盾构流体系统

1、石家庄铁道学院盾构流体介质传动系统2008.7.23石家庄铁道学院目 录一、流体介质传动系统概述二、液压传动系统三、人闸和回转接头石家庄铁道学院盾构是一种集机、电、液、气、光等技术为一体的大型隧道施工工程机械。该设备拥有复杂的配套装置。其中流体介质传动系统在盾构正常工作中占有重要的地位。一、概述石家庄铁道学院 盾构流体传动中涉及到的介质： 1. 液压油 2. 润滑油 3. 润滑脂 4. 专用密封/润滑脂 5. 压缩空气 6. 水 7. 砂浆（混凝土、水玻璃） 8. 澎润土（泥浆） 9. 发泡化学物质 10. 土一、概述石家庄铁道学院 各种流体介质传动系统通过电气控制有机的组合在一起，按各自的功

2、能和作用分工并协调工作，保证盾构正常运行。按介质或功能分类有： 1. 液压系统 2. 润滑系统 2.1 齿轮油润滑系统 2.2 脂润滑系统 3. 压缩空气系统 3.1 气动控制回路一、概述石家庄铁道学院 3.2 气动工作回路 3.3 人闸回路 4. 同步注浆系统 5. 盾尾密封系统 6. 水冷却系统(包含以下两个回路) 6.1 工业废水排水回路，参见图1-1 6.2 人闸回路 7. 澎润土系统 8. 泡沫系统 9. 隧道通风系统一、概述石家庄铁道学院一、概述图1-1 盾构主体结构示意图石家庄铁道学院 以上是系统简单分类，单独按介质或按功能分类比较困难。盾构流体介质传动系统之间互相联系，尤其是水

3、、气、泡沫、注浆、澎润土系统管路交叉相接，有些系统管路合并到同一出口。大部分系统都不是独立存在的。一、概述石家庄铁道学院 以特定结构的合成油为基础油，并加有抗氧、防腐蚀和润滑等添加剂制，无毒、可生物降解，替代磷酸酯和其他酯型抗燃液压油 多层钢丝高压胶管二、液压传动系统液压系统的介质、传递石家庄铁道学院液压传动系统内容超挖刀系统回路刀盘驱动系统回路推进和纠偏(姿态调整)系统回路螺旋输送机系统回路管片拼装机系统回路辅助液压系统回路液压油过滤器系统回路二、液压传动系统石家庄铁道学院2.1 超挖刀液压系统 超挖刀的作用：在隧道改变方向时启用，用于扩出比盾构本体直径大一些的空间，方便盾构的转弯。 超挖刀

4、刀头伸出长度(最大伸出长度5060mm)，通过调整油缸的行程来实现。超挖刀的伸出长度显示在中心控制室的屏幕上。当电气部分控制精度较高时，超挖刀就称为仿形刀。 采用仿形的优点。 二、液压传动系统石家庄铁道学院图2-1 超挖刀布置示意图石家庄铁道学院图2-2 超挖刀液压系统原理图二、液压传动系统石家庄铁道学院 超挖刀系统由变量油泵、电磁比例方向阀、调速平衡阀、液压油缸组成。 系统的回油路设置了风冷冷却器和带压差发讯器的滤油器，为防止它们堵塞影响整个回路工作，分别添加了旁通单向阀。二、液压传动系统石家庄铁道学院图2-3超挖刀油泵原理图二、液压传动系统Qmax Qmin阀1阀2变量电磁阀背压阀左侧缸右

5、侧缸节流阀1节流阀2节流阀3石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-4 泵的变量状态回路图QmaxQmin石家庄铁道学院 泵组件中的电磁阀是泵变量的控制阀，只有在电磁阀通电后才能进入变量工作状态。二、液压传动系统石家庄铁道学院2.2 刀盘驱动液压系统 主泵采用A 1 0V系列伺服变量泵，功率315KW，液压泵根据先导压力的变化自动调整其斜盘角度以便适应不同的工况，在先导控制模块中设置了功率匹配阀，实现功率自适应控制。当外负载低于设定压力时，为功率变量方式。当外负载超过设定压力为先导压力控制方式。二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-5 变量泵工作曲线图石家庄铁道学院接螺旋输送机图2-

