盾构机刀盘控制系统的机理与维护
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盾构机作为盾构法施工的主要设备在施工过程中 扮演着及其重要的角色 [3 ] , 可以说一个隧道工程能否 顺利圆满的安全施工 , 关键要看盾构机的性能是否适 应本工程的地质条件和施工环境 。而刀盘控制系统更 是盾构机的心脏 , 它的主轴承及密封在施工过程中无 法进行更换 , 它的寿命直接决定了整台盾构机的施工 寿命 , 因此从设计和维护的角度都必须对刀盘控制系 统的维护给予高度重视 。
Keywords: Shield machine; Cutterhead; Hydraulic control system
0 引言 随着城市建设的发展 , 人口数量的增多和地面交
通的拥挤使得地下空间的开发已经成为各大城市发展 的主要方向 。地下空间的开发程度从某种意义上来说 也标志着一个城市的文明发展水平 [1 - 2 ] 。盾构法是目 前隧道暗挖施工中最为先进的一种方法 , 其优势是不 受地表环境影响 , 作业环境安全 , 适用范围宽且其产 品盾构隧道的抗地震性能好 , 因此被世界各国广泛应 用于城市地下交通隧道城市污水隧道和城市管线隧道 等工程的施工 , 又被称为城市隧道工法 。
( 3) 在活塞 2右移的同时 , 压力油脂进入活塞 3
左侧的空腔 , 并推动活塞 3右移 , 此时管口 3将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 3右侧空腔的容量 。
( 4) 在活塞 3右移的同时 , 压力油脂进入活塞 1
右侧的空腔 , 并推动活塞 1左移 , 此时管口 4将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 1左侧空腔的容量 。
压缩空气驱动 , 输入气压和输出油脂压力的比值为
1∶50, 即 011MPa 的气压可产生 5MPa 的油脂压力 。
通常我们可以将压缩空气的压力设为 0115 ～012MPa,
则输出的油脂压力为 715 ～10MPa, 足以克服油脂在
管路中的压力损耗 , 并保证分配阀供油的压力 。
油脂分配阀在本
系统中起着关键性的
低速大扭矩的工作方式适用于软土掘进 。首先 , 降低转速可以减少刀盘与土仓内碴土之间的摩擦阻
力 , 从而降低土仓内的温度 , 减少高温对刀具内部结 构和主轴承密封的损坏 ; 其次 , 增大扭矩也就是意味 着增大每把刮刀的切削力 , 可以使用更大的切深 , 从 而有助于提高平均掘进速度 。
2 密封系统
2007年 5月 第 35卷 第 5期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
May 2007 Vol135 No15
盾构机刀盘控制系统的机理与维护
林军 1 , 刘强 2
(11广州市盾建地下工程有限公司 , 广州 510030; 21华南理工大学机械工程学院 , 广州 510641)
作用 , 它的工作示意
图见图 4, 它是由底
板 、定量块和冲程计
数器构成 。它的设计
理念是只需确保油脂
的供应量而无需考虑
输出油脂的压力 , 如
果有油脂输出 , 那压
力自然能够满足抵抗
外界压力的要求 , 此 设计具有一定的优越
图 4 分配阀工作示意图
性。
假如在启动前这个油脂分配阀的所有阀芯处于当
前状态且所有空腔和管路都是充满润滑油脂的 , 从图
摘要 : 刀盘是盾构机中极其重要的部件 , 本文介绍了盾构机刀盘液压控制的驱动系统 、密封系统及自动润滑系统的工 作原理及其维护方法 。
关键词 : 盾构机 ; 刀盘 ; 液压控制系统 中图分类号 : TH137 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 5 - 243 - 3
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设了 6个油脂注入孔 ( FA1—6) 来保证润滑的效果 。
