盾构机刀盘驱动液压系统设计探索

张竞争

摘 要：文章主要分析了盾构机刀盘驱动液压系统的设计要求，阐述其具体的工作设计原理及特点。针对目前盾构机刀盘驱动液压系统存在的问题，设计出结构相对更加简单、性能更加优越的盾构机刀盘驱动液压系统。

关键词：盾构机；刀盘驱动；液压系统；设计

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，其专业从事工程隧道的挖掘工作，具有挖掘效率高、施工影响小、高质量的安全性能以及对于周边环境的影响小等特点。目前我国在这一大型工程设备的设计制造工作仍然处于起步阶段，因此进行相关的科学技术研究对于打破国外的技术垄断，推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变具有十分重要的意义。据此文章将针对盾构机刀盘驱动液压系统的设计展开相关的探索，具体的设计思路及过程详见下文。

1 盾构刀盘的驱动方式

在盾构机的组成部件中，刀盘是掘进工作的主要工作机构，对于盾构机而言是核心工作部分。对于盾构机中的刀盘来说，其具体的作用有：隧道岩土破碎切削功能、固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。刀盘的驱动方式能够实现效率高、范围广的要求，同时刀盘的推进速度也会随着具体掌子面的实际地质情况而有所变化，例如在针对硬岩层与软土层所用到的动力及刀盘运转速度会有巨大的差别。

在目前盾构刀盘的主流驱动方式中，主要有变频电机驱动及液压驱动。变频电机驱动主要存在以下特点，适应不同工况条件下的频繁变速；采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值；在一定程度上能够节省能耗。而文章主要探讨、设计的是刀盘的液压驱动方式，其主要的构成部件有液压泵、阀组、液压管路、液压驱动马达、减速缓冲部件、大小规格不一的齿轮、主轴承以及相应的密封件构成，通过液压马达所提供的动力来带动刀盘的运转，刀盘的旋转速度由液压马达及其相应动力传动装置来进行调节控制，液压驱动刀盘的盾构机具有环境适应性强、维护修理较为简便和结构可靠、刀盘旋转速度易掌控并且具有过载保护的能力。

2 刀盘驱动液压系统原理设计

刀盘驱动液压系统原理设计如图1所示。液压驱动系统的设计一般为开放回路，能够普遍适应以下两类施工工况：即软土地层，一般采用增大刀盘旋转速度降低刀盘扭矩的方案；而硬岩地层下的施工工况，一般采用降低刀盘旋转速度加大刀盘扭矩的方案。此两类工况下的施工转换能够使用电磁换向阀5.3来完成，若电磁铁C出现失电情况时，可通过设置溢流阀5.1来确保液压驱动系统的最大压力，此刻，将液压驱动系统的压力值调整到25MPa，刀盘的扭矩就会增大，而因为液压动力不足，刀盘的实际旋转速度就会降低。对于液压系统的刀盘旋转速度而言，只需调节液压变量泵6的压力即可完成对于刀盘旋转速度的实际控制，对于液压系统的动力来源马达而言，通过对于压力传感器3的调节控制，即可完成测量进油口压力的工作，将测得到的进油口压力通过信息系统的计算处理之后，将其运用到液压变量泵6的比例阀之上，最终形成对于刀盘旋转速度的整体内部系统控制。

通过对于变量调节机构的控制，实现了变量泵能够在整个刀盘液压系统中进行无级调节，并且能够通过比例电磁阀，形成对电流大小的调节；恒功率的系统功率控制要在变量调节控制之前，即为若刀盘转动速度的实际需求未达到相应的功率标准，则实际排量将会受到电流的调节影响，若刀盘转动速度的实际需求达到或超出相应的功率标准，则恒功率控制就会替换相应的电子控制变量，且依据恒功率来缩小相应的排量标准。刀盘液压系统的驱动马达1正反方向的转向控制，需要通过换向阀4调节，电磁铁B1得电，刀盘液压系统的驱动马达即实现正向旋转，电磁铁B2得电，刀盘液压系统的驱动马达即实现反转，通过单向阀8实现对于进油口压力的最低控制，此阀门的启动压力值一般为0.80MPa。

3 阀块组及液压站设计

3.1 插装阀块的设计

插装阀块主要是通过运用先导元件、底座盖板、插装元件组成的逻辑控制阀。插装阀块具有结构简便、防御污化能力强、操作简易、通流量大、结构稳固、密封性能强等特点，尤其适合于大型液压系统的集成化。此次涉及的刀盘液压系统的压力控制阀，通过安装的插装阀5来进行安全保障，其中包含了2个压力控制阀，以及1个方向换向阀，从而能够满足盾构掘进中的两类施工工况。

3.2 液压泵站设计

在盾构机的机体内，液压泵站一般设计在其拖车一侧，因此也就决定了液压泵站的整体构建、分列为长串排列式，即液压泵和驱动电机在前部位置，液压油箱在后部。由于盾构机的拖车节长一般为8m左右，因此使液压油箱受到了一定的局限性。一般情况下，液压系统的消耗较大，其需要散发的热量也较大。

散发的热量功率为：

其中 NzE-主驱动电机的输出功率

？浊mm-马达的机械效率

？浊mv-马达的容积效率

？浊zpm-主驱动泵的机械效率

？浊zpv-主驱动泵的容积效率

4 结束语

文章主要通过对于盾构机刀盘驱动液压系统设计的探索研究，分析了目前盾构刀盘的主要驱动方式有变频电机驱动及液压驱动，阐述了此两种方式各自的优点。文中主要进行了对于刀盘驱动液压系统原理设计探索，以及阀组及液压泵站设计，经过试验结果发现，盾构机在掘进过程中推进了一环（1.5m）时，冷却系统未启动，整机系统的温度仅仅升高了9℃，此项试验结果显示该系统能量损耗较低。采用此类的配比变量泵能够有效的调节液压驱动系统马达。

参考文献

[1]林军，刘强.盾构机刀盘控制系统的机理与维护[J].机床与液压，2009（5）.

[2]张魏友，黄晓华.基于AMESIM的EPB盾构刀盘液压驱动系统的仿真研究[J].机械制造与自动化，2013（4）.

[3]贾要伟.海瑞克盾构刀盘驱动液压系统故障分析及处理[J].隧道建设，2010，（3）.