6、6 刀盘驱动系统原理图二、液压传动系统石家庄铁道学院系统组成 刀盘驱动系统为变量泵-变量马达闭式回路。按功能分析可分为下列几个单元：泵源。由变量泵、补油泵加变量机构组成。补油和冷热油交换模块。控制泵。泵变量控制模块。变量马达模块。马达变量与制动模块。1. 泵变量阀背压控制模块。二、液压传动系统石家庄铁道学院功率匹配阀21202623252马达控制泵补油泵变量泵变量油缸12219272412137345689111014151617187f3f4f11f24f18f27f29f28f25f图2-7 主泵变量控制系统原理图二、液压传动系统石家庄铁道学院 这是一个压力位移力反馈式排量调节机构。先导级

7、的位移输入由比例电磁铁给出，先导级的力平衡方程决定阀口开度，变量缸的力平衡方程决定变量活塞的位移。泵的变量原理石家庄铁道学院图2-8 刀盘驱动马达工作原理图G控制泵减速箱变量油缸控制阀变量电磁阀制动电磁阀变量油缸二、液压传动系统石家庄铁道学院 刀盘驱动需要解决的问题是： 土质条件不变时，即使刀盘扭矩有较大变化，刀盘转速保持稳定；土质条件改变时，刀盘转速可调。为了克服盾构机在掘进过程中的滚动现象(当主油泵斜盘角度不能根据外界阻力变化而改变时，刀盘即会出现滚动现象)，必须通过液压马达的正反转掘进来进行调整 刀盘驱动系统的三种工作状态： 1. 正常掘进(附带土仓搅拌功能) 2. 刀盘脱困 3. 轻推

8、模式只用在维护服务状态下。预设置了旋转速度，两个旋转方向都可用。轻推旋转必须在位于人闸前部仓室内的就地面板上控制。 前两种工作状态对应马达的正反转。二、液压传动系统石家庄铁道学院2.3 推进及纠偏液压系统1. 推进系统为整个盾构提供前进动力。刀盘切削量的大小除了刀盘转速外，还与推进油缸的速度有关。推力油缸也用来使管片保持在适当的位置上。2. 由于重力或其他因素如推进油缸的推力不均匀的影响，使盾构的前进方向发生改变偏离预定轨迹。这时需要采用纠偏手段调整过来。3. 盾构沿设计的曲线前进时，需要前倾、后仰、有时要左右摆动或它们的复合动作。需要精确控制盾构姿态。 二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压

9、传动系统Group AGroup BGroup DGroup C图2-9 推进、纠偏系统图二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-10 推进系统压力流量控制原理简图石家庄铁道学院1. 节流阀 2.变量泵 3. 负载传感装置 4.溢流阀2-11 负载传感系统原理图2-12推进系统负载传感控制二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统2-13 刀盘脱困系统石家庄铁道学院 在掘进模式下，推进油缸总共合并成4组，每个组配备一个行程测量系统，以便在受控制的方式下驱动掘进设备进入土中。借助于安装的操作元件，操作员可以控制每个油缸组的压力和所有油缸的流量。 推进系统的功能不仅仅为刀盘提供进刀

10、量，还与调节土仓的土压有关。二、液压传动系统石家庄铁道学院 为了建造一个管片环，首先停止掘进，然后必须通过按钮“ring building(建环)”把操作状态改为建环，以便把控制输送到移动式面板。当激活该模式时，所有的成对油缸可以独立运动。在建环模式下，进行管片安装所需数目的油缸对相应地回缩。其余的油缸对不动，一方面避免由于土压而使盾构作后退运动，另一方面，它们也保护已经安装的管片。石家庄铁道学院 铰接油缸模块。功能连接盾构前后体，允许后盾相对前盾做铰接运动。铰接也包括密封和油脂注射。方便盾构转向，以实现隧道的转弯。 4个行进传感器提供后盾相对于前盾的位置。这个信息被显示在控制室内。 铰接包括

