龙亮：浅析成都地铁盾构机液压驱动系统

浅析成都地铁盾构机液压驱动系统

——龙亮

[内容提要]：本文根据我单位在成都地铁所使用的德国海瑞克S365、S366土压平衡式盾构机为例.介绍了液压系统在盾构应用中的优点,浅析这两台盾构机液压驱动系统的大致回路.

[关 键 词]：土压平衡盾构机 液压回路

1.引言表

随着城市建设的发展，人口数量的增多和地面交通的拥挤使得地下空间的开发已经成为各大城市发展的主要方向。地下空间的开发程度从某种意义上来说也标志着一个城市的文明发展水平。盾构法是目前隧道暗挖施工中最为先进的一种方法，其优势是不受地表环境影响，作业环境安全，适用范围宽且其产品盾构隧道的抗地震性能好，因此被世界各国广泛应用于城市地下交通隧道城市污水隧道和城市管线隧道等工程的施工，又被称为城市隧道施工法。

盾构机作为盾构法施工的主要设备在施工过程中扮演着及其重要的角色，可以说一个隧道工程能否顺利的安全施工，关键要看盾构机的性能是否适应本工程的地质条件和施工环境。而盾构机的驱动系统在整个盾构施工中起着重要的作用,因此必须合理的选用一套驱动系统.

2.液压传动系统的组成

(1)动力装置:它是供给液压系统压力油，把机械能转换成液压能的装置。最常见的是液压泵。

(2)执行装置：它是把液压能转换成机械能的装置。其形式有作直线运动的液压缸，有作回转运动的液压马达，它们又称为液压系统的执行元件。

(3)控制调节装置：它是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀、截止阀等。

(4)辅助装置：例如油箱，滤油器，等。它们对保证系统正常工作是必不可少的。 (5)工作介质：传递能量的流体，即液压油等。

3.为何要选择液压驱动 3.1 液压传动的优点

1）传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动和撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上.

2）质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。

3）承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。

4）容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。

5）易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。

6）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。

7）容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作.

8）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。 9）便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。

10）便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。

3.2 液压传动的缺点

1）液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。

2）实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。

3）油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。

4)不适宜远距离输送动力 由于采用传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输

送动力。

5）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。

6）油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。 7）发生故障不易检查和排除。

由以上两点的比较可以看出采用液压驱动，虽然传动效率低、噪声较大、发热量较大和会占用较多设备空间，但是由于隧道工作环境恶劣、刀盘启动停止较为频繁、在较硬的岩土中掘进时刀盘承受冲击力较大，所以选用液压驱动是较为合理的，特别是液压驱动具有转速连续可调的功能，便于操作人员控制，只要保障设备始终有良好的冷却水供给和良好的隧道通风，液压系统对工作环境的温升影响可得到显著减低。

4.液压系统回路

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三大液压系统，它们是刀盘驱动的液压系统回路、推力及铰接油缸的液压系统回路、辅助液压系统。本文将就上述各大系统的组成、作用及工作情况做一简要阐述。以下液压系统回路是根据我公司成都地铁盾构项目海瑞克土压平衡式365,366盾构机为标准.

上述三大液系统主要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芯。这三大液压系统回路中的开式液压回路的回油要先汇集在一根主回中，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。

4.1 刀盘驱动液压回路

刀盘驱动系统主要包括大排量变量柱塞泵、液压管路、双级排量驱动液压马达、减速器、主轴承及其自动润滑系统的工作原理及其维护。密封润滑装置等。刀盘驱动由主轴承的内齿圈通过连接法兰用高强度螺栓与刀盘联接，为刀盘开挖掘进提供所需要的转动扭矩，刀盘驱动主要由九组传动副和主齿轮箱,主油箱、三台主驱动油泵、补油泵、先导油泵、主驱动控制阀组、驱动马达两级转速及马达解除制动阀组、蓄能器、及若干滤清器、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九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，

通过控制泵的正反转就可以间接控制刀盘的正反转。

55KW电机驱动的定量螺旋式液压泵做为补油泵先通过补油泵滤芯后为上边提到的回路补油。

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。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，可以实现刀盘一定范围内的无极变速.

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。

蓄能器1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。蓄能器2与制动油路相连，作用是使制动和解除制动动作平稳。

4.2 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。

4.3 辅助液压系统

辅助液压系统为盾构机提供所有的后勤工作,主要包括管片拼装,螺旋输送机,同步注浆,液压油冷却回路等等.

4.3.1 管片拼装系统回路

管片拼装机液压回路主要组成部件有：主油箱、油泵、拼装机进油路滤清器、两个拼装机旋转马达、两个拼装机前后移动油缸、两个拼装机伸缩油缸、拼装头抓取油缸、拼装头水平旋转油缸、拼装头前后倾斜油缸、拼装机移动及旋转阀组、拼装机主回油道滤清器缩油缸阀组、拼装头阀组、及带有吸油滤网的连接管路。

45KW电机驱动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、拼装抓举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。

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。

4.3.2 螺旋输送机

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、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1：315KW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：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。

4.3.3 同步注浆

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。

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。

4.3.4 液压油冷却回路

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5000L,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。

5.结束语

盾构法施工是集机械、液压、电气及土木工程技术于一体的综合施工技术，具有高投入、

高风险、高技术含量、高施工进度等特点。液压系统回路是盾构法中技术含量重要的一环，本文结合本项目的盾构机及生产实际，浅析了盾构机液压控制系统的构成及其工作原理。

【参考文献】

[1]许福玲.陈尧明，液压与气动传动，北京：机械工业出版社，2003 [2]陆望龙.液压系统使用与维护，北京：机械工业出版社，2006 [3]唐经世,唐元宁，掘进机和盾构机，北京：中国铁道出版社，2009 [4]盾构机的液压系统