【原】盾构刀盘驱动液压系统原理及操作注意事项

       盾构刀盘开挖原状土主要依靠刀盘驱动液压系统，这是盾构最重要液压系统之一，现对其进行介绍。如果存在错误，请指正。

      由于电机带动液压泵产生高压油，高压油带动液压马达旋转，液压马达旋转通过减速机减速，进而带动主轴承大齿圈旋转，最终导致与主轴承大齿圈相固定的刀盘旋转。

        盾构刀盘驱动操作面板如下图：

       当刀盘旋转所有前提条件满足后，将左中侧刀盘转速钮旋转为0，选择低速（第1步）或高速（第2步）按钮，选择左转（掘进方向顺时针）或右转（掘进方向逆时针），选择启动按钮，然后旋转左中侧刀盘转速旋钮，将之调节预定转速（土压平衡盾构机一般为1.0～2r/min），并且由中上侧显示器显示出来，中下侧显示刀盘驱动系统液压油高压端压力。左侧为操作和服务旋钮，当正常掘进时，旋钮处于操作档；当需要在前方人闸处操作或有人员在土仓内时，旋钮处于服务档并上锁，防止人为操作导致刀盘旋转。

        刀盘切削原状土、旋转、克服各种摩擦力等刀盘旋转都需要扭矩，进而导致刀盘旋转时系统液压油有压力，压力大小是由于刀盘所需被动扭矩产生的。在所有部件确定后，刀盘驱动扭矩值与泵AB口液压油压力差成正比，正比系数由盾构制造生产商通过计算取值。如果盾构生产商正比系数取值比实际偏大，那么显示出来的扭矩值就不是真实的扭矩。

        盾构刀盘驱动液压系统如下图：

       由于刀盘驱动液压系统较复杂，一张图也看不清楚，笔者将此图分为几部分（一是先导泵及补油泵、二是恒功率控制系统、三是刹车及高低速控制系统、四是液压泵系统、五是液压马达系统）进行介绍。此刀盘驱动液压系统由三个315kw电机，带动三个液压泵，产生高压油，高压油带动8个液压马达旋转，进而带动刀盘旋转。此液压系统为闭式循环系统，设计了先导泵及系统控制液压泵，设计了补油泵对液压泵低压端油路进行补油。

        先导泵及补油泵系统如图1：

        图1

       图1左侧是先导泵，主要作用是采用5.5kw电机带动一小液压泵，精确控制液压油压力，主要作用是控制三个大液压泵的斜盘角度大小、2号液压马达处的刹车开启和8个液压马达的高低速转换。泵启动时阀235不得电，启动几秒后再得电，小泵产生恒定的液压油压力和流量。

        图1右侧是三个大液压泵的补油泵，采用75kw电机带动一定量泵，主要为三个大液压泵的闭式循环系统补充液压油。

        注意：刀盘旋转时为确保大液压泵安全，补油泵补油压力不能高也不能低，一般为18～30bar。因此，有时需要通过溢流阀242.1调整补油泵液压油压力。阀242.1也很容易出现问题。

         先解释下恒功率的概念。盾构刀盘扭矩曲线图如下图。

       盾构刀盘旋转需要消耗功。盾构刀盘旋转消耗的功是由液压油压力与流量决定的，功的大小与压力、流量成正比。刀盘扭矩与液压油压力成正比。刀盘转速与液压油流量成正比。因此，盾构刀盘旋转消耗的功与刀盘扭矩和刀盘转速成正比。盾构刀盘旋转消耗的功是由三个大电机提供的。因此，为了确保大电机不超负荷，液压油压力与转速的积在最大荷载时必须是一定值，即电机的最大提供功。盾构恒功率控制系统是确保大电机不超负荷，防止跳闸或损坏电机。此种条件下，电机最大荷载时，液压油压力与转速成反比。盾构恒功率曲线图x轴是刀盘转速，y轴是刀盘扭矩。盾构恒功率控制系统是液压阀控制确保大电机不超负载，也就是在高速或低速时刀盘转速与扭矩在曲线之内，不要超曲线范围。也可以这样理解，盾构司机将刀盘转速调节为1.5r/min。当刀盘转速为1.5r/min,刀盘扭矩最大值为3000knm,但由于推力较大导致刀盘扭矩超过3000knm，那么恒功率控制系统自动调节刀盘转速低于1.5r/min，确保电机不超负荷。第1档可以认为是刀盘低速档，第2档可以认为是刀盘高速档，高低速档是马达的斜盘角度不同导致的。高速档斜盘角度小。

