盾构的液压系统Word格式.docx

1、在盾构中用到的流体介质有液压油、润滑油、润滑脂、盾尾密封专用脂、水泥浆、泥浆（澎润土）、工业水、压缩空气、化学物质泡沫。这些介质的传动系统通过各种控制有机的组合在一起，保证了盾构的正常工作。液压系统的主要作用是实现机械机构的运动和控制，其他介质系统起辅助作用。液压系统以其机械结构按从头部到尾部的顺序看有扩挖刀控制液压系统、刀盘驱动液压系统、推进液压系统、螺旋输送机液压系统、拼装机液压系统、液压辅助系统、过滤器系统。其中用于刀盘驱动、推进、螺旋输送和管片拼装的4个为主要液压系统。由于盾构设备复杂，因而从功用上讲辅助系统较多，有人闸系统、水冷却系统、齿轮油润滑系统、脂润滑系统、盾尾密封系统、同步注

2、浆系统、压缩空气系统、隧道通风系统、排水系统、澎润土系统、泡沫系统等。1.1 盾构系统的功能盾构的正常工作要求可以分解如下：1、掘进和姿态调整。掘进由切削和和推进两个主要功能组成。推进与切削同步进行。切削土层的动作由刀盘的旋转运动来完成，刀盘的进刀由推进来实现。推进完成刀盘进刀的同时还完成了整个盾构的向前运动，推进是由推进油缸执行的。姿态调整就是盾构的转弯和纠偏，有的盾构通过推进油缸进行控制的，有的通过铰接油缸实现。2、搅拌和土质改良。刀盘在切削的同时对进入土仓的废土进行搅拌，一方面打碎大块泥土，另一方面是与土质改良添加物质充分混合，有利于废土排出的控制。土质改良添加物质由多种配套的设备提供。

3、土壤改良物质的添加需根据土质决定。3、废土排出和土压平衡。改良的废土经螺旋输送机排出，再通过皮带输送机运走。为了保持土仓和螺旋输送机内的废土压力与地压一致，需要对废土排出前的压力进行调节和控制。4、管片拼装和推进油缸回缩。盾构掘进一个管片宽度距离1.21.5m后，就需要停下来安装管片，管片的作用有两个：隧道的快速成形；将隧道封闭防止渗水。安装管片的过程中需要根据安装管片的部位将与其对应的推进油缸回缩,当该部位的管片安装好后,油缸伸出再行抵住管片。当一圈管片安装完毕后，进行下一个工作过程。5、盾尾密封与壁后注浆。盾壳与管片一同起到隔离土层和支撑的作用，管片是固定的，盾壳的盾尾是在管片上滑行的，因

4、此盾尾与管片存在密封要求。盾壳有一定的厚度，因此在盾构前行的过程中由于盾壳的抽出，会造成环形管片外壁与隧道壁之间的空隙。这个空隙需要用混凝土等注浆材料填充。6、给排水与通风。盾构在地下施工，是一个相对封闭空间，空气不流动，有时遇到含水地层会有水通过土仓流出，需要给排水和通风配套设施。7、操作、控制与检测。盾构系统的运行要安全可靠，依靠正确的操作、控制与检测系统。分为集中系统与现场手动遥控系统。以上几点是盾构主要功能，更为详细的功能在下文结合具体液压系统叙述。盾构的运转复杂，各机构动作执行都采用液压传动系统。液压传动系统具有以下优点：1、调节方便。可以在运行过程中实现大范围的无机调速；2、设计灵

5、活。在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好；3、运动平稳。采用液压传动可实现无间隙传动，避免机械零件之间的结合撞击；4、控制方便。便于实现自动工作循环和自动过载保护。1.2 液压传动系统的组成基于液压传动系统的优点，采用液压传动可以节省有限的盾构工作空间，使工作机构的布局灵活。液压传动系统由以下几个部分组成：1、动力元件（动力源）即液压泵，它可将机械能转化成液压能，是一个能量转化装置。液压泵的类型有多种。从基本结构上分为柱塞泵、齿轮泵、叶片泵、摆线转子泵、螺杆泵等；从具体结构上柱塞泵又分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵，柱塞泵的配流方式分为端面配流即配流盘配流、阀配流和