针对前述的关键位置 , 海瑞克公司为了经济有效地加
注润滑油脂 , 使用了如图 3 所示的自动注脂润滑系
统 , 来保证设备的寿命 。
在该润滑系统中主要包括气动油脂泵 、油脂分配
阀和通断电磁阀 。油脂泵作为油脂供应的动力元 , 由
承密封设计寿命为 6 000h。若以每环掘进时间 1h计 算 , 则主轴承和密封可满足掘进 6 000环 。
主轴承的密封装置包括内密封和外密封 。外密封 又称土 砂 密 封 , 由 3 道 唇 形 密 封 组 成 (如 图 2 所 示 ) , 以防止砂土通过密封元件进入主轴承内 , 实现 对主轴承的可靠保护 。一旦刀盘运转 , 控制系统即自 动开动油脂泵主动将一种较为粘稠的油脂 ( CONDAT HBW ) 连续不断向第一道密封靠砂土的一侧挤出 , 使土仓内碴土不能进入主轴承内 。在第一道密封和第 二道密封之间注入高级润滑油 ( Shell EP2) 对第一 、 第二道密封进行润滑 , 同时也起到清洁和润滑第一道 密封的作用 。在第三道密封后面循环注入齿轮油 , 用 于第三道密封 、主轴承轮齿 、滚子和滚道的润滑 。在 第二道和第三道密封之间平均分布有 6条管路 , 并用 油管连接到中体下方的一个小泄漏油箱用来收集从第 三道密封泄漏进去的齿轮油 。由于唇形密封的密封单 向性 , 可以保证润滑脂不会进入主轴承齿轮传动区 , 以免影响齿轮油的质量 。内密封同样采用唇形密封实 现。
Pr inc iple and M a in tenance of Cutterhead Con trol System of Sh ield M ach ine
L IN Jun1 , L IU Q iang2 (11Guangzhou M unicipal Dunjian Underground Construction Engineering Co1, L td1, Guangzhou 510030, China; 21M echanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract: Cutterhead is one of the most critical components of shield machine1Working p rincip les of the cutterhead driven sys2 tem , sealing system , and automatic lubricating system were introduced, the common maintenance measures were p resented1
表 1 驱动方式性能比较表
性能
电机驱动
液压驱动
噪声
小
大
传动效率
高
低
环境温度 小且恒定
发热小 , 设备 周围的温度高
后续设备
ห้องสมุดไป่ตู้
小
大
启动电流
使用离合器 和变频技术
37kW 以上需要 三角形启动
通过逆变器改 转速控制 变频率来控制
通过改变流量实 现转速连续可调
由表 1的比较可以看出采用液压驱动 , 虽然传动 效率低 、噪声较大 、发热量较大和会占用较多设备空 间 , 但是由于隧道工作环境恶劣 、刀盘启动停止较为 频繁 、在较硬的岩土中掘进时刀盘承受冲击力较大 , 所以选用液压驱动是较为合理的 , 特别是液压驱动具 有转速连续可调的功能 , 便于操作人员控制 , 只要保 障设备始终有良好的冷却水供给和良好的隧道通风 , 液压系统对工作环境的温升影响可得到显著减低 。
中可以看出 , 其工作顺序如下 :
( 1) 进入分配阀的压力油脂首先推动活塞 1 向
右移动 , 此时管口 1将会有油脂输出 , 输出的量为活
塞 1右侧空腔的容量 。
( 2) 在活塞 1右移的同时 , 压力油脂进入活塞 2
左侧的空腔 , 并推动活塞 2右移 , 此时管口 2将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 2右侧空腔的容量 。