         恒功率控制系统如图2。

  

图2

        如图2，先导泵高压油（一般为100bar）经调速阀210.2（达到先导油设计流量）、减压阀210.2、一部分到达大液压泵控制油路加一部分经电磁比例溢流阀210.4溢流回油箱。电磁比例溢流阀210.4的电流是由刀盘操作面板上的刀盘转速经放大板反馈的，也就是说当刀盘转速旋钮旋转至一位置，输入至放大板一直流电压（0～10v），放大板输出一直流，确保大液压泵控制油路中是一稳定液压油压力。实际上，刀盘转速大小由大液压泵的斜盘角度决定，大液压泵的斜盘角度是由先导泵控制油路的油压大小决定的（这将在下文叙述）。  

        阀210.6就是恒功率阀。两个单向阀210.1.1是与刀盘驱动系统液压马达附近A、B口相通，液压马达A、B口高压端液压油进入恒功率阀210.6内，当液压油压力要超过恒功率曲线范围时，恒功率阀210.6的先导控制油溢流回油箱，大液压泵控制油路油压低于电磁比例溢流阀210.4的溢流压力，此时d大液压泵斜盘角度降低，确保大电机在最功率范围内。这就恒功率阀210.6的作用。

       阀210.5是额定扭矩与脱困扭矩控制阀。正常情况下，盾构机刀盘驱动系统处理额定扭矩下施工，当液压马达A、B口高压端液压油压力超过左侧阀210.7、210.8的控制值（235bar）时，大液压泵控制油路液压油溢流，刀盘转速降低为0。当刀盘卡死，手动将阀210.5搬动至左位（处于脱困扭矩），当液压马达A、B口高压端液压油压力超过右侧阀210.7、210.8的控制值（270bar)时，大液压泵控制油路液压油溢流，刀盘转速降低为0。这就是盾构刀盘脱困的控制系统。

        注意：一般情况下盾构刀盘在额定扭矩下困住，在脱困扭矩下也无法脱困。常规方法是土仓内多出渣，降低刀盘旋转时的土仓被动扭矩，进而达到刀盘脱困之目的。笔者有时也采用盾构直接在脱困扭矩下掘进，刀盘大部分时间在额定扭矩下工作，偶尔扭矩超过额定扭矩小于脱困扭矩时刀盘也不会困住，从而达到刀盘不会被困住之目的。我认为这种方法更优于在额定扭矩下刀盘被困住再启用刀盘脱困扭矩的方法。

        刹车及高低速控制系统如图3。

图3

       如图3是刹车及刀盘高低速控制系统。 先导泵高压油经调速阀、减压阀12.3。 当阀12.3不得电时，先导油不会通过阀，压力油不会进入马达控制油路 ，马达斜盘角度最大，为低速；当阀12.3得电时，先导油通过阀，压力油进入马达控制油路 ，马达斜盘角度最小，为高速。因此，当低速按钮启动，阀12.3不得电，当高速按钮启动，阀12.3得电。

       阀12.5为2号马达刹车打开阀。当阀12.5不得电时，先导油不会通过阀12.5。当阀12.5得电，先导油经减压阀12.6、阀12.5、单向阀和节流阀、一部分进入蓄能器14另一部分进入2号马达刹车内，将刹车片打开。

       注意：刀盘刹车为刀盘停止后刹车，并不是刀盘旋转中刹车，刀盘旋转中刹车是刹不住的，同时会损坏减速机等部件。因此，只有当刹车片打开后刀盘才允许转动。当刀盘旋转停止，刹车片并不是马上闭合刹车。阀12.5断电，由于蓄能器14液压油经节流阀、阀12.5慢慢卸压，刹车是隔一段时间（约20秒）才闭合，防止刀盘还在旋转就刹车，损坏部件。