6、轴配流；齿轮泵分为内啮合齿轮泵和外啮合齿轮泵，叶片泵分为单作用叶片泵和双作用叶片泵；从控制形式上分为定量泵和变量泵，从具体变量方式上分为恒压力控制变量泵、恒流量控制变量泵、恒功率控制变量泵、负载传感变量泵即压力-流量复合调节变量泵；从用途来看分为主泵、辅助泵（补油泵、控制泵）；从泵的进出油口是否可逆分为双向泵和单向泵，双向泵用于闭式传动回路，单向泵用于开式传动回路。2、执行元件。其作用是将液压能重新转化成机械能，克服负载，带动机器完成所需的运动。执行元件分为液压马达和液压缸两大类，液压马达的输出是角位移即旋转运动，液压缸的输出是线位移即直线运动。液压缸的位移大小由油缸行程决定，角位移受限制的马

7、达是摆动马达也称为摆动油缸。液压马达分为高速和低速两大类。一般认为，额定转速高于500r/min的属于高速液压马达；额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。高速液压马达的基本结构形式和液压泵相似，有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。主要特点是：转速较高，转动惯量小，便于起动和制动，调节灵敏度高。通常高速液压马达要和减速箱一起使用。低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，例如多作用内曲线式、单作用曲轴连杆式和静压平衡式等。低速液压马达的主要特点是：排量的，体积大，转速低，有的可以直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构简化。液压缸的行程有限，用来实现直线往复运动。其结构简单、制造容

8、易，工作可靠，应用广泛。液压缸的种类繁多，分类方法不同。按结构形式分为柱塞式、活塞式、伸缩式和组合式液压缸，其中活塞式又分为单活塞杆液压缸和双活塞杆液压缸；按工作方式即进出油路连接方式分为单作用液压缸、双作用液压缸和差动液压缸。3、控制元件。由于液压系统的工作状况如外负载力的大小和作用对象的变化，那么液压系统本身的工作状态也要改变以适应工作要求。在液压系统中起改变作用的是各种液压阀。液压控制阀在液压系统中被用来控制液流的压力、流量和方向，保证执行元件按照要求进行工作。属控制元件。液压阀基本结构：包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内作相对运动的装置。驱动装置可以是手调机构，也可以是弹簧或普通电磁铁、

9、比例电磁铁，弹簧使阀芯复位或起对中作用，有时是压力油驱动。液压阀基本工作原理：利用阀芯在阀体内作相对运动来控制阀口的通断及阀口的大小，实现压力、流量和方向的控制。流经阀口的流量q与阀口前后压力差p和阀口面积 A 有关，始终满足压力流量方程；作用在阀芯上的力是否平衡则需要具体分析。（1）根据结构形式分类有滑阀、锥阀和球阀。（2）根据用途分类。有压力控制阀，用来控制和调节液压系统液流压力的阀类，如溢流阀、减压阀、顺序阀等；流量控制阀，用来控制和调节液压系统液流流量的阀类，如节流阀、调速阀、分流集流阀、比例流量阀等；方向控制阀，用来控制和改变液压系统液流方向的阀类，如单向阀、液控单向阀、换向阀等。（

10、3）按控制方式分类。定值或开关控制阀：被控制量为定值的阀类，包括普通控制阀、插装阀、叠加阀；比例控制阀：被控制量与输入信号成比例连续变化的阀类，包括普通比例阀和带内反馈的比例阀，多用于开环液压传动系统；伺服控制阀：控制量与（输出与输入之间的）偏差信号成比例连续变化的阀类，包括机液伺服阀和电液伺服阀，多用于要求高精度、快速响应的闭环液压控制系统；数字控制阀：用数字信息直接控制阀口的启闭，来控制液流的压力、流量、方向的阀类，可直接与计算机接口，不需要D/A转换器。（4）按连接方式分类：螺纹连接阀、法兰连接阀、板式连接阀、叠加式连接阀、插装式连接阀。4、辅助元件。保证液压传动系统回路正常工作的配套装