11、：一套铰接液压油缸(814个)；2排密封；密封片。 密封片把铰接和土壤隔离开。在密封和密封片之间产生的间隙用油脂连续地注满，在盾体厚度外侧铺设了6个油脂注射点。 海瑞克铰接密封用 通入压缩空气见讲义图3.20。二、液压传动系统铰接石家庄铁道学院 被动铰接与主动铰接的区别： 不仅在于盾体内和推进油缸的相对位置，也与油缸的控制方式有关。 有3个操作模式 1. 自由模式：后盾只是铰接在盾体中心周围。通过在油缸各 腔室之间转移油来保持后盾的平均位置。 2. 放松模式：这种模式允许打开铰接，通过前盾向前运动来 实现。 3. 盾体回缩模式：这种模式能够在放松模式之后使用，是为 了关闭铰接或为了更换刀具（利

12、用前部压力）而回缩前盾。 在一般操作条件下，操作者不需要在铰接系统上做任何动作，只是监督。石家庄铁道学院图2-14 主动铰接原理图石家庄铁道学院2.4 螺旋输送机液压系统 螺旋输送机的功能除了排土功能外，还有调节土仓土压的作用。 它由可变速的液压马达驱动，为了使开挖仓内的土压保持恒定，螺旋的可变速度与螺旋输送机卸料门的开度相配合控制废料的输出速度。 土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视。土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E。通过PID控制自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零。二、液压传动系统石家庄铁道学院 当E值大于零时PL

13、C发出指令增加螺旋机转速。提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC会降低螺旋机转速，以减少偏差，保持土仓内土压平衡。二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统二、液压传动系统图2-15 螺旋输送机液压系统石家庄铁道学院螺旋输送机液压系统组成：泵-马达闭式传动回路。驱动螺旋输送机旋转。泵变量控制单元。土仓出口门控制油缸。螺旋罩伸缩油缸。防扭。1. 螺旋输送机出口控制油缸。二、液压传动系统石家庄铁道学院 螺旋输送机安全门是为了在维护螺旋罩或发生大量水流入的情况下，把开挖仓和盾构机的其余部分隔开。位于开挖仓较低的部位，它打开和关闭由2 个液压缸来完成，这个门由2个

14、闸板组成，螺旋一收回，闸板就关闭螺旋输送机安全门。石家庄铁道学院 废料被从螺旋输送机上卸下来，通过一个有比例动作的门。它调节土压并隔离开挖仓。位于罩壳的末端，它用2 个液压缸打开和关闭。当发生电气故障时，液压蓄能器提供紧急关闭。石家庄铁道学院 正常工作时螺旋输送机螺旋前端伸入土仓口。 可以通过控制螺旋输送机的伸缩油缸来控制螺旋输送机的位置。 为了关闭土仓，螺旋输送机可以通过伸缩油缸自动缩回。 当螺旋输送机被或大石头阻塞时可以自由进退。二、液压传动系统石家庄铁道学院 管片拼装机安装在盾尾，用来拼装衬砌管片。机械构成为：悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头。 拼装机所具有的各种动作功能专门适合施工现

15、场条件，并能使管片精确地就位。主要运动构件的功能均可通过比例控制来实现。所有动作功率都经计算，留有余量。保证了各安装动作的高精度。 在盾构掘进1.5m深度后，需要停止下来安装隧道管片。 管片拼装机的液压系统需驱动拼装机的旋转架、移动架、管片拼装机所有的6个自由度。二、液压传动系统2.5 管片拼装机系统石家庄铁道学院 悬臂梁的作用 悬臂梁用于管片拼装机的纵向移动。它通过法兰与盾构中体H架连接。盾构体与车架之间的所有管线连接都穿过管片拼装机敞开的中心部位。 后配套车架的连接拖杆铰接于拼装机的悬臂梁上。石家庄铁道学院 操作员通过现场的遥控控制器来操纵管片拼装机。 管片拼装循环：在掘进过程中要安装的管

