淺談盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的油液污染及相關(guān)典型事例分析

李華飛++張中征

【摘 要】盾構(gòu)機(jī)在大型隧道、城市地下軌道交通等施工中占據(jù)著越來越舉足輕重的作用，其液壓系統(tǒng)相當(dāng)于人的心臟、血液和肌肉組織，是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分。本文對盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染的主要形式和通常危害進(jìn)行了闡述，并對盾構(gòu)機(jī)施工過程中液壓系統(tǒng)所遇到的典型故障事例進(jìn)行了相應(yīng)的介紹與分析，對盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場施工和設(shè)備的科學(xué)維護(hù)有一定指導(dǎo)借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】污染 盾構(gòu)機(jī) 液壓系統(tǒng) 故障

隨著國內(nèi)外地下軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展和隧道工程項(xiàng)目的大量上馬，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用變得越來越普遍。大量盾構(gòu)機(jī)的投入使用給工程施工帶來了巨大方便的同時(shí)，其復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)維護(hù)也給現(xiàn)場施工帶來諸多難題。在現(xiàn)場施工中，機(jī)器往往會(huì)因?yàn)檫@樣或是那樣的故障而不得不被迫停機(jī)維護(hù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在盾構(gòu)機(jī)施工現(xiàn)場遇到的大多數(shù)停機(jī)故障中電氣故障所占比重最多，大約占75%；液壓問題約20%；剩下的就是機(jī)械問題。雖然電氣故障頻發(fā)，但解決起來一般都相對費(fèi)時(shí)較短。而液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題一般現(xiàn)場解決起來都非常麻煩，往往會(huì)造成長時(shí)間的停機(jī)。探究其本質(zhì)原因基本都是液壓系統(tǒng)中油品污染直接或間接所致。本文主要就盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的油品控制及一些相關(guān)典型問題的處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行闡述。

盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)一般包括下面幾部分：推進(jìn)及鉸接系統(tǒng)、拼裝機(jī)系統(tǒng)、螺旋機(jī)及輔助系統(tǒng)、砂漿動(dòng)力系統(tǒng)、撐緊及支撐系統(tǒng)和刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。由于施工環(huán)境惡劣、人為操作不當(dāng)?shù)仍颍簤河鸵菏艿轿廴荆?dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至停機(jī)，影響施工的正常進(jìn)行，所以研究盾構(gòu)機(jī)油液污染控制很有實(shí)際意義。

1 污染物來源

液壓系統(tǒng)的污染是指液壓油中出現(xiàn)了對系統(tǒng)的可靠性和元件壽命有害的物質(zhì)和化學(xué)成分。對于盾構(gòu)機(jī)而言，污染物有外界侵入的污染物、系統(tǒng)內(nèi)殘留的污染物和系統(tǒng)生成的污染物3種。

1.1 外界侵入污染物

液壓系統(tǒng)在工作過程中經(jīng)常會(huì)受到外界污染物的侵入，由于盾構(gòu)機(jī)工作在地下，施工環(huán)境差，有時(shí)施工地層中還含有豐富的水份和顆粒，設(shè)備在施工過程中難免要更換一線易損件，如濾芯、損壞的閥件、損壞的管路等，操作過程中由于工人經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場條件限制，清潔工作往往無法保障，致使液壓系統(tǒng)混如顆粒物。所以顆粒侵入是主要的污染來源之一。

1.2 系統(tǒng)內(nèi)殘留的污染物

液壓系統(tǒng)及元件在加工、裝配、儲(chǔ)運(yùn)中將污染物混入系統(tǒng)中，沒有得到及時(shí)有效的清理，如金屬切屑、焊渣、固體顆粒塵埃及清洗溶劑等。

1.3 系統(tǒng)生成的污染物

液壓系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)副相互摩擦產(chǎn)生的磨屑以及內(nèi)表面銹蝕產(chǎn)生的銹片。據(jù)統(tǒng)計(jì)液壓系統(tǒng)故障有70%～80%是由液壓油污染造成的，而且事后維修發(fā)現(xiàn)由于油液中含有顆粒，導(dǎo)致各液壓元件摩擦加劇，從而引起各部件工作不正常，因此檢測液壓油的清潔度（污染度）顯得很有必要。

2 油液污染的危害

固體顆粒污染物的主要危害如下：容易卡住液壓閥芯，使液壓閥動(dòng)作失靈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停機(jī)；易使過濾器堵塞，導(dǎo)致泵吸油困難而吸入空氣，使液壓泵發(fā)熱，產(chǎn)生噪聲，堵塞嚴(yán)重時(shí)因阻力大會(huì)將濾網(wǎng)擊穿；污染物進(jìn)入液壓泵會(huì)堵塞泄漏通道、造成密封圈甚至壓蓋在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被沖出，加速液壓泵的磨損，導(dǎo)致內(nèi)泄漏加劇，降低液壓泵的容積效率，縮短元件壽命，并導(dǎo)致執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)減慢；其產(chǎn)生的磨料磨損會(huì)加劇液壓油的污染，造成液壓泵、油馬達(dá)、油缸、液壓閥的大面積過早磨損，以致失效。