11、置和元件，包括检测和传感器元件。与液压回路相关的有油箱、油管、滤油器、冷却器、蓄能器、压力表、压力继电器、流量计等，与控制元件相关的有压力继电器，电子比例放大器电路板，行程开关。另外，还有压力、流量传感器，位移、转速、加速度传感器等。5、传动介质。即传递能量的液体，一般是采用石油基液压油。石油基液压油是以通用润滑油为基础，加入了抗氧化、抗腐蚀、抗泡沫、抗磨、防锈等添加剂而制成。根据添加剂的种类和多少不同而分为汽轮机油、普通液压油、液压-导轨油、抗磨液压油、低凝液压油、专用液压油（例如航空液压油）等。由于石油基液压油容易燃烧，为了能在防爆和有燃烧可能性的环境下工作，因此开发了抗燃液压油，例如合成

12、型抗燃工作介质水-乙二醇、磷酸脂、硅油。还有油水乳化液，以及海水或淡水。海水或淡水作为液压传动介质是液压传动技术发展的必然趋势。1.3 液压传动系统的工作原理图液压传动系统的工作原理图是用液压元件的职能符号按实际元件的组成表示的，工作原理图表达了整个系统的工作过程。2.盾构液压系统的基本组成盾构液压系统以能量传动为主，主要完成机械机构的动作要求。虽然各个回路使用的元件不同，流量和压力等系统参数也不相同，完成的动作和功能不同。但从系统的各组成部分基本职能来看，盾构液压系统的主要由如下三基本职能单元组成：1、液压系统动力源；2、液压系统执行单元；3、操作和控制单元；2.1 液压系统动力源动力源主要

13、由主泵、补油泵和控制泵加油箱组成，主泵采用恒功率比例控制变量泵，液压油为难燃液压油。采用的主泵形式有两种，一种是双向变量泵，另一种是开式变量泵。闭式变量泵用于执行元件为旋转马达的闭式液压传动回路也是主回路。闭式液压传动系统传递效率高，回路较复杂；开式传动液压系统回路简单，主要用于执行元件为油缸的传动回路，有时为了简化回路也用于执行元件为马达的传动回路。 a）外形图 b）内部结构图图2.1 闭式变量泵外形图和内部结构图图2.1是一种闭式变量泵的结构图。该泵采用斜置式柱塞结构，这样可以减小配流盘的尺寸，降低配流盘的圆周速度。优点是增加泵的转速和提高配流盘的强度。闭式变量泵在盾构液压系统回路应用的情

14、况如图2.2所示。闭式变量泵配合补油泵一起使用，多数情况下还要使用控制泵，这样主泵、补油泵和控制泵组成三联泵的形式。闭式回路还要设置冷热油交换阀，交换流量约为回路工作流量的30% 。图2.2 盾构闭式液压系统变量泵原理图a）开式变量泵的外形图 b）内部结构图图2.3 开式变量泵外形图和内部结构图8图2.4 A10VODFLR变量泵的原理图 图2.5 A10VODFLR变量泵的静态特性曲线图2.4和图2.5为压力流量恒功率控制开式变量泵的原理图和静态特性曲线图。2.2 液压系统执行单元液压油缸：液压油缸是将液压能转变为机械能，用来实现直线往复运动的执行元件。1-活塞杆；2-螺钉；3-端盖；4-缸

15、体；5-活塞；6-V形密封圈；7、9-导向套；8-开口销图2.6 双杆活塞式液压缸的结构图图2.6为双杆活塞式液压缸的结构图，主要由缸体4、活塞5和两个活塞杆1等零件组成，缸体4一般采用无缝钢管，内壁加工精度要求很高。活塞5和活塞杆1用开口销9连接。活塞杆1分别由导向套7和9导向，并用V形密封圈6密封，螺钉2用来调整V形圈的松紧，两个端盖3上开有进、出油口。当液压缸右腔进油时，活塞左移；反之，活塞右移。由于两边活塞杆直径相同，所以活塞两端的有效作用面积相同。若左右两端分别输入相同压力和流量的油液，则活塞上产生的推力和速度也相等。这种液压缸常用于往返速度相同且推力不大的场合。1-缸体；2-活塞；

