内容提要：本文主要介绍的是海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机液压系统的液压回路的组成、工作原理及在施工中的应用。

关键词：土压平衡式盾构机   液压系统   分析

目前海瑞克公司生产的土压平衡盾构机在城市地铁施工中得到了广泛的运用，其功率强大的液压系统在盾构机的掘进及管片拼装过程中发挥了极高的效率。盾构机的液压系统可分成液压回路，它们是刀盘驱动的液压回路、推力及铰接油缸的液压回路、管片拼装机的液压回路、管片运输及辅助装置的液压回路、螺旋输送机的液压回路、注浆泵的液压回路、液压油冷却及过滤液压回路及超挖刀的液压回路。本文将就上述各大回路的组成、作用及工作情况做一简要阐述。

上述液压回路的前六大液压回路都是由设在第二号台车上的主液压油箱来提供液压油，并且在主油箱中的吸口处都装有吸油滤网。这六大液压回路的泄漏油先要汇集到一根内径为100mm粗的主泄漏中，再从主油箱的顶部流回油箱的回油室，这六大液压回路中的开式液压回路的回油要先汇集在一根内径为100mm粗的主回中，再经过两个安装在主油箱顶部的主回路滤清器，过滤后的回油流回主油箱的回油室。因情况相同，故在后文不再赘述。

一、刀盘驱动液压回路

刀盘驱动液压回路主要部件有：主油箱、三台主驱动油泵、一台补油泵、一台先导油泵、八个主驱动液压马达、一块主驱动控制阀组、一块驱动马达两级转速及马达解除制动阀组、一个10L的蓄能器、一个2.8L的蓄能器、两个补油泵滤清器、一个先导泵滤清器、两个主回油道滤清器及包含吸油滤网的连接管路。

三台各由315KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和八个斜轴式变量柱塞马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动液压马达旋转，液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转切削土体，在和其中一个驱动马达相连的减速齿轮箱上装有制动器，可以为刀盘提供制动，制动器是弹簧锁紧油压分开的形式。通过控制泵的正反转就可以见接控制刀盘的正反转。

75KW电机驱动的定量螺旋式液压泵做为补油泵先通过两个补油泵滤芯后为上边提到的回路补油，补油压力是30Bar。

5.5KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵作为刀盘驱动液压回路的先导油泵先通过先导油滤芯后再向以下两组阀块供先导油。

向主驱动阀块提供先导压力油可以实现以下三个功能：1.先导油通过恒功率控制阀可以实现对液压泵的恒功率控制。2.先导油通过安全阀可以控制回路的最大工作压力，回路的最大工作压力在正常掘进的情况下是225Bar,在盾构机需要脱困扭矩的情况下是275Bar。3.先导油通过电控比例阀可以控制驱动油泵的斜盘角度，从而控制油泵的流量，油泵的流量又可以控制驱动马达的转速，驱动马达的转速决定了刀盘的转速。通过这一功能，可以在0-6.1Rpm之间任意控制刀盘的转速。

向驱动马达两级转速及马达解除制动阀组提供先导压力油可以实现以下两个功能：1.先导油通过驱动马达两阶段转速阀可以控制驱动马达的排量，从而可以使刀盘在0-3Rpm或0-6.1Rpm两种转速模式下操作。2.先导油通过解除制动阀可以在刀盘旋转之前解除刀盘的制动。

10L的蓄能器和补油泵油路相连，以保持该油路的油压稳定，从而保证驱动泵回路工作平稳。2.8L的蓄能器与制动油路相连，作用是使制动和解除制动动作平稳。

二、推力及铰接油缸回路

推力及铰接油缸回路主要部件有：主液压油箱、液压油泵、30个推力油缸、14个铰接油缸、四组带有滤清器的推力油缸控制阀、一组铰接油缸控制阀、两个主回油道滤清器及带有吸油滤网的连接管路。

75KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵通过各相应阀组向推力油缸和铰接油缸提供压力油，并构成开式回路，回油流回主油箱。

推力油缸按上下左右被分成A、B、C、D四组，每组油缸都由相应的一组控制阀控制，盾构机在掘进和拼装的过程中，控制阀所起的作用有所不同。

在盾构机掘进过程中，推力油缸杆上的撑靴向后顶在拼装好的管片上，在压力油的作用下，油缸杆向后伸出推动盾构机前进，四组控制阀可以分别控制每组推力油缸，使其各自具有不同的压力，因四组油缸可以具有不同的压力，所以盾构机在掘进中可以实现左转、右转、抬头、低头及直行的动作，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道的设计轴线。

