盾构机推进系统电液控制原理探究

海瑞克盾构机推进系统电液控制原理探究海瑞克盾构机推进系统液压阀组众多，电气控制系统复杂，PLC 连锁条件繁琐。加之现场维保人员对其工作原理认知不深，控制思路理解不透，无法将液压、电气及PLC控制有效融合，导致故障排查时间久效率低。为此，现以海瑞克S465盾构机推进系统为例，结合液压、电气图纸及PLC控制程序详细阐述推进系统的电液控制原理，为快速排查液压电气故障提供理论依据。另外，为方便探究原理，特将推进系统电磁阀、传感器、电位器在电路液压图、PLC中的标签及功效列表呈现。

一、操作原理

上图为推进系统的操作面板，面板上包括两种工作模式按钮，15-6S4按钮为正常掘进模式，15-6S7按钮为管片拼装模式，红色按钮15-6S2为停止操作按钮。在正常推进时，按一下15-6S4按钮，调节四组油缸的压力调节电位器，直到理想的压力值，然后调节速度电位器15-11R6，速度电位计控制所有四组油缸的比例阀开口相同；当需要调节某一组油缸的速度时，就根据需要调节改组油缸的推进压力电位器(A组15-27R5、B组15-45R5、C组15-63R5、D组

15-82R5)。需要整体增加推进速度时，需要调节速度旋钮15-45R5，当调节速度调节按钮不能满足掘进速度要求时，需要对各组压力提高。当进行盾构机的姿态调整时，通过调节各组油缸的压力调节旋

钮使盾构沿设计曲线掘进。每组油缸中都设有位移传感器，显示每

组油缸的行程。

二、推进系统速度、压力调节的电液控制原理

1、基础设计

为实现推进及拼装功能，海瑞克盾构机推进系统需具备以下能力：推进阀组满足推进速度的要求，能够实现方向调节、可远程连

续调整推进方向及推进速度，能够实现推进油缸的快速回退。

（1）推进速度控制

推进系统的自动控制模式在自动控制的模式下工作，PLC可以

根据已建立的推进压力解算出当前在所处的地质状况下的推进速度，因为推进速度是由推进压力所决定的，在一定的推进速度下所需的

最小工作流量是可以确定的，进而建立比例流量阀的合适开口，以

提供合适的流量，进一步，根据比例流量阀的最小工作压差（可知

的不变量），可以解算出泵出口的最小压力，从而使系统工作在最

佳的效率点上。

（2）推进方向控制

每组油缸的三位四通换向阀均处在推进工作位置，插装换向阀

处于关闭位置，远程比例压力阀根据操作人员的调节建立推进压力，推进压力经压力传感器检测反馈到PLC，推进方向控制是在四组控

制模块所建立的控制压力大小不同，且产生的合成推力偏离盾体中

心线时，将产生转弯扭矩，迫使盾体转弯。

（3）推进缸的快速退回控制

在快退时，所选油缸的换向阀处于向油缸有杆腔供油的位置，

进油路上的插装阀接通，采用大流量供油，实现快速返回，油缸无

杆腔的回油经插装阀流回油箱。

2、控制原理

推进系统分为两种工作模式，掘进模式和管片拼装模式。合起

来为一个工作循环，按先后顺序分解为五个步骤：推进（掘进模式）、保压、卸荷、快收（管片拼装模式）、快伸（管片拼装模式）。这两种模式五个步骤通过改变不同阀的工作来实现不同的功能。推进泵采用远程压力控制柱塞泵，由比例溢流阀控制出口压力，泵出口装有两级安全阀及压力传感器。推进系统的自动控制模式在

自动控制的模式下工作，PLC可以根据已建立的推进压力解算出推

进速度（在所处的地质状况下），在一定的推进速度下所需要的最

小工作流量是可以确定的，进而建立比例流量阀的合适开口，以提

供合适的流量，进一步，根据比例流量阀的最小工作压差（可知的

不变量），可以解算出泵出口的最小压力，从而使系统工作在最佳

的效率点上。为此海瑞克将控制算法设计为推进泵先导控制比例溢

流阀的压力根据泵出口压力P泵和推进油缸压力传感器的显示压力Pmax（四组油缸A、B、C、D中最大的一组）加20bar通过PLC进行PID控制自动调节，调节范围是0-350bar；通过程序中的PID控制

使泵建立一种动态平衡就是 P泵=Pmax+20。在管片拼装模式下，压

力是通过人机界面输入参数值（一般为50-100bar），然后通过PLC控制溢流阀的溢流压力，来控制泵的出口压力与设置值相符。

下面以A组18#油缸为例结合电液控制原理图、液压图、电路图和PLC程序详细阐述其工作原理。

电液控制原理图

A组压力调节电位器【15-27R5】是一个滑动电阻，加载0-10V 直流电。当从小拧到大时，电阻从大变到小，电压从0-10V平滑过渡,该电压作为一个模拟量输入【pew534】到PlC参与运算，运算完毕后输出【paw522】一个0-10V的电压信号，该电压信号做放大器的输入变量，放大器运算后输出一个230-530ma的电流信号，这个

大电流直接连接到比例阀的电磁铁上用于改变磁通量，电流越大磁通越大。如果是溢流阀，电流大则溢流压力高，通过油缸的油压就越大；如果是调速阀，电流越大则节流孔开口越大，流量越大，速度越快。这就是旋转旋钮，速度和压力能够跟着变化的根本原因。

现在按照盾构机施工流程按先后顺序分五个步骤详细阐述推进系统工作原理：

1、推进：正常掘进的情况，电液换向阀右端(A174)15-21Y4得电，此时电磁换向阀(A120)15-25Y3、电磁换向阀(A789)15-90Y3和电磁球阀(A418)15-88Y3失电,压力油由泵的出口经单向阀、球阀、滤清器、比例调速阀(A110)15-28Y

2、三位四通电磁阀右位(A174)15-21Y4进入推进缸无杆腔，回油经三位四通电磁阀流回油箱，油缸向前推进。此时推进压力由比例溢流阀(A100)15-28Y4进行控制，推进速度由比例调速阀15-28Y2(A110)进行控制。

液压原理图——18#油缸推进