ROBBINS盾构机液压系统组成及工作过程分析

１ 推进系统工作原理
推进系统是盾构机的主 要 工 作 系 统，主 要 是 通 过油缸作用于成型 管 片 后 实 现 盾 构 前 进，要 求 在 掘 进／管 片 模 式 转 换 下 ，可 以 实 现 单 独 操 作 和 选 择 。 该 系 统 动 力 单 元 是 一 台８０Ｌ／ｍｉｎ 旋 转 斜 盘 式 柱 塞 泵 ； 执行元件是 ２４ 个 ２４０／１８０－１９５０（ｍｍ）（缸 径／杆 径－ 行 程 ）油 缸 ；调 节 与 控 制 部 分 包 括 控 制 方 向 及 选 择 油 缸的电磁阀，调节 压 力 的 减 压 阀、安 全 阀、二 级 调 压 阀 ，控 制 流 量 的 单 向 节 流 阀 等 。 １．１ 推进系统各组成部分功能 １．１．１ 分区选择控制
铰 接 系 统 油 缸 分 为 ８ 组 ，每 组 ２ 根 。 见 图 ６。
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杆腔回油有１５ ＭＰａ背压。 ２．２．１ 主动铰接
主 动 铰 接 即 是 主 动 给 油 到 油 缸 ，使 油 缸 伸 缩 ，达 到调向的目的。因 为 调 向 具 有 方 向 性，在 使 用 铰 接 系 统 时 ，先 选 择 需 要 伸 出 方 向 的 油 缸 ，被 选 择 部 分 油 缸 为 主 动 铰 接 模 式 ，为 了 使 盾 体 能 顺 利 调 向 ，此 时 剩 下 的 油 缸 为 随 动 铰 接 模 式 。 见 图 ８（ａ）。
拼 装 模 式 有 以 下 几 个 动 作 ，部 分 油 缸 缩 回 ；管 片 拼装到位后，油 缸 再 伸 出 顶 住 管 片。 拼 装 模 式 油 缸 伸缩转换时，盾体 内 二 级 调 压 阀 对 压 力 油 进 行 短 暂 调节，此时 ＳＢ１动 作 １．５ｓ以 排 掉 多 余 的 压 力。 油 缸缩回时，最大油压为２１ ＭＰａ；油缸伸出时，为了防 止机器与掌子面抵 紧 使 刀 盘 启 动 力 矩 过 大，最 大 油 压限定为５ ＭＰａ。
（２）推 进 速 度 计 算 ：盾 构 机 推 进 最 大 速 度 等 于 推 进油缸最大伸长速度。Ｓ ＝１／Ｔ，Ｔ ＝Ｖ／Ｓ１。式中，Ｓ 为盾构机最大推 进 速 度；Ｔ 为 盾 构 机 伸 长 １ ｍｍ 所 需时间；Ｖ 为所有推进油缸伸长 １ ｍｍ 所需油 液 的
国防交通工程与技术 ５４ ２０１０ 第６期
图４ 电磁阀不得电情况 图５ 电磁阀得电情况
在没 有 压 力 油 的 情 况 下，液 控 阀 左 右 两 边 压 力 相同，液控阀通过 弹 簧 力，阀 芯 处 于 右 位，选 择 阀 块 儿处于断开状态。 １．４ 推进系统参数计算
盾构机最大工作压力３５ ＭＰａ，推进液压泵最大 流量为８０Ｌ／ｍｉｎ，推 进 油 缸（缸 径／杆 径－行 程）２４０／ １８０－１９５０（ｍｍ）。
选择阀通过电磁阀得失电并通过压力油控制阀 芯 移 动 ，从 而 控 制 主 油 路 的 通 断 。
（１）电 磁 阀 不 得 电 。 当 选 择 阀 电 磁 线 圈 不 得 电 ， 此 时 电 磁 阀 芯 处 于 左 位 ，液 控 阀 ｐ１、ｔ１通 过 电 磁 阀 ｐ３ 油口与液控阀 ｐ２油口连 通，液 控 阀 左 右 两 边 压 力 平 衡，通过液 控 阀 弹 簧，保 持 选 择 阀 块 儿 处 于 断 开 状 态 。 见 图 ４。
实例 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｅｘａｍｐｌｅｓ
分析
ＲＯＢＢＩＮＳ 盾 构 机 液 压 系 统 组 成 及 工 作 过 程 分 析
李全社， 于 翔
（中铁二十三局城市轨道交通工程有限公司，上海 ２０１３００）
