盾构刀盘驱动液压系统研究及故障诊断

2023-02-24吴朝来WUChaolai

建筑机械化 2023年1期

吴朝来/WU Chao-lai

（中铁隧道集团有限公司设备检测中心，河南洛阳 471009）

盾构是地下空间开发的主要施工机械，在我国的城市地铁、过江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程项目中得到了广泛的应用。盾构主驱动系统及液压系统是盾构的核心部件，它们的性能直接影响着整个盾构的性能状态。

随着盾构“老龄化”的不断加剧，液压系统的稳定性、可靠性是设备管理人员关注的重点，因盾构在掘进过程中具有大功率、大扭矩及强冲击等特点，给老旧盾构的液压系统带来了较大考验。为此，很多业内专家、学者对盾构主驱动液压系统进行了分析，如何诊断液压系统故障进行研究，文献[1]～[3]主要介绍如何采用仿真技术、VW-PCA、PCA 和SVM 等技术对主驱动液压系统及故障诊断进行了研究分析，文献[4]～[7]简单对盾构刀盘驱动液压系统原理做了分析。本文对盾构主驱动液压系统主要参数选择、主驱动液压系统原理进行分析，对如何分析、处理故障进行了详细的阐述，为后续盾构使用过程中更好、更快解决现场液压故障提供帮助。

盾构刀盘驱动方式主要有电机驱动和液压马达驱动两种，其中电机驱动方式根据电机控制形式分为单速、双速及变频电机驱动等；液压驱动方式根据液压回路形式分为开式系统和闭式系统，两种驱动方式各有优缺点，根据不同工况选择不同的驱动方式。

1 刀盘液压驱动系统主要配置选择

盾构刀盘液压驱动系统的配置主要根据实际情况，满足地质的不同需求确定刀盘转速，而刀盘转速由液压马达输出转速确定，马达输出转速由刀盘最大驱动转速、齿轮齿圈速比和减速机速比确定。

马达的输出转速为

式中nm——马达的输出转速；nd——刀盘最大驱动转速；ic——齿轮齿圈速比；ij——减速机的速比。

液压马达的转速由提供给马达液压油流量决定，马达需要的输入流量为

式中Vm2——马达的半排量（高转速排量）；qm——马达需要的总输入流量；ηmv——马达的容积效率。

液压马达输入流量由液压泵的排量决定，泵需要输出的最大排量为

式中Vp——泵的排量；

n——电机转速；

ηpv——泵的容积效率；

mb——泵的数量；

mm——马达的数量。

根据常规盾构设计，假定设计nd=3.15rpm，ic=7.44，ij=54.44。根据式（1）～式（3）可知，需要3 台750mL/r 液压泵带动9 台排量500mL/r液压马达能够满足使用需求。

2 盾构刀盘驱动液压系统分析

2.1 刀盘驱动液压系统原理分析

盾构刀盘驱动液压系统为闭式系统，工作模式分为安全模式和脱困模式，在安全模式下，刀盘可实现高低速切换、转速无级调节、恒功率控制、负载反馈调节，利于盾构在掘进过程中刀盘的转速控制和扭矩控制，在脱困模式下，刀盘可在短时间内获得较大扭矩从而克服负载实现脱困。

2.2 驱动泵控制原理分析

刀盘驱动液压系统由3 台A4VSG750HD1/22R 型斜盘式轴向柱塞泵提供动力，每台柱塞泵额定排量为750mL/r，由额定功率为315kW 的电机进行驱动，其原理图如图1 所示，需要SNS 940ER46U12.1-W2 型外置补油泵通过补油口补充液压油，同时需要A10VO28DFLR/31R 型外置控制泵通过刀盘驱动系统控制阀（原理图如图2 所示）提供压力可控的控制油，从而实现刀盘旋向调节、转速无级调节、恒功率控制及安全模式与脱困模式切换功能。

图1 刀盘驱动泵液压原理图

图2 刀盘驱动系统控制阀液压原理图

2.2.1 刀盘旋向调节

盾构刀盘正转时，V9 电磁换向阀右位得电，顺时针调节刀盘转速电位计时，V13 比例溢流阀升压，X1 口控制压力上升，V10 伺服阀右位工作，外置补油泵的压力油通过V3/V4 单向阀进入C1伺服缸有杆腔，C1 伺服缸无杆腔与油箱相通，C1 伺服缸活塞杆右移，刀盘驱动泵A 口输出液压油。刀盘反转时，控制阀的工作原理一致。

2.2.2 刀盘转速无级调节

在恒压模式下，刀盘转速的无级调节是通过V13 比例溢流阀的压力调节实现的，V13 比例溢流阀控制主驱动泵P1口的控制油压力，随着P1口压力的变化，V10 伺服阀产生相应的位移，从而C1伺服缸活塞杆产生相应的位移，主驱动泵的排量产生相应的变化，实现刀盘转速的无级调节。

2.2.3 刀盘恒功率控制

刀盘泵高压侧的压力油及刀盘马达的压力油通过PHD1 口及PHD2 口作用于V15 恒功率阀的PHD 腔，当PHD 腔压力超过160bar，V15 大弹簧开始压缩，先导弹簧（小弹簧）弹力降低，溢流阀设定压力降低，PST 口压力下降，从而导致P1 口压力降低，刀盘驱动泵排量降低，刀盘转速降低，从而实现刀盘的恒功率控制，恒功率模式下，刀盘泵P-Q曲线如图3 所示（电机转速设置为1000rpm）。

