液压系统在盾构机上的应用研究

张旺++初广栋

摘 要：本文讨论了盾构机液压系统的工作原理以及液压推进系统在盾构机上的应用，液压系统作为盾构系统的动力源，其运转正常与否对盾构推进施工影响极大。

关键词：盾构机；液压推进系统；影响因素

对于盾构机液压推进系统，可通过对实际系统中的液压缸无杆腔活塞面积大小、液压缸进油腔的体积大小、活塞及负载折算到活塞上的总质量大小、有效体积弹性模量、流量增益系数、活塞机负载的粘性阻尼系数等进行设计参数优化来提高系统的稳定性、响应频率、以及幅频与相频特性。其中，通过减小调速阀的流量增益系数，增大液压缸无杆腔活塞面积、液压固有频率、液压阻尼比等，系统的稳定性将得到提高。系统工作时，阻尼比变化过大，系统的稳定性将变差，因此，实际设计过程中阻尼比值需要尽量稍大些且恒定。

一、盾构机液压系统的工作原理

盾构机的绝大部分工作机构主要由液压系统驱动来完成，液压系统可以说是盾构机的心脏，起着非常重要的作用。这些系统按其机构的工作性质可分为：盾构机液压推进及铰接系统、刀盘切割旋转液压系统、管片拼装机液压系统、管片小车及辅助液压系统、螺旋输送机液压系统、液压油主油箱及冷却过滤系统、同步注浆泵液压系统、超挖刀液压系统。以上8个系统除同步注浆泵液压系统在1号拖车、超挖刀液压系统在盾壳前体为两个独立的系统外，其余6个液压系统都共用一个油箱，并安装在2号拖车上组成一个液压泵站。有的系统还相互有联系。盾构机液压推进系统由液压泵站，调速、调压机构，换向控制阀组及推进油缸组成，32个油缸分16组均布的安装在盾构中体内圆壁上，并分为上、下、左、右四个可调整液压压力的区域，为盾构机前进提供推进力、推进速度，通过调整四个区域的压力差来实现盾构机的转弯调向及纠偏功能。铰接系统的主要作用是减小盾构机转弯或纠偏时的曲率半径上的直线段，从而减少盾尾与管片、盾体与围岩间的摩擦阻力。

二、液压推进系统在盾构机上的应用

（一）推进及铰接系统

盾构机的前进动力来自推进液压系统中推进油缸的工作，推进油缸是推进系统中的最终执行部件。在推进系统中，系统的工作顺序为：首先启动液压泵站的电机，带动液压泵工作，液压泵泵送出动力液压油，动力液压油经管路传输到推进油缸的控制阀组，液压油在阀组的控制下进入推进油缸的有杆腔或无杆腔，从而实现油缸的伸缩；在油缸收缩时，液压油同样需要通过控制阀组的控制经控制阀组和管路流回安装在二号拖车上的油箱。推进系统的液压油供给泵位于盾构机二号拖车上，在一个55kW的电机带动下工作；控制阀组位于盾构机的中体内，每组油缸都对应有相应的控制阀，每组油缸在控制阀的控制下都可以单独工作。

（二）注浆系统及管片移运系统

注浆系统主要由4个柱塞泵完成泵送出砂浆的工作，过滤后的液压油经两个节流分流阀分流，在液压阀件的控制下液压油进入油缸形成进油和回油回路，促使油缸完成伸缩动作。在管片移运系统回路中，油液经过单向阀、溢流阀和调速阀后流入油缸，其中单向阀对油液的流向进行控制，确保单方向形成回路，有效预防油缸非正常回缩；溢流阀在油压过大时溢流减压；调速阀对油液的流速进行控制。

（三）控制油路液压系统及螺旋输送机液压系统

控制油路主要用来控制螺旋输送机液压泵站的液控换向阀，通过油路与蓄能器相连来缓冲驱动马达制动时产生的冲击，油路中布置有电磁阀和溢流阀，当油路油压过大时，进行溢流泄压；另外通过手动阀、溢流阀对驱动马达油路油压过大时进行溢流减压。系统回路的泵站控制阀与控制油路连接，在启动泵站工作前首先应启动控制油路开始工作，然后启动系统供油泵站工作泵送出高压液压油，油液经管路传输至螺旋机驱动马达，与驱动马达连接的还有补油泵，当驱动马达工作油压不足时，补油泵输出油液进行油液补充，以确保马达的正常工作。所有的电气控制部分都在主控室完成，操作伸缩按钮接通电磁阀工作，从而使油路畅通，完成各油缸的伸缩。

（四）推进油缸的选型和配置

盾构在土层中掘进，主要是靠安装在支承环内的推进机构完成的。推进机构主要由液压油缸（千斤顶）和相关液压设备构成，以衬砌管片为支承座。由于盾构内部空间狭窄，安装条件恶劣以及盾构工作情况和其他机械不同，要求液压油缸体积小、质量轻、结构简单、同步性能好，便于安装和布置，有必要的防护装置，避免灰尘、泥水、砂浆混入油内或千斤顶内。推进油缸沿圆周对称均匀分布，根据盾构设备在掘进中推力的需要和管片拼装的要求进行布置。每个油缸的推力和数量应根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定。一般情况下推进油缸可以分为4组，4个缸组同时动作，且推进油缸轴线平行于盾构轴线，盾构直线前进。如果按照规定分别动作，就可获得盾构的调向动作。各液压油缸内的液压油压能够在0%～100%的系统压力范围变化，最大安全压力为35MPa。特殊设计的液压油缸油缸杆缩回速度比伸出速度快，使油缸杆能快速收回。

三、结束语

盾构机液压推进系统根据各种施工地层土质情况及其水土压力的变化情况，克服盾构推进过程中遇到的各种障碍与阻力，完成盾构的转弯、姿态与偏差控制以及同步运动，最终按照事先设定好的推进路线前进，是盾构机的一个关键系统。国内生产的盾构机推进系统大多存在着对土层地质条件的适应能力差，推进系统的推进速度及稳定性不能得到有效保证等问题。

参考文献：

[1]杨华勇.盾构模拟试验平台液压推进系统设计[J].机床与液压，2014.

[2]刘友元.提高我国掘进机月平均进尺的探讨[J].科技与企业，2015.