拼装管片时，在盾构机自动控制系统的作用下，四组控制阀向所有推力油缸提供最大压力值为60Bar压力油，这时每个油缸的伸缩都可以在推力油缸现场控制台上控制，通过控制推力油缸杆向后伸出，使得推力油缸杆在压力油的作用下顶在管片上，给盾构机提供一个向前的顶推力，这个力既可以起到稳定管片作用，又可以用来平衡盾构机前部受到的来自泥土仓压力，使得盾构机不致在此压力的作用下后退。

该油泵通过铰接油缸控制阀向铰接油缸提供压力油，可以在盾构机掘进过程中实现铰接油缸的拉紧、释放和保持三种功能，以保证掘进的顺利进行。

三、管片拼装机液压回路

管片拼装机液压回路主要组成部件有：主油箱、两台油泵、拼装机进油路滤清器、两个拼装机旋转马达、两个拼装机前后行走油缸、两个拼装机伸缩油缸、拼装头夹紧油缸、拼装头转动油缸、拼装头倾斜油缸、拼装机行走及旋转阀组、拼装机伸缩油缸阀组、拼装头阀组、两个主回油道滤清器及带有吸油滤网的连接管路。

45KW电机驱动两个串连连接的斜盘式变量轴向柱塞泵先通过拼装机进油路滤清器再通过各相应的阀组后向回路各执行元件提供压力油，并构成开式回路，回油流回主油箱。该回路可以实现管片拼装机的各个动作，包括拼装机顺时针及逆时针方向的旋转、拼装机前后的行走、拼装机左右伸缩油缸的操作、拼装头抓紧管片油缸的操作、拼装头倾斜油缸的操作及拼装头回转油缸的操作。这样在拼装管片时，就可以有六个自由度，从而可以保证使被拼装的管片准确就位。

两个回转马达是斜盘式轴向柱塞马达，每个回转马达上都装有一个制动器，用以对拼装机的回转进行制动。制动器是油压松开弹簧锁紧的形式，驱动马达旋转的压力油，分出一路油用以解除马达的制动。

因为管片拼装机操作时，拼装头上要抓住几吨重的管片，故在拼装机回转马达、拼装机伸缩油缸及拼装头各油缸的进回路中都装有液压锁，以确保操作的安全性，液压锁被组合安装在各相关的阀组中。

四、管片运输及辅助装置液压回路

管片运输及辅助装置液压回路的主要组成部件有：主油箱、液压油泵、两个整圆器油缸、管片小车链条拉伸油缸、管片小车挡板油缸、管片小车推力油缸、管片小车的四个起升油缸、连接桥与盾体连接的两个油缸、整圆器油缸阀组、链条及挡板油缸阀组、管片小车阀组、连接桥与盾体连接油缸阀组、两个主回油道滤清器及带有吸油滤网的连接管路。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

22KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵通过各相应的阀组向回路各执行元件提供压力油，并构成开式回路，回油流回主油箱。

通过向整圆器油缸供油，可以使整圆器压紧在刚拼装好的一环管片上，使该环管片可以保持良好的形状。链条拉伸油缸的油缸杆端，通过链条连接在管片小车的前端，通过油缸的伸缩可以调整管片小车的位置。挡板支撑油缸可以使管片小车前面的挡板按需要抬起或放在管片上。管片小车的升起油缸和推力油缸配合使用，可以使放在管片小车上的管片向前运输到拼装机头可以抓取的位置。连接桥与盾体连接油缸伸缩可以改变连接桥及后配套台车与盾体的相对位置，当盾构机后配套台车受到意外的阻力而使得连接桥与盾体连接油缸有杆腔压力过大，控制系统使盾构机不能前进时，可以通过伸缩该两个油缸帮助解决问题。

为了保证操作的安全，在整圆器油缸、管片小车推力油缸、管片小车举升油缸及盾体与连接桥连接油缸的进回路中都有液压锁，液压锁就被组合安装在各相关的阀组中。

五、螺旋输送机的液压回路

螺旋输送机的液压回路主要组成部件有：主油箱、螺旋输送机驱动油泵、补油泵、驱动管片运输及辅助装置的液压油泵、螺旋输送机马达、控制螺旋输送机前、后闸门的各两个油缸、螺旋输送机两个伸缩油缸、螺旋输送机后闸门阀组、螺旋输送机伸缩油缸及前闸门阀组、蓄能器、两个主回油道滤清器及包含吸油滤网的连接管路。

