盾构机HBW密封系统的改进

HBW密封系统的改进

四川成都 610015）
要 盾构作为地铁隧道施工的主要设备在中国迅速发展，为了保证隧道施工的安全性，
HBW密封系统有着重要的作用。本文从盾构的三种密封开始叙述，进而提
HBW密封系统的设计原理和PLC控制原理，分析原设计由于没有控制分流器脉冲数的上
致使实际HBW注入量远远超出理论范围，造成施工方成本的增加与浪费。为了能够降低
提出在HBW密封系统设备的分流器前增加一气动球阀，设计一集成电
此集中电路板控制电磁阀两次通电间隔时间(0～99秒)和每次的脉冲数
～99)都是可以调节的，从而保证HBW注入量可以调节到理论范围内。此系统改进后，经
HBW

HBW密封系统；设计原理；改进；成本
As the major tunnelling equipment for metro construction, shield machine develops
in China.
To ensure the safety of shield tunnelling, labyrinth seal system plays an
to be added before diverter. And an IC board is designed to control the valve. The
of activating(0~99) and each impulse(0~99) can be adjusted. These ensure the HBW

labyrinth seal system；design principle；improvement；cost
盾构的密封
又能在地层中掘进的施工机具。城市地铁使用盾构法
(一般为1.2米或1.5米)后使用拼装机将预制好的管片拼装到

盾尾密封通常使用三排不锈钢钢丝

盾构一般做成2节的形式。中盾与盾尾之间以铰接的形
铰接密封是为了防止周围地层的土砂、地下水等从中盾与盾尾之间的间隙流向盾构

1）。
双唇形密封系统与轴承座圈成X型排列，这样可
不会受到来自盾构内的污染。另外，润滑油手动注入到两唇形

这样可以防止盾构土仓内的渣土、地下水等进
提高主轴承的使用寿命。第一排与第二排唇形密封件之间自动注入润滑脂，可
第二排与第三排唇形密封件之间是泄漏室，可以检查主轴承的密封

地下水等外部杂质侵入三排唇形密封，在第一
HBW。填加HBW密封油脂的系统就称为HBW密封系统。
轴承中心方向主轴承滚柱主轴承与盾体固定部分主轴承旋转部分
注润滑脂
内部密封系统与盾体固定与刀盘固定，旋转
注脂注润滑油泄漏室盾构内侧 盾构外侧
1 主轴承密封系统图
盾构的HBW密封系统
HBW密封系统的设计原理
HBW密封脂通过盾构台车上的气动注脂泵输送到盾构主轴承外部密封系
8个注入点，将其环形空间填满，可以有效防止土仓内

密封系统的工作原理与电气控制
HBW密封系统(如图2)工作原理如下：
V5电磁阀处于通电状态下，空压机产生的高压气体经三联体Z1中的冷凝器、气体减
V3进入气动注脂泵P2，气动注脂泵在有压气体作用下工作，从
HBW密封脂，从出口泵出高压力的密封脂，高压密封脂经截

止阀
输送到分流器1V001中，高压密封脂推动分流器中的8个齿轮马达旋转，同时分成8
8个注入点内。通过手动调节z1中的气体减压
(每增加1bar气压气动注脂泵可以增加50bar
HBW脂压力)，从而控制分流器的齿轮转速，达到控制HBW注脂量的目的。使用三位
1P001可以实现HBW密封脂桶的更换。
HBW密封系统的电气控制原理：
PLC控制系统自动使二位三通阀V5通电，气动注脂泵工作，刀盘停止旋转后
自动断电，气动注脂泵停止工作。手动启动模式是盾构司机将气动注脂泵启动按钮按下，
PLC控制系统使二位三通阀V5通电，气动注脂泵工作，当气动注脂泵停机按钮按

S4断电后盾构PLC系统在主控制室的操作屏幕上显示HBW桶空的错误信息，指导
HBW。PLC程序通过接近开关S2的脉冲信号可以计算出盾构掘进一环时气动注

分流器上的8个齿轮马达每旋转一周接近开关S1通电一次。盾构HBW理论用量S1每分
5，即每分钟注入HBW脂0.0496升。为了能够保证HBW在刀盘旋转时的注入
PLC程序设定如下：当接近开关S1每分钟的脉冲数大于或等于5时刀盘正常旋转，当
5时刀盘停止旋转。
2 HBW密封系统原理图
密封系统的缺点
密封脂属于消耗性产品，作为施工方要求唇形密封效果好，HBW的消耗也要最少(每
0.0496升)，即经济又合理。
HBW密封系统的工作控制原理可知，为了能够保证盾构刀盘的正常旋转必须要保证
S1每分钟的脉冲数大于或等于5(使用者最希望的是每分钟的脉冲数等于5)，而脉
Z1中的气体减压阀的气体压力大小。由于气动注脂泵的泵送能力大，气
HBW脂的泵送量变化很大，同时温度不同，HBW脂的粘度不同，在
因此造成气体减压阀的调节十分困难。使用者只能通过调
S1每分钟的脉冲数大于5，才能保证刀盘的正常旋转。这就造成HBW脂的消