图3 刀盘驱动泵的P-Q曲线

2.2.4 安全模式与恒功率模式切换

安全模式下，刀盘驱动泵或马达高压反馈油作用在V16 顺序阀PHD 口的压力超过V16 顺序阀的设置压力（250bar），V16 顺序阀开启，P1口压力受V17 溢流阀限制，最大压力为V17 设置压力12bar，刀盘驱动泵有极小的流量输出。

脱困模式下，V20 手动换向阀左位工作时，刀盘驱动泵和马达的高压反馈油作用在V18 顺序阀的PHD 口，当压力超过V18 顺序阀的设置压力（280bar），此时单台马达能够为刀盘提供2.23kNm 的扭矩，详见式（4）；V18 顺序阀开启，P1 口压力受V19 溢流阀限制，最大压力为V19溢流阀设置压力12bar，刀盘驱动泵有极小的流量输出，达到短时间提高刀盘输出扭矩的目的。刀盘转速扭矩曲线如图4 所示。

图4 刀盘转速扭矩曲线

单马达的脱困扭矩为

式中 Δp——马达进出口压差，脱困模式下马达高压侧压力280bar，低压侧压力20bar，压差为260bar；

Vm——马达的最大排量500mL/r。

3 刀盘驱动液压系统故障

3.1 故障现象

某盾构刀盘正转转速可在0～1.6r/min 正常调节，反转最大转速只有0.5r/min，长时间正转导致盾体滚动角过大，上位机报警无法掘进，刀盘反转情况下掘进时，由于刀盘转速过慢导致掘进速度过低，严重影响施工进度。

3.2 故障分析

刀盘反转转速过低的主要原因是刀盘驱动泵的排量不足导致，而影响泵的排量主要因素包括以下3 点。

1）液压泵的容积效率过低。当液压泵的缸体、柱塞、配油盘等元件磨损或损坏严重时，液压泵输出的液压油并未做功，而是通过泵内部元件的间隙流失导致泵的容积效率下降，从而导致液压泵的排量不足，刀盘转速无法达到设计值。

2）单台刀盘驱动泵无输出或输出方向与其他泵相反。刀盘驱动液压系统有3 台刀盘驱动泵，若有1 台泵未工作或旋向与其他泵旋向不一致，会导致进入刀盘驱动马达的做功液压油减少，马达转速降低导致刀盘转速降低。

3）控制油压力过低。刀盘驱动泵的排量是通过伺服缸活塞位移控制的，而伺服缸活塞位移的大小是由控制油的压力控制决定，如果控制油压过低，将导致刀盘驱动泵的排量过低，而导致控制油压过低的因素有以下7 种：①P4 口输入压力过低；②V11 调速阀流量过低或者V12 减压阀压力设定过低；③V13 比例溢流阀故障导致控制压力无法提升；④V15 恒功率阀内泄量过大导致控制压力无法提升；⑤V16 或V18 顺序阀内泄量过大导致控制压力无法提升；⑥刀盘驱动泵的V10伺服阀内泄量过大导致控制压力无法提升；⑦低压侧主溢流阀（V5/V6）内泄，PHD1 口压力过低时导致P1 无法上调，3 台刀盘驱动泵控制压力较低。

3.3 故障排查

由于刀盘正转时转速调节正常，通过液压系统的工作原理可以分析出，P4 口输入压力、V11调速阀及V12 减压阀正常；由于刀盘正转时转速正常，刀盘正转和反转时，高压液压油所经过的液压泵内部元件是一致的，说明刀盘驱动泵的容积效率是正常的；在选择刀盘正转且将转速电位计调至最大时，3 台刀盘驱动泵斜盘指针方向及摆角一致，且摆角达到15°，说明3 台刀盘驱动泵都工作且输出方向一致，刀盘反转时3 台泵的斜盘控制压力较低，可能存在控制油路泄压情况。

刀盘无论在正转还是反转的情况下，控制油路的压力均受V13 比例溢流阀、V15 恒功率阀、V16 和V18 顺序阀控制，由于刀盘在正转情况下转速正常，说明V13 比例溢流阀、V15 恒功率阀、V16 和V18 顺序阀的功能正常，因此可以判断是某台刀盘驱动泵反转（B 口高压）时低压侧V6 主溢流阀故障或者V10 伺服阀存在泄压情况。

通过依次关闭1 号、2 号、3 号刀盘驱动泵的A、B 口球阀并拔掉V9 电磁换向阀两侧的电磁插头，然后选择刀盘反转并将转速调至最大，发现在屏蔽1号刀盘驱动泵的时候，刀盘转速可达到1.0r/min，说明1 号泵的控制油路泄露严重导致整个系统的控制压力无法建立。通过将刀盘反转低压侧V6 主溢流阀（图5）和高压侧V5 主溢流阀对调后，选择刀盘反转，提升刀盘转速，发现刀盘转速可提升至1.6r/min，说明导致刀盘泵反转转速无法提升的故障点就是V5 主溢流阀内泄，修复V5 溢流阀后刀盘正反转的转速调节恢复正常。