       液压泵系统如图4。

图4

        图4是刀盘驱动液压系统中主液压泵及控制系统。201是315kw电机带动主液压泵。此系统为闭式循环系统，当A口为低压进油口时，B口就为高压出油口，反之一样，当高压出油口变化时刀盘旋转方向相应发生变化。图4最右侧线为补油管路，补油泵液压油少部分到蓄能器222，大部分经单向阀进入泵低压端的A口或B口，当泵未启动时对A口和Bk口管路内补油，多余部分经单向阀119、溢流阀214溢流回油箱，无论是大液压泵停止还是运行都要确保闭式循环系统管路中充满液压油，防止产生气蚀等现象。蓄能器222对补油管路起稳压作用，防止补油压力波动过大。

       四位四通阀216是刀盘左右转的启动阀。当电机201启动，阀216得电，阀芯处于右位时，通过恒功率控制系统中的电磁比例溢流阀210.4调节的稳定压力油经阀216进入到三位三通阀114右侧阀芯，推动阀芯左移（同时液压油经阀芯左侧流出），此时阀114处于右位，液压缸115无杆腔卸油回油箱箱，无杆腔液压油压力降低，液压缸115有杆腔液压油与大液压泵的A口和B口经单向阀后相通，液压油压力是大液压泵高压出口压力，此时液压缸115液压杆右移（斜盘角度向右增加），进而带动阀114阀芯右移，当阀114阀芯右移过多，阀芯处于左位时，液压缸115无杆腔与有杆腔相通，有杆腔内高压油将向无杆腔内低压油溢流，液压缸115液压杆再次左移，进而带动阀114阀芯左移，最终先导油压力对阀芯的作用力与液压缸115上液压杆上弹簧对阀芯的作用力相等，阀114阀芯处于中位（大液压泵斜盘角度固定，泵流量固定，刀盘转速不变）。当先导油压力增加，泵斜盘角度继续增加，刀盘转速提高。

        当电机201启动，阀216得电，阀芯处于左位时，通过恒功率控制系统中的电磁比例溢流阀210.4调节的稳定压力油经阀216进入到三位三通阀114左侧阀芯，推动阀芯右移（同时液压油经阀芯右侧流出），此时阀114处于左位，液压缸115无杆腔与有杆腔相通，有杆腔内高压油将向无杆腔内低压油溢流，由于液压缸有杆腔与无杆腔作用面积不同，液压缸115液压杆左移（斜盘角度向左增加），进而带动阀114阀芯左移，同样原理，最终先导油压力对阀芯的作用力与液压缸115上液压杆上弹簧对阀芯的作用力相等，阀114阀芯处于中位（大液压泵斜盘角度固定，泵流量固定，刀盘转速不变）。当先导油压力增加，泵斜盘角度向左继续增加，刀盘转速提高。

        注意：先导油压力直接决定了大液压泵斜盘角度。先导油流经阀114阀芯左侧还是右侧决定了刀盘是左转还是右转。

        阀116、阀117、阀118是大液压泵的安全保护阀，当泵高压油超过泵最大压力限定时，高压油向低压油卸油低压油经阀116、阀214卸油。

       液压马达系统如图5。

图5

        图5是液压马达系统。马达与减速机之间安装有刹车片。当先导油进入刹车内时，将刹车顶开。当先导油卸油后刹车关闭。液压缸10液压杆处于左位为高速档，处于右位为低速档，马达斜盘角度小，大液压泵流量相同情况下马达转速高，刀盘转速快。阀9左侧阀芯无先导油时，液压缸10有杆腔与马达A、B口相通，高压油在有杆腔内，无杆腔油经节流阀、溢流阀卸油，马达斜盘处于最大角度，刀盘转速为低档。 当 阀9左侧阀芯有先导油时，液压缸10有杆腔与无杆腔都与马达A、B口相通，高压油存在于有杆腔内和无杆腔内，由于作用面积不同，马达斜盘处于最小角度，刀盘转速为高档。  

        注意：可能是由于刹车系统设计问题，刹车系统内密封容易损坏。

        综上所述，刀盘驱动液压系统较复杂，笔者只是介绍其主要功能，一些阀件未详细介绍。总结起来就是刀盘驱动液压系统采用先导泵的液压油压力控制大液压泵斜盘角度，采用先导油控制马达斜盘角度（最大-低速和最小-高速），恒功率阀确保了大电机不超负载。刀盘刹车是停机后刹车，不允许刀盘旋转时刹车。