摘 要：介绍了美国 ＲＯＢＢＩＮＳ公 司 生 产 的 ＥＰＢ６２６０ 盾 构 机 的 推 进、铰 接 两 大 主 要 液 压 系 统 的 原 理 、特 点、工 作方式，及其与盾构推进控制的联系。有助于盾构机设 计 与 使 用 者 更 好 了 解 液 压 系 统 工 作 方 式 ，促 进 国 外 先 进技术的消化吸收及日常维护保养。 关 键 词 ：盾 构 机 ；液 压 系 统 ；推 进 系 统 ；铰 接 系 统 中 图 分 类 号 ：Ｕ４５５．３９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１６７２－３９５３（２０１０）０６－００５３－０４
油缸 杆 缩 回 前，此 时 换 向 阀 到 选 择 阀 间 油 压 较 高，盾体内二 级 调 压 阀 ＳＢ１ 得 电 动 作 １．５ｓ。 然 后 换 向 阀 动 作 ，压 力 油 进 入 换 向 阀 。 此 时 ，换 向 阀 处 在 “Ｘ”位，压 力 油 通 过 换 向 阀 后 进 入 油 缸 有 杆 端 的 并 联 管 路 再 流 入 油 缸 ；通 过 选 择 阀 选 择 缩 回 油 缸 ，无 杆 端液压油通过被选 择 油 缸 的 选 择 阀 后，进 入 单 向 减 压组合阀 的 单 向 阀 进 入 换 向 阀 回 油 箱，油 缸 缩 回。 见 图 ３。
在 油 缸 选 择 主 动 铰 接 后 ，操 作 手 开 始 伸 油 缸 ，此 时泵站调压阀得电，最大油压为３５ ＭＰａ。换向阀在 “Ｏ”位，压力 油 通 过 方 向 选 择 阀 及 液 控 单 向 阀 进 入 油缸无杆腔，有杆腔 回 油 通 过 液 控 单 向 阀 进 入 换 向 阀到盾体回 油 总 成。 此 时 主／随 动 铰 接 选 择 阀 不 得 电 ，阀 芯 在 左 位 。 ２．２．２ 随动铰接
图 ６ 铰 接 油 缸 分 组 情 况
２．２ 铰接系统工作模式 在盾 构 机 掘 进 过 程 中，遇 到 隧 道 转 弯 或 纠 偏 时
需要盾构调向，并根据 ＰＰＳ系统数据及 时 调 整 盾 构 姿态。此时铰接油 缸 部 分 选 择 主 动 铰 接，和 其 对 应 部分油 缸 锁 定 （如 选 择 左 侧，则 右 侧 锁 定，以 此 类 推），剩下的选择随 动 铰 接，在 伸 出 达 到 要 求 时 锁 定 所 有 油 缸 ，就 实 现 了 盾 构 机 调 向 。 见 图 ７。
收 稿 日 期 ：２０１０－１０－１９ 作者简介：李 全 社（１９７０—），男，高 级 工 程 师，主 要 从 事 ＴＢＭ 和 盾构机技术管理方面的工作
图 １ 油 缸 分 组 情 况 图
１．１．２ 压力调节 压力调节部分包括两组二级调压阀和４个减压
阀。其中一组二级 调 压 阀 在 液 压 泵 站，调 节 从 泵 出 来 的 液 压 油 ；另 一 组 二 级 调 压 阀 在 盾 体 ，短 暂 调 节 油 缸伸缩转换时压力油冲击压力。４ 个 减 压 阀 出 油 口 分别接４个压力传 感 器，通 过 传 感 器 反 馈 出 油 压 力 到 电 气 控 制 系 统 ，由 操 作 手 根 据 实 际 情 况 ，通 过 调 节 减压阀从而调节油缸伸出压力。 １．１．３ 其他部分功能
（２）电 磁 阀 得 电 。 当 电 磁 线 圈 得 电 时 ，此 时 电 磁 阀芯处于右位，液控阀 ｐ２油 口 通 过 电 磁 阀ｔ２口 与 回 油总成连通。
在有 压 力 油 的 情 况 下，液 控 阀 左 边 压 力 大 于 右 边 弹 簧 压 力 ，液 控 阀 芯 被 顶 到 左 位 ，选 择 阀 块 儿 处 于 连 通 状 态 ，油 缸 伸 出 。 见 图 ５。
２４个推进油缸分４组，压 力 油 分 别 通 过 ４ 个 可 调式单向减压阀进 入，减 压 阀 出 油 口 压 力 由 操 作 手 在主控室根据实际情况进行调节。油缸编号及分组 情 况 见 图 １。
由 于 盾 构 机 主 机 自 重 有 ３５０ｔ，为 了 防 止 盾 构 机 由于自重引起磕头 现 象，第 ３ 组 油 缸 比 其 他 几 组 油 缸 多 ，且 第 ３ 组 为 两 个 选 择 控 制 阀 组 ，其 他 组 分 别 只 有 一 个 选 择 控 制 阀 组 ，共 ５ 个 选 择 阀 组 。
主 控 室 的 单 向 节 流 阀 ，用 于 调 节 流 量 ，并 在 紧 急 情况下停止推进油缸动作。 １．２ 工作模式介绍 １．２．１ 推进模式