3 具體故障事例及原因分析

3.1 油液污染顆粒導(dǎo)致油缸內(nèi)泄漏

遼西北引水工程施工的TBM推進(jìn)系統(tǒng)壓力經(jīng)常出現(xiàn)加不去壓力的現(xiàn)象，正常推進(jìn)壓力在300bar左右、卻只能加壓的90bar左右，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是推進(jìn)油缸活內(nèi)泄漏所致。對推進(jìn)油缸進(jìn)行拆卸檢查，附著在活塞表面及缸桶內(nèi)壁的固體顆粒清晰可見，活塞外表面（見圖3.1和圖3.2）與缸桶內(nèi)壁（見圖3.3）均有磨損（大概為1/3圓周，為實(shí)際安裝空間的下方），活塞上的格萊圈有不同程度的磨損缺陷，并且全部龜縮在鑲銅表面下方，失去了密封作用。

分析其磨損機(jī)理如下：工作中先是油液混進(jìn)固體小顆粒，在活塞與缸桶內(nèi)表面的相對運(yùn)動(dòng)中磨壞了格萊圈，格萊圈出現(xiàn)小的凹坑后，造成局部泄漏，進(jìn)而形成局部高溫（超過80℃），導(dǎo)致格萊圈下方的丁青橡膠密封圈在局部高溫中失效，并失去彈性不能對格萊圈提供向上的彈性支持，從而導(dǎo)致活塞處密封的失效并造成內(nèi)泄。

3.2 油液污染顆粒致使液壓柱塞泵嚴(yán)重壞

在沈陽某型盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)兩臺(tái)閉式液壓泵擺盤能擺動(dòng)，該系統(tǒng)由兩臺(tái)力士樂公司生產(chǎn)的A4CSG500排量閉式泵并聯(lián)驅(qū)動(dòng)6臺(tái)林德液壓馬達(dá)。現(xiàn)場測量系統(tǒng)補(bǔ)油壓力20bar及控制壓力18bar均屬正常，但是強(qiáng)制動(dòng)作泵頭比例閥芯后控制壓力油不足以推動(dòng)變量活塞動(dòng)作，主泵沒有流量輸出，經(jīng)過對主泵變量活塞兩個(gè)測量油堵更換測壓接頭后對其進(jìn)行壓力測試發(fā)現(xiàn)其在比例滑閥在中位時(shí)，變量活塞缸大小腔體一個(gè)有壓力一個(gè)無壓力，與原理不符，分析可能是兩腔之間有阻尼孔發(fā)生阻塞所致。現(xiàn)場拆解泵的后端蓋發(fā)現(xiàn)后方內(nèi)捏合補(bǔ)油泵齒輪幾乎徹底打碎（見圖3.4，圖3.5），并從內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有大量鐵屑。

在東莞地鐵施工的某型土壓設(shè)備，刀盤驅(qū)動(dòng)是有三組液壓泵和馬達(dá)構(gòu)成的閉式系統(tǒng)。在施工中聽見液壓泵傳出異常響聲。對柱塞泵隨后進(jìn)行停機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部滑靴全部脫落，磨損十分嚴(yán)重。原因分析：液壓泵內(nèi)部阻尼孔被油液中的污染物堵死，滑靴接觸表面不能形成靜壓油膜，以至于發(fā)生兩金屬表面的直接高速摩擦磨損，最終該泵報(bào)廢。

3.3 液壓馬達(dá)活塞損壞

在北京施工的某土壓設(shè)備，螺旋機(jī)液壓系統(tǒng)壓力只能加壓到60bar左右，螺旋沒動(dòng)作，經(jīng)過對相關(guān)可能的電氣元件及液壓泵的問題排除，最后對液壓柱塞馬達(dá)進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)其活塞嚴(yán)重磨損，并發(fā)現(xiàn)很多鐵削，液壓油中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重乳化，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)在熱交換器處隧道循環(huán)水與液壓油發(fā)生混合，污染物侵入并致使后來油液發(fā)生嚴(yán)重乳化。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)的油液污染給整個(gè)系統(tǒng)的正常使用造成了極其嚴(yán)重的危害，在盾構(gòu)機(jī)行業(yè)尤其突出。所以，在盾構(gòu)施工中，如何制定行之有效而又科學(xué)合理的防污染措施變得尤為重要。這樣不僅可以減少因故停機(jī)，保證工期進(jìn)度，也能很好地節(jié)約成本。

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