超大直径盾构破碎机液压系统瞬变流分析与改善

詹晨菲，李太运，罗恒星，丁银亭

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016)

0 前言

当前，世界社会经济飞速发展，大都市内部、城市群、地区中心城市之间逐渐互相联通，大盾构建设需求量剧增。超大直径泥水盾构施工在自动化作业、环境保护、地表沉降控制、施工效率和安全性等方面具有独特优势，是当前世界上越江跨海隧道建设中主要的施工装备，也是“中国制造2025”纲要中重点支持的高端智能装备。

破碎机(图1)作为大直径泥水盾构的关键部件，其性能的好坏直接决定大直径盾构机的掘进效率。泥水盾构破碎机的主要功能是将进入气垫舱内、无法经格栅直接排出的大粒径岩石进行及时破碎，经排浆系统排出洞外；破碎机在气垫仓底部搅拌，防止底部积渣导致堵仓。动作过程如图2所示。

图1 盾构破碎机示意

图2 破碎机动作过程示意

液压系统管道内介质流速的突变，会带来巨大的瞬态压力变化，从而导致管道内压力大幅度降低或提高，形成“水锤”效应，在超大流量系统中损害尤其严重。瞬变流不仅影响系统正常工作，降低系统性能，压力脉动还会诱发管路剧烈振动，降低管路和液压部件的寿命；严重时会导致管壁破裂、管路失效、液压油泄漏，甚至引起严重的故障。

权凌霄、桑勇、李艳华等对管路流固耦合振动进行了研究。周知进、徐鉴等人对流体管路的动力学特性进行了研究。张开顺等对盾构液压系统的冲击进行了研究。相关的研究已较多，但是明显具有针对性和局限性，对于超大流量管路的研究还很少。因此研究破碎机液压系统瞬变流的形成原因及预防措施，对于现有超大直径泥水盾构破碎机液压系统的稳定性和可靠性非常重要，同时对于超大型工程装备液压系统的设计具有重要的指导意义。

本文作者对汕头海湾隧道15.03 m大直径泥水盾构项目设计和使用过程中破碎机液压系统大流量瞬变流的产生和危害进行分析，优化系统的设计，对大流量瞬变流的安全隐患进行提前预防。

1 大直径盾构破碎机液压系统分析

图3为大直径盾构破碎机的液压控制原理，泵源采用力士乐A4VSO250LR2G高压工业泵，工作压力可以达到35 MPa，在使用时采用两级压力控制，可以实现无负载时低压运行，当系统检测到有负载时，可以自动切换至高压模式实现破碎机的高压破碎功能。考虑到大直径盾构破碎机油缸尺寸较大，要实现油缸的快速运动功能，液压系统的流量需求较大，因此选用二通插装阀控制破碎机油缸往复运动。

图3 破碎机液压控制原理

2 故障现象及分析

2.1 故障现象

在某项目使用过程中破碎机回油管路多次出现吸扁、裂纹甚至损坏，主要出现在盾体主回油管路上。

在破碎机油缸动作过程中，破碎机控制阀块回油管路出现被吸扁的现象，如图4所示，并且在破碎机频繁的动作下，管路反复吸扁后内胶层出现疲劳破损。

图4 管路吸扁现象

2.2 故障分析

经测量，破碎机回油管路最大峰值压力为13.5×10Pa，因此管路损伤不是压力过高造成的。

考虑到破碎机油缸尺寸较大，油缸动作速度较快，回油总流量最高能达到1 500 L/min。因此破碎机油缸伸出或回收到停止点时，油缸突然停止，管道内介质流速的突然变化，带来巨大的瞬态压力变化，从而导致管道内压力大幅度降低，震荡由停止点开始在管道内传递，形成“负水锤”效应。管路吸扁是由于管路内的压力下降至负压，由于管壁对外接力的支撑作用较弱，管路在外界大气压作用下被压扁。

大直径破碎机由于动作频率较高，在掘进的过程中破碎机油缸的快速往复运动在管路内造成局部负压，在反复正负压力的交变下，破碎机回油管路发生破裂，如图5所示。

图5 破碎机管路破碎

2.3 实验研究

用液压万用表，在工厂测试破碎机回油管路的瞬变流情况，如图6、图7所示。

图6 正压传感器的测量数据

图7 负压传感器的测量数据

从图6可看出：破碎机回油的最大压力波峰为10.5×10Pa，小腔回油压力约1.5×10Pa，大腔回油压力约为7×10Pa。

从图7可以得到：最大的波峰压力为-0.83×10Pa，油缸伸出停止瞬间负压为-0.41×10Pa，油缸回收停止瞬间负压力为-0.83×10Pa。负压出现在破碎机油缸回收完停止的瞬间或伸出完停止的瞬间，验证了故障分析中得到的“负水锤”效应。