1号线盾构二标掘进40环，气动注脂泵工作50小时，实际消耗
脂327.36升，理论消耗148.8升，实际消耗是理论消耗的2.2倍。如果按此计算整个
3000环，HBW要多消耗13392升，折合人民币78.12万元。
脂的过量消耗要求尽快找出一个解决办法，将HBW脂的用量控制在理论范围内。
密封系统的改进
密封系统的改进主要是使分流器接近开关S1每分钟的脉冲数等于5，这样即满足了
HBW密封系统的理论用量，又不会浪费。
密封系统的改进方案
HBW密封系统现有设备的配置，进行了多种方案研究、比较和论证。
HBW密封系统的设备不变，将盾构PLC程序作如下改动：气动注脂泵开始
V5通电，在一分钟范围内当接近开关S1脉冲数等于5时阀V5断电，自从阀V5
一分钟后阀V5再次通电，在一分钟范围内当接近开关S1脉冲数等于5时阀
再次断电，自从阀V5上次通电开始计时，一分钟后

阀V5再次通电，周而复始，保证分
S1的脉冲数等于5，即HBW使用用量在理论范围内。当一分钟内接近开关S1
5时PLC控制刀盘停止旋转，经过增加气体压力可以使一分钟大于或等于5个脉
经过讨论认为此种方案不可行。因为气动注脂泵距离分流器的距离约为40至50米，阀
断电后分流器内HBW的压力逐渐降低，当阀V5开始通电到分流器前有足够压力的HBW脂
8个齿轮马达开始工作至少需要几十秒，因此阀V5经常通电、断电，会造成分流器接
S1脉冲数在一分钟内无法达到5，也就是刀盘无法正常旋转。
HBW密封系统设备的基础上，在分流器的前面增加一个由电磁阀控
V5开始工作后，气动球阀电磁阀通电，开始注入HBW密封脂，接近开关S1脉冲数等于
时气动球阀电磁阀断电，停止注HBW密封脂。气动球阀电磁阀通电一分钟后阀再次通电，
气动注脂泵一直处于工作状态，气动球阀前HBW密封脂一直处于高压状态，只要
S1的脉冲数会在一分钟内等于5，气动球阀电磁阀断电，
密封脂停止注入。
HBW的成本，又不会增加费用。
密封系统的改进
密封系统增加的设备采用盾构盾尾注脂使用的气动球阀（如图3）。
HBW密封系统Z1中的气体减压阀调节进入气动注脂的气体
S1脉冲数大于5。当
中气体压力调节过高时注入HBW密封脂压力高，分流器接近开关S1脉冲数在一分钟内的
5，然后气动球阀电磁断电，几十秒HBW密封脂停止注
这就造成HBW密封脂注入不均匀。为了保证HBW脂注入的均匀性，在第二种方案的基础
S1的脉冲数都是可以调节的。
密封系统可以为集成电路板提供以下条件：24V直流电源；接近开关S1的信号；需
(即阀V5的信号)；
V5工作时，电路板输出信号气
当接近开关S1达到设定脉
HBW注入的均匀
(0至99秒)和接近开关S1脉
(0-99) 在此范围内是可以任意调节的。
如图4)后，将气动球阀和集成电路板安装
5进行了配线。
将时间和脉冲分别设定为12
1 次，即每隔12秒要求接近开关S1脉
3 HBW密封系统改进简图 冲数等于1，分流器8个齿轮马达旋转一周，
密封脂分成8等份注一次，即达到理论用量(每分钟接近开关S1脉冲数为5，注HBW密
0.0496升)，保证盾构HBW消耗量在合理范围。时间和脉冲可以根据实际情况进行适当

HBW密封脂注入更加均匀，气动注脂泵的控制气压不宜过大，保证气动球
S1脉冲数在6～8之间，这样气动球阀电磁阀的断电时间
HBW密封系统大部分时间处于注脂状态。
180环观察，HBW密封系统改进后运行正常，刀盘能够正常旋转，HBW的消耗

4 集成电路板外壳 图5 集中电路板配线图
结论
HBW密封系统设备改进

以后，使盾构施工中HBW脂的消耗量控制在合理范围内，有集成电路板接24V电源+接24V电源-接脉冲信号+接脉冲信号-接控制信号+接控制信号-接输出信号+接输出信号-
密封系统的改进方法可以推广到所有盾构上的HBW密封系统。

盾构隧道，张凤祥,朱合华,傅德明. 编著.人民交通出版社出版发行(北京市朝阳区安定门外外馆斜街3号),2004年9月第
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隧道标准规范（盾构篇）及解说，[日]土木学会， 编；朱伟,译，中国建筑工业出版社 出版、发行(北京西郊百万庄),2001
11月第一版.