16、片由管片运输机车运送过来，放置在管片输送小车上。 随着盾构机的向前掘进，在已装好的前一环管片的外表面与周围土体之问形成间隙。该间隙要注入砂浆进行填充，否则周围的泥土充填了这间隙，地面就会导致沉陷。二、液压传动系统石家庄铁道学院 在完成掘进循环后，一部分推进油缸收缩，为第一块要摒装的管片留出足够的空间，其余推进油缸和先前摒装好的管片仍保持接触，以防止盾构由于土压而后退。 管片安装器抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和前一管片用螺栓连接起来。在管片安装器夹头放开管片之前，一定要保证已回缩的推进油缸再次顶紧管片，以防止管片意外移动。 其余管片的安装方法与此相同，直至完成整个管片环。二、液压

17、传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-16 管片拼装机系统原理图泵源平移、旋转模块功能模块提升油缸抓取油缸 调节油缸石家庄铁道学院 管片拼装机的液压系统组成 1. 泵源 2. 框架运动单元 2.1 沿盾构轴线平移 2.2 沿盾构轴线旋转 3. 管片提升臂油缸单元 4 抓取油缸单元 5. 各单元的控制和操作模块二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-17 控制单元简化图石家庄铁道学院2.6 辅助液压系统1. 皮带张紧轮油缸2. 真圆保持器3. 管片运输车 3.1 托起油缸(四马达同步) 3.2 平移油缸 3.3 转运油缸4. 门架车转弯油缸二、液压传动系统石家庄铁道学院 调节器

18、是一个可张开的钢环，它设置在最后的一个竖环上。其作用是支撑环防止泥浆回填操作时因不均匀荷载引起的变形，限制最后一个和最后第二个环建环的相对位移。 环调节器的张开是通过两个液压油缸从拼装机控制面板进行操作。当最后一个环建成时，由拼装机收起并带到新的位置再张开。二、液压传动系统真圆保持器的作用石家庄铁道学院管片起重机1. 为了从管片输送机上的运送车中移动管片，给起重机配备有两个电动葫芦和运动装置，运动装置可以在桥和桥架1区域内行驶。2. 半环管片由1部专用的管片运输车运到，1号车架。通过1, 2号车架的吊车梁，管片吊车将管片吊到管片卸载点。管片通过平行移动的双吊机卸下，放置在管片喂送机上。管片输送

19、机管片输送机起着管片的中间存储和运送的作用，它通过盾构的运动，借助于链附加装置，被牵引着沿前进的方向运动，盾构在隧道衬砌的垂型滚子和硬木上运动。操作板安装在桥架1的右侧。管片喂送器上可放置3块管片，它将管片直接运送到拼装机前，由操作手抓起。二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-18 辅助 液压系统二、液压传动系统石家庄铁道学院 盾构液压系统回路较多，管道较长，工作环境灰尘也比较多，因此油液的清洁很重要。盾构的液压系统设置了用于专门滤油的油箱。 引发故障主要原因的70%-80%是由于液压油被污染或变质造成的(水冷的必要性，高温油液变质) 过滤系统直接安装在液压油油箱下面，过滤器的滤

20、芯为25u。一台螺旋泵连续不断地将液压油通过重型过滤器泵到过滤系统，再泵回到油箱，这样连续不断地过滤流动能确保液压系统保持清洁和机器的正常工作，这就不必承担因功能失调和停上时间引起的费用。2.7 液压油过滤器系统二、液压传动系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-19 滤油器系统石家庄铁道学院 由于注浆材料的特殊性，注浆泵采用液压缸的结构形式。采用液压缸的关键是能使液压缸可靠地自动换向。 液压缸自动换向机构形式有多种：电磁阀换向(缸带成对行程开关)；机械机构换向(如磨床工作台的换向，拨叉带动一个先导换向阀) 。 二、液压传动系统注浆泵组合缸系统的工作原理石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-20 注浆泵系统石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-21 自动往复油缸原理图石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-22 工作过程(1)石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-13 工作过程(2)石家庄铁道学院二、液压传动系统图2-12 工作过程(3)石家庄铁道学院三、人闸和回转接头3.1 人闸 人闸(转换人闸)是工作人员和设备进出土舱的通道，通过常气压进入到高气压，返回来时正好相反。人闸的作用主要是更换磨损或损坏的刀具。人闸的组成：2个工作人员人闸位于盾体的上部(一个是主闸，一个是紧急闸)，1个操作控制面板位于人闸防护罩的外部。在整个人闸被使用期间