螺旋输送机的液压回路又包括两个由不同油泵提供压力油的单独的液压回路。

回路1：200KW的电机驱动两个串连连接的液压泵，其中一个斜轴式变量轴向柱塞泵向螺旋输送机马达提供压力油，该泵和螺旋输送机马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动液压马达旋转，液压马达的旋转就可以驱动螺旋输送机旋转。通过控制驱螺旋输送机液压油泵的正反转，就可以控制螺旋输送机的正反转；通过控制驱动泵的流量，就可以控制螺旋输送机的转速。另一个定量的叶片泵负责向该回路补油。

回路2：驱动管片运输及辅助装置液压回路的液压油泵通过各相应的阀组向螺旋输送机前、后闸门油缸及螺旋输送机伸缩油缸提供压力油，并构成开式回路，回油流回主油箱。这样可以完成螺旋输送机前后闸门的开启、关闭及螺旋输送机螺旋进入和抽出泥土仓的动作。

蓄能器可以在整个盾构机突然断电的情况下，释放储存的能量自动关闭螺旋输送机的后闸门，以避免泥土仓中泥土及水在压力作用下涌进盾构机。

六、注浆泵液压回路

注浆泵液压回路的主要组成部件是：液压泵、注浆泵进油路滤清器、调速阀组、两个注浆泵、两个主回油道滤清器及带有吸油滤网的连接管路。

每个注浆泵包括两个推吸油缸、四个阀门油缸和两个控制阀组，每个注浆泵两个出口，每个出口都可以被单独控制泵出浆液。

30KW的电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵向回路提供压力油，压力油经过四个电控的调速阀后供给到两个浆液泵，在控制阀组的控制下，液压油驱动推吸油缸和阀门油缸，泵出浆液，从而实现盾构机掘进时的同步注浆功能，回油则流回主油箱。

七、液压油冷却及过滤液压回路

液压油冷却及过滤液压回路的主要组成部件有：主油箱、过滤油泵、过滤回路滤清器、液压油冷却器、两个主回油道滤清器及连接管路。

主油箱的容积是4500L,被用隔板分成前后两个腔室，前室是吸油室，后室是回油室。隔板上有孔，可以在某些情况下平衡两个腔室的油位。主油箱上还装有油位和油温监测装置，在油位和油温超限时，控制系统就会向盾构机操作者报警，严重超限时，还会自动停止盾构机的某些操作，以保护盾构机。

在盾构机正常工作状态下，11KW的电机驱动的定量螺旋式液压泵将油从主油箱回油室泵出，先经过过滤能力为6微米的过滤回路滤清器过滤，经过过滤后的干净的液压油再经过水冷式液压油冷却器的冷却，冷却后的、干净的液压油流回到主油箱的吸油室。

当液压油冷却及过滤回路的滤清器被过滤下来的脏物堵塞时，控制系统可以得到安装在滤清器座上感应塞的传输信号，并提示操作者更换滤芯。

八、超挖刀液压回路

超挖刀液压回路的主要组成部件有：小液压油箱、油泵、超挖刀油路控制阀组、超挖刀油缸、超挖刀液压油冷却器、回油滤清器及连接管路。

超挖刀液压回路有一个单独的10L的小液压油箱，7.5KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵向系统供油，小液压油箱及泵都安装在中盾左侧的承压隔板上，盾构机转弯掘进时，通过控制阀向超挖刀油缸无杆腔供油，使得刀盘上的超挖刀向外伸出，从而实现其超挖功能，回油经过液压油冷却器和回油滤芯后流回小液压油箱。超挖刀液压油由驱动液压油泵的电机同时驱动的风扇进行风冷式的冷却。超挖刀油缸的进油及回油路上都有被组合安装在控制阀组上的液压锁，以保证超挖刀上受到较大的土壤挤压力时，油缸杆不至于受压缩回。

值得进一步说明的是，盾构机的液压系统在先进的西门子公司S7-PLC自动控制系统的控制下，功能更加完善。例如：操作人员按下转动刀盘的按钮时，PLC控制系统要先确定液压油箱的油温及油位是否正常，刀盘制动是否已经松开，用来润滑主齿轮箱的齿轮油的流量是否充足等等，如果所有必要的条件都得到满足，PLC控制系统才发出指令，控制刀盘转动。如果在刀盘转动过程中刀盘驱动液压回路的压力超过控制系统的设定值（一般为180Bar）,或其他刀盘转动所必需满足的某个条件失去，控制系统就会自动停止刀盘运转。若此时正在掘进中，PLC控制系统也会自动停止盾构机的掘进。这种高度机电液一体化的设计可以最大限度的保护盾构机。下载本文