刀盘驱动扭矩是通过主轴承的内齿圈传递扭矩到
刀盘的 , 主轴承采用大直径三排滚柱组合轴承 , 可承 受足够的径向力和双向轴向推力 。因此主轴承及其密
封的寿命是决定盾构机能否完成隧道的关键 。本公司
所用的 盾 构 机 的 主 轴 承 是 由 国 际 著 名 厂 家 Hoesch Rothe Erde设计制造的 , 设计寿命为 10 000h。主轴
连续可调 , 可保证盾构机操作手能根据掘进中所遇到 的不同地层随时调整设备至最适宜的工作状态 。
由图 1可以看出 : 使用土压平衡掘进模式工作时 (系列 I曲线 ) , 刀盘转速在 0 ～217 r/m in 内连续可 调 , 正常工作最大扭矩为 4 377kN·m; 在敞开式掘进
模式 (系列 Ⅱ曲线 ) 时 , 刀盘转速在 0 ～611 r/m in连 续可调 , 正常工作最大扭矩为 1 970kN·m; 系统的脱 困扭矩为 5 350kN·m。
级减速传动 , 第一级减速器紧接液压马达之后 , 第二 级减速通过 17齿小齿轮传动 101 齿的主轴承大齿圈 实现 。主轴承齿轮油配备了齿轮油泵 、过滤器和热交
换器 , 对齿轮油起到过滤和冷却作用 。
本盾构机的刀
盘液压驱动系统回
路是容积调速回
路 , 它有两种工作 状 态 ( step1 和
step2) , 由外控液
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·244·
机床与液压
第 35卷
用于制动刀盘 。
112 刀盘驱动系统的工作原理 海瑞克盾构机的选用液压马达驱动 , 传动采用双
111 刀盘驱动系统的组成 刀盘驱动系统主要包括大排量变量柱塞泵 、液压
管路 、双级排量驱动液压马达 、减速器 、主轴承及其 密封润滑装置等 。刀盘驱动由主轴承的内齿圈通过连 接法兰用高强度螺栓与刀盘联接 , 为刀盘开挖掘进提 供所需要的转动扭矩 , 它可以使刀盘在顺时针和逆时 针两个方向上实现 0～611 r/m in的无级变速 。刀盘驱 动主要由 8组传动副和主齿轮箱组成 , 每组传动副由 一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组 成 , 其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置 ,
图 3 自动润滑系统原理图 因此 , 在盾构机主轴承的结构设计上沿圆周方向
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第 5期
林军 等 : 盾构机刀盘控制系统的机理与维护
压 系 统 (功 率 为 图 1 刀盘驱动系统转
515kW ) 控制 , 通
速 - 扭矩关系图
过改变控制室内的
输入二位电磁阀的电信号来改变泵或马达的斜盘角度 ,
从而改变 3个刀盘驱动供油液压泵 (A4V750—315kW ) 的供 油 流 量 和 8 个 驱 动 液 压 马 达 ( A6VM500— 51142) 的排量 , 实现刀盘转速及扭矩的改变 。土压 平衡模式掘进时选用 step1, 刀盘的转速和扭矩遵循 如图 1中的系列 I曲线变化 ; 敞开式掘进模式时选用 step2, 刀盘的转速和扭矩遵循如图 1 中的系列 II曲 线变化 。刀盘驱动系统设计成正 、反向转动和转速均
图 2 主轴承外密封示意图 土砂密封因不易更换 , 所以润滑脂的用量应在很 好地进行密封温度管理的条件下 , 可使密封性能一直 保持到掘进终了时的用量考虑 , 为此把土砂密封润滑 脂做成自动供脂形式 。
3 自动润滑系统 从图 2中还可以看出 , 在主轴承上泥沙和水等物主
要的侵入位置在主轴承的三道旋转密封处 , 土仓内的泥 砂具有一定压力 , 如果旋转密封和金属基体在使用过程 中导致较大的磨损 , 那么泥沙等物就可以轻易地进入主 轴承 , 并导致主轴承的锈蚀、磨损甚至破坏。
本文以海瑞克盾构机刀盘的液压控制系统为例 , 详细介绍了盾构机液压控制的驱动系统 、密封系统及 自动润滑系统的工作原理及其维护 。 1 刀盘驱动系统组成及工作原理