3 液压管路瞬变流的预防措施

通过分析瞬变流水锤的原因，可以从改变管路负压承压能力、减小负水锤波谷幅值、提高波谷数值等方面，来改善管路的吸扁现象；从改变管路强度、减小负水锤波谷幅值、减小管路交替震荡的响应压力幅值等方面来改善管路的破损。综合考虑后制定了以下3个措施。

3.1 更换回油软管材质

液压软管更换为四层钢丝编织的高压液压软管，承压能力更强。

虽然更换承压能力更强的软管后，管路承受负压的能力增强，吸扁现象有所改善，但是瞬时负压和动量变化给系统带来的危害仍然存在。

3.2 增加回油单向阀

增加回油单向阀，如图8所示，从而减小负压峰值数值，降低管路内外压差对管路的作用力。

图8 增加单向阀

现场增加0.35×10Pa单向阀后，采用液压万用表对管路的正压力和负压力进行测试。图9正压力传感器总回油压力测试数据，图10为负压力传感器的测试数据。

图9 加单向阀后总回油压力(正压力传感器)

图10 加单向阀后总回油压力(负压力传感器)

从图9可以得到：破碎机回油的最大压力波峰为13.5×10Pa，小腔回油压力约2×10Pa，大腔回油压力约为5×10Pa。

从图10可以得到：破碎机油缸伸出到停止位的负压为-0.1×10Pa，油缸回收到停止位的负压力为-0.57×10Pa。负压最大波峰从-0.83×10Pa降为-0.57×10Pa。

对比图6、图7可以得出：加装单向阀消除了约0.26×10Pa的负压峰值幅值，可以在一定程度上缓解管路吸扁的现象。瞬变流造成的最大正向压力冲击峰值也增大了3×10Pa，而且压力变化引起的压力最大幅值差值并没有减小，反而有所增大。

3.3 在回油管路增加蓄能器平衡“负水锤”效应

在回油管路增加蓄能器用于消除“负水锤”效应。安装蓄能器主要起到吸收瞬变流压力冲击、消除回油管路压力波峰幅值的作用。

根据现场情况，多为1.5～2 m的管路在“水锤”效应的作用下被吸扁。根据仿真和实验结果，计算出需要加装的蓄能器在0.5 s内有效供油量约为9.07 L，因此选用35 L的蓄能器，充氮压力为0.5×10Pa，可提供最大的供油量为18 L。

增加蓄能器后，现场采用液压万用表对管路的瞬变流响应情况进行测试。测试结果如图11、图12所示。

图11 加蓄能器后总回油压力(正压力传感器)

图12 加蓄能器后总回油压力(负压力传感器)

从图11可以得到：破碎机回油的最大压力波峰为9×10Pa，小腔回油压力约2×10Pa，大腔回油压力约为4×10Pa。

从图12可以得到：破碎机负压最大波峰为-0.3×10Pa，油缸伸出到停止位瞬间最大压为0.2×10Pa，油缸回收到停止位瞬间产生负压力为-0.3×10Pa，持续时间0.3 s，其他基本都为0以上的正压力。负压最大波峰从-0.83×10Pa降为-0.3×10Pa。

对比图6、图7可以得出：加装蓄能器消除了约0.53×10Pa的负压峰值幅值，可以大部分缓解管路吸扁的现象。瞬变流造成的最大正向压力冲击峰值也减小了1.5×10Pa。而且压力变化引起的最大幅值差值也从11.33×10Pa减小到9.3×10Pa，减小了约2×10Pa。

通过上述分析，采取以上所列第3种办法，经过现场测试，观察回油软管没有再出现被吸扁的现象，问题得到有效解决。

4 结论

(1)大尺寸执行机构快速动作，例如油缸伸出或回收时，由于瞬时流量较大，执行机构突然动作或停止时，管道内介质流速的突然变化，会带来巨大的瞬态压力变化，从而导致管道内压力大幅度降低或提高，震荡由停止点开始在管道内传递，形成“水锤”效应。

(2)针对执行机构突然停止的“负水锤”效应，在回油管路加装单向阀，可以减小负压峰值幅值，在一定程度上缓解管路负压。但是瞬变流造成的最大正向压力冲击峰值也随之增大，而且压力最大幅值差值并没有减小。

(3)针对执行机构突然停止的“负水锤”效应，在回油管路加装蓄能器，可以减小管路中负压峰值幅值，能有效缓解管路被吸扁的现象。瞬变流造成的最大正向压力冲击峰值也随之减小，而且压力变化引起的最大幅值差值也有一定程度减小。在对控制要求不高的场合，增加蓄能器是3种方法中最有效解决管路瞬变流带来影响的办法。