16、3-活塞杆；4-支承环；5-Y形密封圈；6、8-导向套；9-端盖；10-螺母图2.7 单杆活塞式液压缸的结构图单杆活塞式液压缸结构图见图2.7，缸体1和底盖焊接成一体。活塞2靠支承环4导向，用Y形密封圈5密封，活塞2与活塞杆3用螺纹连接。活塞杆3靠导向套6、8导向，用V形密封圈7密封。端盖9和缸体1用螺纹连接，螺母10用来调整V形密封圈的松紧。缸底端盖和活塞杆头部都有耳环，便于铰接。因此这种液压缸在往复运动时，其轴线可随工作需要自由摆动，常用于液压挖掘机等工程机械。xa）马达外形图 b）变量原理图图2.8 变量液压马达原理图图2.8为液压马达的外形图和变量系统原理图，该马达的变量方式为HA式，

17、由于变量缸没有平衡弹簧，因此为两点变量方式。2.3 操作和控制单元为了使液压系统满足设计功能，执行元件实现人们要求的动作，在液压系统回路上添加了具有控制系统传动介质的压力、流量和方向的各种阀类元件。这些元件按完成的功能组合在一起成为操作和控制单元。c图2.9 控制单元原理图控制单元原理图如图2.9 所示，盾构的操作即控制装置对系统的操纵，是通过控制液压系统中的比例电磁阀实现的，比例电磁阀阀芯行程与输入电流的大小呈正比，阀芯行程决定通过液流的流量和压力，因此通过比例电磁铁对阀芯行程的控制可以实现对压力、流量的调节。3.盾构液压系统的特点由于盾构的功能或者要实现的动作很多，与其相配的液压系统很多。

18、这些液压系统之间互相联系，尤其是水、气、泡沫、注浆、澎润土系统管路交叉相接，有些系统管路合并到同一出口。大部分系统都不是独立存在的。特点是多介质、分支回路多、系统复杂、互动互连。4.液压系统回路盾构液压系统回路实现的功能有直线运动和回转运动。根据负载和工况不同分为多个回路，从大类分主要工作系统回路和辅助系统回路。4.1 液压主系统回路4.1.1刀盘驱动液压系统（附扩挖刀液压系统）刀盘驱动液压系统原理图见图3.10。盾构刀盘的旋转采用液压马达驱动，驱动泵为双联泵，整个系统采用闭式传动方式。驱动泵的辅泵除了为主泵补油外还作为主泵变量机构的控制油源。变量马达的控制油源由单独的控制泵提供。马达驱动的目

19、的是为了从刀盘到盾体传递载荷、驱动刀头旋转、传递挖掘需要的扭矩。刀盘的旋转是由8个液压马达驱动一个和刀盘支撑环一体的齿圈来实现的。可变速马达的控制是由变量液压泵来实现的。单元功率315 kW、速度1480 rpm、可变流量0516 l/min、运行压力320 / 370 bar。刀盘驱动系统主要由2个315kW 泵站、8个液压马达、8个变速器、主轴承、补油系统及伺服系统等组成。液压泵站由两台315kW电动机驱动两台力士乐双向变量泵合流供油，由一台37kW 电机驱动定量泵对闭式回路进行补油。系统控制方式为闭路。液压泵的形式为复合控制方式：即液压泵根据先导压力的变化自动调整其斜盘角度以便适应不同的

20、工况。液压马达采用两挡变速，该马达按照工作压力的变化自动调整斜盘角度，从而实现变速。工作原理：1马达的正反转为了克服盾构机在掘进过程中的滚动现象（当主油泵斜盘角度不能根据外界阻力变化而改变时，刀盘即会出现滚动现象），必须通过液压马达的正反转来进行调整，即通过图3.10刀盘驱动液压系统原理图控制单元改变主油泵的斜盘方向来实现。2马达的制动与解除（1）马达制动 当需要进入马达制动工况时，控制油不能进入马达制动器，同时马达制动油缸有杆腔接回油箱，马达制动油缸的活塞在弹簧的作用下伸出，将马达制动。蓄能器的作用是在马达制动时压力油一路进入马达制动器有杆腔，一路经0.3 mm的节流口流回油箱，由于有节流口