驱动机构是指向刀盘提供必要旋转扭矩的机构 , 该机构是由带减速机的油马达或者电动变频马达 , 经 过传动副齿轮装在切削刀盘后面的齿轮或销锁机构 。 和变频马达驱动相比 , 液压驱动有一定的优势 , 两者 的性能比较见表 1。
Keywords: Shield machine; Cutterhead; Hydraulic control system
0 引言 随着城市建设的发展 , 人口数量的增多和地面交
通的拥挤使得地下空间的开发已经成为各大城市发展 的主要方向 。地下空间的开发程度从某种意义上来说 也标志着一个城市的文明发展水平 [1 - 2 ] 。盾构法是目 前隧道暗挖施工中最为先进的一种方法 , 其优势是不 受地表环境影响 , 作业环境安全 , 适用范围宽且其产 品盾构隧道的抗地震性能好 , 因此被世界各国广泛应 用于城市地下交通隧道城市污水隧道和城市管线隧道 等工程的施工 , 又被称为城市隧道工法 。
( 3) 在活塞 2右移的同时 , 压力油脂进入活塞 3
左侧的空腔 , 并推动活塞 3右移 , 此时管口 3将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 3右侧空腔的容量 。
( 4) 在活塞 3右移的同时 , 压力油脂进入活塞 1
右侧的空腔 , 并推动活塞 1左移 , 此时管口 4将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 1左侧空腔的容量 。
压缩空气驱动 , 输入气压和输出油脂压力的比值为
1∶50, 即 011MPa 的气压可产生 5MPa 的油脂压力 。
通常我们可以将压缩空气的压力设为 0115 ～012MPa,
则输出的油脂压力为 715 ～10MPa, 足以克服油脂在
管路中的压力损耗 , 并保证分配阀供油的压力 。
油脂分配阀在本
系统中起着关键性的
低速大扭矩的工作方式适用于软土掘进 。首先 , 降低转速可以减少刀盘与土仓内碴土之间的摩擦阻
力 , 从而降低土仓内的温度 , 减少高温对刀具内部结 构和主轴承密封的损坏 ; 其次 , 增大扭矩也就是意味 着增大每把刮刀的切削力 , 可以使用更大的切深 , 从 而有助于提高平均掘进速度 。
2 密封系统
2007年 5月 第 35卷 第 5期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
May 2007 Vol135 No15
盾构机刀盘控制系统的机理与维护
林军 1 , 刘强 2
(11广州市盾建地下工程有限公司 , 广州 510030; 21华南理工大学机械工程学院 , 广州 510641)
作用 , 它的工作示意
图见图 4, 它是由底
板 、定量块和冲程计
数器构成 。它的设计
理念是只需确保油脂
的供应量而无需考虑
输出油脂的压力 , 如
果有油脂输出 , 那压
力自然能够满足抵抗
外界压力的要求 , 此 设计具有一定的优越
图 4 分配阀工作示意图
性。
假如在启动前这个油脂分配阀的所有阀芯处于当
前状态且所有空腔和管路都是充满润滑油脂的 , 从图
摘要 : 刀盘是盾构机中极其重要的部件 , 本文介绍了盾构机刀盘液压控制的驱动系统 、密封系统及自动润滑系统的工 作原理及其维护方法 。
关键词 : 盾构机 ; 刀盘 ; 液压控制系统 中图分类号 : TH137 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 5 - 243 - 3
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设了 6个油脂注入孔 ( FA1—6) 来保证润滑的效果 。
针对前述的关键位置 , 海瑞克公司为了经济有效地加
注润滑油脂 , 使用了如图 3 所示的自动注脂润滑系
统 , 来保证设备的寿命 。
在该润滑系统中主要包括气动油脂泵 、油脂分配
阀和通断电磁阀 。油脂泵作为油脂供应的动力元 , 由
