依舊設(shè)于通位，造成大量的油脂的流失浪費(fèi)現(xiàn)象。

當(dāng)出現(xiàn)上述問題時(shí)，就需要得到及時(shí)的處理和解決。當(dāng)工作人員在進(jìn)行掘進(jìn)的過程中需要在掘進(jìn)前后檢查油脂桶的情況，通過對油脂用量的分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)油脂量使用出現(xiàn)異常時(shí)就需要及時(shí)對沖程計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢查，或者當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀盤多次出現(xiàn)中斷工作得狀況時(shí)。就需要及時(shí)對沖程計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢查，當(dāng)問題較為嚴(yán)重時(shí)，就需要及時(shí)進(jìn)行更換處理，避免造成更大程度的浪費(fèi)和損耗。

2.缺乏壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)

隨著我國自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)都積極將自動(dòng)化技術(shù)融入到實(shí)際的工作之中，然而目前由于技術(shù)的限制，刀盤控制系統(tǒng)還沒能采用優(yōu)質(zhì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，而刀盤控制系統(tǒng)在工作的過程中油脂分配閥每一次進(jìn)行循環(huán)工作的時(shí)間主要是受到油脂提供的壓力的影響，當(dāng)泵送的油脂壓力較大時(shí)電磁閥通斷的一瞬間，定量塊內(nèi)的閥芯已經(jīng)進(jìn)行了多次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)先設(shè)定的預(yù)期值，造成了大面積的油脂浪費(fèi)。

面對這一問題，就需要有關(guān)的工作人員積極的將自動(dòng)化技術(shù)融入到該系統(tǒng)之中進(jìn)行工作，降低工作中出現(xiàn)的大面積的浪費(fèi)和損失，同時(shí)不斷推進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展。另外，在目前新技術(shù)尚不成熟的過程中，盾構(gòu)機(jī)的工作人員需要在進(jìn)行施工作業(yè)前就認(rèn)真的對油脂泵的供氣壓力進(jìn)行檢測，與此同時(shí)在油脂泵的輸出口增設(shè)溢流回路，對供油壓力進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理。

3.油脂污染引起的故障

事實(shí)上，在實(shí)際的施工作業(yè)的過程中盾構(gòu)機(jī)的工作人員在對油脂進(jìn)行更換的過程中往往不注意清潔工作，忽視清潔工作的主要性，這也就使得在更換的過程中引起少量的泥土等污染物進(jìn)行油脂桶內(nèi)，在進(jìn)行工作的過程中，油脂桶內(nèi)的細(xì)微顆粒隨著油脂泵的作業(yè)被傳送到分配閥的閥芯位置，造成了閥芯的堵塞，停止運(yùn)行，設(shè)備的潤滑機(jī)制出現(xiàn)問題。沖程計(jì)數(shù)器也就無法對沖程數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉，導(dǎo)致刀盤停止工作運(yùn)行。與此同時(shí)，當(dāng)缺乏對過濾器進(jìn)行及時(shí)的清洗時(shí)，就會(huì)使得過濾器的濾芯表面出現(xiàn)一部分黏性較高的油脂覆蓋，隨著油脂的積累壓力的增加，這些油脂會(huì)被攜帶到分配閥中，對油脂孔造成一定程度的堵塞，引發(fā)了機(jī)器故障。

針對上述問題，要想對此進(jìn)行解決和維護(hù)，就需要盾構(gòu)機(jī)的維護(hù)人員及時(shí)對過濾器進(jìn)行清理，同時(shí)在對油脂進(jìn)行更換的過程中保證整個(gè)過程的清潔無污染，降低對機(jī)器的威脅。當(dāng)閥芯出現(xiàn)了卡死的故障時(shí)，就需要將分配閥的任意一個(gè)輸出管進(jìn)行拆卸，通過手動(dòng)的方式開啟電磁通斷閥，加入該管口沒有油脂的輸出就需要將分配閥進(jìn)行整體的拆卸清洗。同時(shí)當(dāng)濾芯出現(xiàn)油脂覆蓋現(xiàn)象是，可以利用安裝在承壓隔板上的定量螺旋液壓泵驅(qū)動(dòng)的主齒輪箱中的潤滑油，潤滑主齒輪箱，同時(shí)水冷式的齒輪油冷卻器用來對齒輪油進(jìn)行冷卻，保證潤滑工作的順利進(jìn)行。

四、結(jié)語

事實(shí)上，盾構(gòu)法作為一種集各種操作技術(shù)于一體的綜合性施工技術(shù)，具有明顯的高風(fēng)險(xiǎn)高投入高技術(shù)等特點(diǎn)。刀盤控制系統(tǒng)作為盾構(gòu)法中主要的環(huán)節(jié)，需要得到有效的提升和保證，實(shí)現(xiàn)對我國隧道開發(fā)的推動(dòng)和促進(jìn)。

［1］蔡啟仲，湯堯，吳玉鵬.盾構(gòu)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)控制研究［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22.

［2］吳啟誼.海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤電液控制系統(tǒng)分析［J］.流體傳動(dòng)與控制，2009，4.