盾构机液压系统及其热平衡计算

朱 平 1， 王 君 2

（1.贵州首黔资源开发有限公司， 贵州 六盘水 553525；

2.太原科技大学机电工程学院， 山西 太原 030024）

摘 要：介绍了盾构机液压系统的组成部分以及各部分的重要职能，并对某盾构机的热平衡进行了计算。盾构机是一种挖掘隧道的工程机械，由于它可以在艰难的环境下安全工作而被广泛用于隧道挖掘、地铁工程等，是城市建设的重要工具，而液压系统是盾构机的主要驱动的方式，液压系统的优劣直接影响着盾构机的工作性能。

关键词：盾构机 液压系统 热平衡

盾构机是盾构挖掘机的简称，是盾构施工中的主要施工机械，主要用于挖掘隧道。传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿车外运，紧接着对挖空的隧道进行支护［1］。

这种方法当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到及时支护，隧道极易坍塌，会造成大面积的地面塌陷，而盾构机是在地下掘进，可以有效地防止软基开挖面崩塌和保持开挖面稳定，在护盾内完成隧洞的挖掘、出土、隧道支护等工作，这样可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。

与明挖相比，盾构机由于其安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低的特点而被广泛地用于水底交通隧道、城市地下铁道、供排水隧洞和电缆隧道等工程，在一些发达国家如日本、德国，盾构机技术得到了快速发展。

盾构机还具有一次成洞，不受气候影响，开挖时可控制地面沉降，减小对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。目前，我国经济处于高速发展时期，一些基础设施的修建正在大量进行中，许多重大项目如在建和拟建的多个城市的地铁工程，规划设计中的南水北调中线穿黄工程以及其他一些市政、交通、通信及水利项目都要用盾构机进行施工。

这必将促进盾构机技术在我国的快速发展。盾构掘进机传递功率大，运动复杂，要求控制精度高，安装空间小。而液压系统的优点恰恰是体积小，重量轻，使用功率范围广，操纵控制方便，传动响应快，动态特性好等。

由于这些优势就使液压系统成了盾构机动力传递和控制的首选。

1盾构机液压系统

盾构机的液压系统可以分成六大主要部分，分别是主驱动液压系统、推进油缸液压系统、管片拼装液压系统、螺旋输送机液压系统、注浆切换装置液压系统、超挖刀液压系统。

1.1主驱动液压系统

主驱动机构是向刀盘提供旋转扭矩的机构，由电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和 6 个斜轴式变量柱塞马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动马达旋转，液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转。

1.2推进油缸液压系统

推进机构顾名思义就是可以使盾构机在土层中向前推进的机构，是盾构机的关键部分，主要靠 32 个安装在盾构机外壳内侧环形中梁上的液压缸来实现盾构的向前推进。

推进油缸有推进模式和管片拼装模式两种模式。推进油缸处于推进模式时，液压缸分四个区，分别由比例减压阀实现压力分区的控制，以便实现盾构机姿态调节和转弯，当推进一个行程后，推进模式结束，这时推进油缸保压，以免压力作用将其缩回。

进入管片拼装模式后，对应拼装管片的 3 对油缸首先缩回，待拼装管片后，3 对油缸伸出，顶在管片上。

1.3管片拼装液压系统

管片拼装机构设置在盾构机的尾部，主要负责把管片安装到刚刚挖好的隧道表面，使隧道一次成型。管片拼装机要完成管片的抓取、平衡、微调、旋转、提升、平移等动作，是盾构机的重要组成部分。

1.4螺旋输送机液压系统

螺旋输送机的功能就是把土仓内挖掘的土运出，经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备。

1.5注浆切换装置液压系统

注浆切换装置主要完成向掘削泥土中注入添加材料，以便改变泥土的流塑性、抗渗性，使其达到排土机构的排放条件［2］。

1.6超挖刀液压系统

盾构机一般有两把超挖刀（一用一备），布置在刀盘的边缘上，其伸出和缩回量可以调节，超挖刀液压系统有独立的小油箱，安装在盾体里。

2盾构机液压系统的热平衡计算

盾构机的传动主要依靠液压系统。对于液压系统，介质温度将直接影响系统的正常工作，如果液压油温度升高，将出现油液黏度降低，润滑部位的油膜被破坏，油液泄漏增加，密封材料加速老化，油液饱和蒸气压升高而引起气蚀等现象，这将直接导致液压系统性能和可靠性的降低。因此对液压系统的热平衡的控制效果将直接影响整个系统的性能［3］。

油箱、管路和液压元件外表面系统的发热散失到周围的大气中，一部分被油液和液压元件所吸收，使其温度升高，最后达到某个平衡温度。但是，盾构机由于受其结构条件的限制，油箱往往设计得较小，因而散热面积小，单靠自然散热冷却不足以使油温保持在55 ℃以下，因此应在液压系统中设置冷却器对油液进行强制冷却。

2.1系统发热与散热的计算

液压系统的压力、容积和机械损失构成系统总的能量损失，这些能量损失转化为热量，使系统油温升高，由此产生一系列不良的影响。为此，必须对系统进行发热计算，以便对系统温升加以控制。

以某盾构机液压系统为例，用恒压变量泵代替恒功率泵计算其热平衡。

油箱容积为 6 000 L。设定循环泵 15 min 循环一次（大多比例伺服系统都要求15~30 min 循环一次［4］），则循环泵的流量大概为 400 L/min，所选循环泵流量为 450 L/min。电机总的安装功率 P＝315 kW，则系统的发热大约为电机功率的 30%［5］，所以H发＝30％P＝94.5 kW。通过冷却器的流量Q循环泵＝450L/min＝27 000 L/h。

进油温度T1≥50 ℃，出油温度T2≤40 ℃；进水温度T3≤32 ℃，出水温度T4≥37 ℃。

选择热交换器的热交换面积大于 18.4 m2就可以满足系统的散热要求。

因此选择板式冷却器：BR0.2- 120/1.6- 21。所选热交换器散热面积为21 m2完全可以满足散热的需求。

3结语

由于我国城市建设的快速发展，地铁工程在我国兴起，盾构机作为挖掘隧道的有利工具而被人们所重视，其液压系统的设计和改进更是成为目前的热点。由于盾构机在地下作业，对它的维修检测都不方便，所以我们应该探索稳定性好的、可靠的液压系统，而液压传动的固有的特性很适合盾构掘进机动力传递。因此，采用先进的液压传动及控制技术将是盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向［6］。

参考文献

［1］ 胡胜利，乔世珊.盾构机概论［J］.建筑机械，1999（11）：16- 20.

［2］ 杨华勇，龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用［J］.液压气动与密封，2004（1）：27- 29.

［3］ 唐文红，游善兰.行走机械的液压冷却系统［J］.工程机械，2001（6）：36- 37.

［4］ 张东辉，张啸男.液压系统的热衡计算与分析［J］.一重技术,2009（3）:12- 14.

［5］ 赵占宏.120型掘进机液压油温冷却系统改造设计［J］.煤，2010（2）：49- 58.

［6］Claus Becher,Wayss,Freytag. Zimmerberg Tunnel ［J］,Tunnels andTunneling International,1999,31（10）：31- 34.