承密封设计寿命为 6 000h。若以每环掘进时间 1h计 算 , 则主轴承和密封可满足掘进 6 000环 。
主轴承的密封装置包括内密封和外密封 。外密封 又称土 砂 密 封 , 由 3 道 唇 形 密 封 组 成 (如 图 2 所 示 ) , 以防止砂土通过密封元件进入主轴承内 , 实现 对主轴承的可靠保护 。一旦刀盘运转 , 控制系统即自 动开动油脂泵主动将一种较为粘稠的油脂 ( CONDAT HBW ) 连续不断向第一道密封靠砂土的一侧挤出 , 使土仓内碴土不能进入主轴承内 。在第一道密封和第 二道密封之间注入高级润滑油 ( Shell EP2) 对第一 、 第二道密封进行润滑 , 同时也起到清洁和润滑第一道 密封的作用 。在第三道密封后面循环注入齿轮油 , 用 于第三道密封 、主轴承轮齿 、滚子和滚道的润滑 。在 第二道和第三道密封之间平均分布有 6条管路 , 并用 油管连接到中体下方的一个小泄漏油箱用来收集从第 三道密封泄漏进去的齿轮油 。由于唇形密封的密封单 向性 , 可以保证润滑脂不会进入主轴承齿轮传动区 , 以免影响齿轮油的质量 。内密封同样采用唇形密封实 现。
Pr inc iple and M a in tenance of Cutterhead Con trol System of Sh ield M ach ine
L IN Jun1 , L IU Q iang2 (11Guangzhou M unicipal Dunjian Underground Construction Engineering Co1, L td1, Guangzhou 510030, China; 21M echanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract: Cutterhead is one of the most critical components of shield machine1Working p rincip les of the cutterhead driven sys2 tem , sealing system , and automatic lubricating system were introduced, the common maintenance measures were p resented1
表 1 驱动方式性能比较表
性能
电机驱动
液压驱动
噪声
小
大
传动效率
高
低
环境温度 小且恒定
发热小 , 设备 周围的温度高
后续设备
ห้องสมุดไป่ตู้
小
大
启动电流
使用离合器 和变频技术
37kW 以上需要 三角形启动
通过逆变器改 转速控制 变频率来控制
通过改变流量实 现转速连续可调
由表 1的比较可以看出采用液压驱动 , 虽然传动 效率低 、噪声较大 、发热量较大和会占用较多设备空 间 , 但是由于隧道工作环境恶劣 、刀盘启动停止较为 频繁 、在较硬的岩土中掘进时刀盘承受冲击力较大 , 所以选用液压驱动是较为合理的 , 特别是液压驱动具 有转速连续可调的功能 , 便于操作人员控制 , 只要保 障设备始终有良好的冷却水供给和良好的隧道通风 , 液压系统对工作环境的温升影响可得到显著减低 。
中可以看出 , 其工作顺序如下 :
( 1) 进入分配阀的压力油脂首先推动活塞 1 向
右移动 , 此时管口 1将会有油脂输出 , 输出的量为活
塞 1右侧空腔的容量 。
( 2) 在活塞 1右移的同时 , 压力油脂进入活塞 2
左侧的空腔 , 并推动活塞 2右移 , 此时管口 2将会有
油脂输出 , 其输出量为活塞 2右侧空腔的容量 。
刀盘驱动扭矩是通过主轴承的内齿圈传递扭矩到
刀盘的 , 主轴承采用大直径三排滚柱组合轴承 , 可承 受足够的径向力和双向轴向推力 。因此主轴承及其密
封的寿命是决定盾构机能否完成隧道的关键 。本公司
所用的 盾 构 机 的 主 轴 承 是 由 国 际 著 名 厂 家 Hoesch Rothe Erde设计制造的 , 设计寿命为 10 000h。主轴
