张旺
北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 11014
摘要：盾构掘进机是一种集机械、电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。盾构法施工以自动化程度高、施工速度快、安全可靠、对周边环境影响小等优点，已广泛用于地铁、地下隧道、饮水工程等项目。推进系统是盾构机的关键系统，它主要承担着推进任务，同时能够实现姿态控制。文章简要介绍盾构机的推进液压系统设计等。
关键词：盾构机；推进；液压系统；
前言
盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。盾构机在实际施工过程中，不同施工地层土质及其土压力的变化会对推进速度及推进压力产生很大影响。另外，在盾构机实际推进过程中，根据施工要求，还要做出许多动作，比如前倾、后仰、转弯和曲线行进，这些都会导致盾构机的前进方向和设计轴线产生一定偏差。为了满足实际施工需要，本文对推进速度控制采用比例变量泵来实现;推进压力控制采用分区比例减压阀来实现，以保证系统持续稳定高效工作。
一、盾构机推进液压系统设计
1.推进液压系统的动力单元设计
推进油缸在实际工作过程中有两种模式∶推进模式和管片拼装模式。推进模式要求推进力较大、速度较低;管片拼装模式为了提高效率，要求推进缸伸缩速度快而压力不是很高。结合这种特殊工作模式，得到推进液压系统的动力单元如图1所示。动力单元由3台泵组成，主泵2采用比例变量泵，它主要为系统提供高压低流量液压油，担任主要的推进任务。在推进模式下，操作手通过控制主控室的电位计旋钮，直接控制变量泵的斜盘摆角，进而实现推进速度的控制;在管片拼装模式下，该泵以最大流量输出，相当于定量泵使用。在管片拼装过程中，由于要求推进缸伸缩速度快，而不需要太高压力，可利用双联叶片泵4为系统提供低压大流量液压油，以提高管片的拼装效率。在盾构机施工过程中，通过推进缸位移传感器反馈液压缸实际行程，通过PLC计算实际运行速度，如果与给定信号产生偏差，利用偏差信号改变泵的排量使液压缸推进速度与设定值相同，使盾构机按照给定的速度前进。主泵还具有二级遥控压力切断功能，管片拼装模式的最大切断压力由溢流阀11调定，推进模式的最大切断压力由溢流阀12调定，通过三位四通换向阀10换向，控制二级压力转换，这样可以对系统进行过压保护。
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2.推进系统的液压缸分布形式
在盾构机推进系统中，采用推进液压缸分区控制可以进行盾构掘进方向控制及纠偏，在系统中对于每个独立分区都分别设有压力传感器和液压缸内置式的位移传感器，以实时检测各分区的推进压力及位移。采用比例减压阀进行分区控制以调整盾构掘进机各区的推进压力，液压缸的推进和缩回可以通过两位三通截止式电磁换向阀直接控制插装阀。
二、推进液压系统故障分析
1.油箱温升大、推进泵响声大
某隧道项目在盾构推进过程中，出现以下故障∶推进泵运转声音异常，油箱温升较大，且因油箱温度高而频繁报警停机。经故障排查得知，推进泵站压力反馈传感器失效，无法反馈压力，导致给定信号值一直为最大，推进泵一直处于满负荷运转状态，而过载保护的功率阀又没有起作用，系统安全阀始终处于溢流状态。因该系统结构紧凑，日常巡检保养难度大，幸好及时发现泵站声音不正常，故障得到及时处理，否则会引起泵和电机的损坏。温度较高的原因除泵持续大流量溢流引起发热外，还因为盾构长时间的大功率掘进导致盾体内部自然温度较高，通风系统对盾体内部的气流置换与冷却效果不佳以及区间隧道掘进里程过长等。
2.拼装模式下油缸收回速度慢
某隧道项目在盾构管片拼装过程中，出现以下故障∶推进油缸收回速度非常慢，导致管片拼装进度严重滞后，且拼装质量下降。经故障排查发现，推进比例放大板信号输出与泵站检测到的实际压力不匹配。进一步排查发现，因控制信号不稳定，致使实际压力低于主控室设定压力;无杆腔平衡阀阀套偏磨，导致阀芯配合不当卡滞，回油流量不足。
3.拼装模式下油缸串动
某隧道项目在推进系统调试时，在推进系统管片拼装模式下，当单个推进油缸进行伸缩时，有几个推进油缸同时伸出。经故障排查发现，盾构推进系统的三位四通换向阀前端的单向阀有些锈蚀，单向阀失效，同时回油过滤器过滤效果不好，过滤前后存在压差，由于油缸两腔承压面积不同造成差动连接，从而导致油缸伸出。更新回油过滤器后，过滤效果良好，过滤器前无压力，从而排除故障"。
三、推进液压系统改造
将盾壳内的推进液压系统油箱、泵、电机及相应阀组整体拆除并移出，以便于施工中的日常巡检与维修保养，新制安装平台置于2拖车左侧，同时将副油箱、电机、泵及其相应控制阀组移至2拖车新制安装平台处，对液压管路系统进行重新设计与布置，更换所有连接件和软管，加大热交换器冷却功率。为解决拼装模式下油缸收回速度慢的问题，根据该系统工况特点，选用大通径的导压操作单向阀，为推进油缸快速退回提供快速流通通道，减小液压油回程阻力。同时，为尽可能降低爆管带来的风险，将液控单向阀与集成阀块配合使用，将液压阀件安装在集成块上，集成块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用。这样既可省去大量管子和接头，充分利用各个液压元件的功能，使得结构更紧凑、密封性更好、更安全，又便于安装、调试和维护。
结束语
采用电液比例泵和比例减压阀设计的推进液压系统是可行的。当盾构机在施工过程中，推进压力和推进速度需要调整的时候，采用电液比例泵和比例减压阀的控制策略能够很好地根据推进过程的压力和速度的改变做出适应性的调整。虽然在调整时候会出现一些液压波动，但在实际操作过程中，操作员在调节压力和流量时，通过缓慢连续加压和改变流量，可以在一定程度上减少这些波动，达到工程的需求。
参考文献：
[1]庄欠伟，龚同芳，杨华勇．盾构机推进系统分析[J]．液压与气动，2004，(4)：11-14．