盾构 机 推 进 时，泵 站 二 级 调 压 阀 两 个 电 磁 线 圈 Ａ、Ｃ 同时得电，此时最 大 油 压 为 ３５ ＭＰａ，压 力 油 进 入换向电磁阀。此时，换向阀芯处 在“Ｏ”位，压 力 油 通 过 换 向 阀 后 分 四 路 同 时 进 入 减 压 阀 ，操 作 手 根 据
随着 城 市 地 铁 施 工 的 全 面 开 展，盾 构 以 其 安 全 快速等诸多优势而应用逐渐广泛。我单位在成都二 号线土建十八标施工中采用了美国 ＲＯＢＢＩＮＳ 公司 生产的 ＥＰＢ６２６０土压平衡盾构机，主机采用变频电 驱 动 ，液 压 系 统 主 要 包 括 推 进 系 统 和 主 动 铰 接 系 统 ， 本文主要介绍这两 大 系 统 的 工 作 原 理、特 点 和 工 作 方 式 。 ［１－３］
国防交通工程与技术 ５３ ２０１０ 第６期
·实例分析· ＲＯＢＢＩＮＳ盾构机液压系统组成及工作过程分析 李全社等
图 ２ 推 进 模 式 工 作 图
实 际 情 况 调 节 压 力 后 ，压 力 油 液 进 入 油 缸 选 择 阀 ，最 后压力油通过液控 单 向 阀 进 入 油 缸 无 杆 端；有 杆 端 液压油通过换向 电 磁 阀 回 油 至 油 箱，油 缸 伸 出。 见 图 ２。 １．２．２ 拼装模式
随 动 铰 接 时 ，油 缸 处 于 自 由 伸 缩 状 态 ，压 力 油 通 过 主／随 动 铰 接 选 择 阀 打 开 油 缸 两 端 的 液 控 单 向 阀 。 此时油缸两端都连 接 盾 体 内 的 回 油 总 成，在 无 杆 腔 一端有 １５ ＭＰａ背 压，以 防 止 盾 构 机 在 随 动 状 态 下 陡 然 形 变 。 见 图 ８（ｂ）。
·实例分析· ＲＯＢＢＩＮＳ盾构机液压系统组成及工作过程分析 李全社等
体积；Ｓ１ 为推进系统最大流量。则Ｓ ＝７４ｍｍ／ｍｉｎ。 根据 目 前 使 用 情 况，盾 构 机 工 作 过 程 中 最 大 推
力为１ ２００ｔ，正 常 掘 进 速 度 为 ４０～６５ ｍｍ／ｍｉｎ，该 盾构机推进系统设计完全满足使用需求。
（１）推 力 计 算 ：盾 构 机 共 有 ２４ 个 推 进 油 缸 ，总 推 力为２４个推进 油 缸 推 力 之 和。 则 液 压 系 统 最 大 推 力Ｆ最大 ＝２４×Ｐ×Ｓ。式中，Ｐ 为油缸最大压强；Ｓ为 油缸活塞面积。则 Ｆ最大 ＝２４×３５×１０６ Ｐａ×３．１４× ０．１２２ ｍ２≈３７ ９８１ｋＮ。
安全 阀 用 于 调 节 系 统 的 过 高 意 外 压 力，保 护 系 统不因为此而损坏。
每 个 油 缸 无 杆 端 接 １ 个 液 控 单 向 阀 ，保 持 油 压 ， 当油缸需要缩回时，由 一 个 二 位 四 通 电 磁 阀 控 制 导 通 液 控 单 向 阀 回 油 。 见 图 ２“接 铰 接 泵 ”电 磁 阀 。
图 ３ 拼 装 模 式 回 缩 工 作 图
与推 进 模 式 不 同 的 是，油 缸 在 拼 装 模 式 杆 伸 出 时，泵站 二 级 调 压 阀 只 有 一 个 电 磁 线 圈 Ａ 得 电，此
时最大油压 只 有 ５ ＭＰａ。 压 力 油 进 入 换 向 阀。 此 时，换向阀处在“Ｏ”位，压力油通过 换 向 阀 后 分 四 路 进 入 减 压 阀 ，然 后 通 过 选 择 阀 选 择 伸 出 油 缸 ，压 力 油 通过被选择油缸的 选 择 阀 后 进 入 油 缸 无 杆 端；有 杆 端 液 压 油 通 过 换 向 阀 回 油 至 油 箱 ，油 缸 伸 出 。 １．３ 选择阀的工作方式
２ 铰接系统工作原理
铰接 系 统 主 要 用 于 盾 构 调 向，使 盾 体 形 成 一 定 角度易于方向控制。该系 统 动 力 单 元 是 一 台 ２５Ｌ／ ｍｉｎ高 压 泵；执 行 元 件 是 １６ 个 ２７０／１６０－１９０（ｍｍ） （缸径／杆径－行程）的 油 缸；控 制 部 分 包 括 控 制 方 向 的 电 磁 阀 、主 动 随 动 选 择 阀 、安 全 阀 、溢 流 阀 。 ２．１ 铰接系统油缸分组