21、的作用，使得马达制动器油缸有杆腔的压力缓慢下降，马达缓慢制动。（2）解除制动当制动器控制阀通电，控制油经伺服泵、滤清器、调速阀、减压阀、二位二通电磁阀进入马达的制动器油缸有杆腔，油缸收回，制动解除。3马达低速挡位调节如前所述，刀盘驱动马达为两档变速。如根据地质情况需要刀盘一直在低速情况下运转，也可使用挡位控制阀10来实现。其工作原理如下：当挡位控制阀10.a电磁铁得电，二位四通电磁阀处于左位，控制油经调速阀、二位四通电磁阀10.a进入马达的斜盘控制液动阀的左端，将阀芯推至左位，马达进口或出口的压力油一路经单向阀、斜盘控制液动阀左位进入马达斜盘油缸的无杆腔；一路经单向阀进入马达斜盘油缸的有杆腔，

22、马达斜盘实现差动，马达一直处于低速挡。4刀盘掘进工况（1）正常掘进。控制油源的油经过泵3、过滤器4、减压阀5到控制单元2，主液压泵先导控制油到达电磁阀6当系统压力超过溢流阀7调定压力时，溢流阀打开，油泵控制先导油压力由溢流阀7 （14bar）控制。当低于阀7的调定压力时，泵的斜盘根据先导压力的变化自动调节。系统压力升高时，电磁阀6换向，溢流阀8工作，泵可以输出比恒功率变量高一些的功率，（2）刀盘脱困。当控制单元反向控制泵时，主油泵的油液方向与正常掘进相反。使得马达的转向相反。驱动单元14由马达和减速箱组成，每个驱动单元由润滑油回路润滑和水冷却系统进行冷却（冷却部分见图3.16）。密封部分采用集

23、中注脂润滑方式，轴承用5排密封和土仓隔离开来。脂润滑系统向密封排的间隙注射润滑脂来使它们不和渣土接触。附：扩挖刀液压系统3图3.11 扩挖刀液压系统回路图扩挖刀液压系统原理图如图3.11。扩挖刀数目一般是2个，沿直径方向对称布置在刀盘上。扩挖刀的作用是开挖大于刀盘直径的断面，仅在隧道方向改变阶段才被使用，为盾构转弯拓出空间。扩挖刀刀头的伸出长度可以通过控制油缸来调整，最大行程5065 mm，伸出的长度扩大了隧道断面的直径，并通过中心控制室的屏幕显示来。在常规操作期间，只有一个这样的刀具能工作，另一个备用。当电气部分控制精度较高，按一定形状比如椭圆控制程序来进行扩挖时，扩挖刀就称为仿形刀。扩挖刀

24、挖出的隧道截面形状是圆形，而仿形刀在开挖过程中可以调整刀头伸出长度，挖出的是椭圆形或按控制要求挖出的形状。扩挖刀动力单元功率7.5 kW、速度1450 rpm、最大流量2.9 l/min、最大压力210 bar、过滤精度10 。扩挖刀液压系统由变量泵和电磁比例阀、平衡阀、伸缩油缸组成。系统原理图比较简单。驱动泵的电机同时驱动风扇，用来冷却回油。为防止回油滤油器堵塞，回油路增加了一个旁通单向阀支路。扩挖截面 仿形截面 a）弯道横截面图 b）弯道示意图图3.12 盾构弯道示意图由于地质情况、设计线路或地面建筑的要求，盾构在挖掘隧道时需要转弯。图3.12为盾构在转弯时扩挖与仿形挖的比较。图a为隧道断

25、面示意图，剖线为扩挖断面，阴影为仿形断面。从图中可以看出，当隧道弯道比较长的时候，仿形开挖断面比扩挖断面的截面积小，能节约壁后注浆材料。4.1.2推进液压系统盾构依靠液压缸的推力向前推进，其前进方向和姿态是靠液压缸的协调动作实现的。液压缸的精确控制是保证盾构沿设计路线方向准确地向前推进的前提，在实际应用中，由于地质土层的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素作用，使盾构推进控制变得非常复杂。盾构推进还与地层扰动和地面沉降等有关，与推进工况参数诸如土体应力、含水量、孔隙水压力、弹性模量、泊松比、强度和承载力等岩土力学参数相关。推进控制不当会引发地面隆起或沉降，造成周围建筑物开裂甚至倒塌及邻近管线断裂