连续可调 , 可保证盾构机操作手能根据掘进中所遇到 的不同地层随时调整设备至最适宜的工作状态 。
由图 1可以看出 : 使用土压平衡掘进模式工作时 (系列 I曲线 ) , 刀盘转速在 0 ～217 r/m in 内连续可 调 , 正常工作最大扭矩为 4 377kN·m; 在敞开式掘进
模式 (系列 Ⅱ曲线 ) 时 , 刀盘转速在 0 ～611 r/m in连 续可调 , 正常工作最大扭矩为 1 970kN·m; 系统的脱 困扭矩为 5 350kN·m。
级减速传动 , 第一级减速器紧接液压马达之后 , 第二 级减速通过 17齿小齿轮传动 101 齿的主轴承大齿圈 实现 。主轴承齿轮油配备了齿轮油泵 、过滤器和热交
换器 , 对齿轮油起到过滤和冷却作用 。
本盾构机的刀
盘液压驱动系统回
路是容积调速回
路 , 它有两种工作 状 态 ( step1 和
step2) , 由外控液
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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机床与液压
第 35卷
用于制动刀盘 。
112 刀盘驱动系统的工作原理 海瑞克盾构机的选用液压马达驱动 , 传动采用双
111 刀盘驱动系统的组成 刀盘驱动系统主要包括大排量变量柱塞泵 、液压
管路 、双级排量驱动液压马达 、减速器 、主轴承及其 密封润滑装置等 。刀盘驱动由主轴承的内齿圈通过连 接法兰用高强度螺栓与刀盘联接 , 为刀盘开挖掘进提 供所需要的转动扭矩 , 它可以使刀盘在顺时针和逆时 针两个方向上实现 0～611 r/m in的无级变速 。刀盘驱 动主要由 8组传动副和主齿轮箱组成 , 每组传动副由 一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组 成 , 其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置 ,
图 3 自动润滑系统原理图 因此 , 在盾构机主轴承的结构设计上沿圆周方向
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 5期
林军 等 : 盾构机刀盘控制系统的机理与维护
压 系 统 (功 率 为 图 1 刀盘驱动系统转
515kW ) 控制 , 通
速 - 扭矩关系图
过改变控制室内的
输入二位电磁阀的电信号来改变泵或马达的斜盘角度 ,
从而改变 3个刀盘驱动供油液压泵 (A4V750—315kW ) 的供 油 流 量 和 8 个 驱 动 液 压 马 达 ( A6VM500— 51142) 的排量 , 实现刀盘转速及扭矩的改变 。土压 平衡模式掘进时选用 step1, 刀盘的转速和扭矩遵循 如图 1中的系列 I曲线变化 ; 敞开式掘进模式时选用 step2, 刀盘的转速和扭矩遵循如图 1 中的系列 II曲 线变化 。刀盘驱动系统设计成正 、反向转动和转速均
图 2 主轴承外密封示意图 土砂密封因不易更换 , 所以润滑脂的用量应在很 好地进行密封温度管理的条件下 , 可使密封性能一直 保持到掘进终了时的用量考虑 , 为此把土砂密封润滑 脂做成自动供脂形式 。
3 自动润滑系统 从图 2中还可以看出 , 在主轴承上泥沙和水等物主
要的侵入位置在主轴承的三道旋转密封处 , 土仓内的泥 砂具有一定压力 , 如果旋转密封和金属基体在使用过程 中导致较大的磨损 , 那么泥沙等物就可以轻易地进入主 轴承 , 并导致主轴承的锈蚀、磨损甚至破坏。
本文以海瑞克盾构机刀盘的液压控制系统为例 , 详细介绍了盾构机液压控制的驱动系统 、密封系统及 自动润滑系统的工作原理及其维护 。 1 刀盘驱动系统组成及工作原理
驱动机构是指向刀盘提供必要旋转扭矩的机构 , 该机构是由带减速机的油马达或者电动变频马达 , 经 过传动副齿轮装在切削刀盘后面的齿轮或销锁机构 。 和变频马达驱动相比 , 液压驱动有一定的优势 , 两者 的性能比较见表 1。