26、破损等环境灾害。盾构推进动力传递和控制系统具有大功率、变负载、空间狭窄、环境恶劣等特点，一般采用液压系统，由推进液压缸、液压泵、液压阀件及液压管路等组成。推进液压缸安装在密封仓隔板后部，沿盾体周向均匀分布，是推进系统的执行机构，由设在盾构后部的液压泵站提供高压油，通过各类液压阀的控制实现各种功能。在掘进施工中，盾构需要按照指定的路线轨迹做轴向前进，而被切削的地质比较复杂，整个盾构盾体受到地层的阻力往往不均，使盾构的掘进方向发生偏离，这时就需要通过协调精确控制推进液压缸来实现盾构的纠偏，达到盾构沿设计路线轨迹推进的目的。另外，盾构进行曲线推进时，有时要前倾、有时要后仰、有时要左右摆动或向其复合方

27、向上的掘进，这也需要通过协调、精确控制液压缸来实现，即姿态调整。由于推进系统液压缸数量比较多，每个液压缸都进行单独控制，成本高，控制较为复杂，为此，可采用成对分组控制，即将为数众多的推进液压缸按圆周均匀分成几组，分别对每组推进液压缸进行控制。这样既可以节约成本、减少控制复杂程度，又可以达到盾构姿态的调整、纠偏、精确控制的目的。图3.13为推进油缸控制单元原理图，该单元由12个主要元件组成。元件名称或功能如下：1进油滤油器的压差发讯和显示装置，2进油滤油器，3电磁调速阀，调节油缸的运动速度，4、8逻辑阀和电磁先导换向阀6、7一起实现推进油缸的浮动状体，阀5调节油缸浮动时的进油压力。9液控单向阀，

28、锁定推进油缸。10电液换向阀，实现推进油缸的换向。11安全阀，12缓冲阀。A B图3.13 推进油缸控制单元图3.14 推进液压系统原理图盾构推进液压系统原理图如图3.14所示，推进液压缸的数目为32个，2个一对分为4组，一对油缸共享一个衬垫，油缸推力通过16个衬垫传递。在活塞杆端，装有靴撑，以防止因集中负荷造成管片变形、破损。8号、10号、12号、14号油缸兼做计测油缸，油缸安装有行程传感器。传感器即时测量盾构机前进的进程，信息在控制室显示。推力控制面板位于盾构后部门架车的一个控制室，推力油缸有2种液压操作状态：1.“低压”或“建环”状态，管片安装期间使用。在这种状态下，衬垫的压力减小，有足

29、够的压力保证管片安全的安装也确保两环之间的密封条被压紧。在“低压”状态下，盾构不前进；2.“高压”或“掘进”状态，盾构向前运动时使用。在这种状态下，衬垫在管片上产生推力。在掘进模式下系统压力为 34MPa时，最大前进速度80 mm/min、最大推力36100 kN。每个油缸的最大推力1805 kN。管片安装模式下：伸长速度（4油缸）2m/min、收回速度（4油缸）3m/min推进油缸的柱塞端安装在压力仓壁上，在活塞杆端由一个橡胶轴承支撑。推进油缸的撑靴作用于由5+1块管片砌成的管片环上。推进油缸可以单独成组控制或者分成4组由流量和压力控制来推进和转向。在掘进模式下，推力油缸总共合并成4组。为了

30、建造一个管片环，首先停止掘进，然后必须通过按钮“ring building（建环）”将操作状态改为建环，把控制模式转换到无线控制装置（即移动式面操作面板）。当激活该模式时，所有的成对油缸可以独立运动。在建环模式下，进行管片安装所需数目的油缸对相应地回缩，其余的油缸对一方面避免由于土压而使盾构作后退运动，另一方面，它们也保护已经安装的管片。油缸内的有效压力将和土壤的反作用力在设定值附近某个值上维持平衡，不同环带的压力分配和显示的压力不同时，不允许驱动机器。理想状态每部分的有效压力和显示值是相同的。挖掘几厘米后，调整全套液压缸的压力分配，使机器前进的方向和导向系统指示的方向保持一致。如果盾构相对理论轨迹偏下了，增大下部油缸的压力并减小上部油缸与之等值压力。如果盾构机偏