盾构液压油的净化技术

盾构液压油的净化技术（通用8篇）

盾构液压油的净化技术 篇1

盾构机液压系统是刀盘转动和千斤顶推进的动力源, 在盾构机掘进中起到至关重要的作用。液压系统的正常与否, 直接关系到盾构工作效率的高低。当液压系统油温上升幅度较大、油温上升速度过快时, 会严重影响到液压油性能, 对设备的正常使用带来危害。并且由于盾构机油温上限联锁, 当油温升高到设定极限时, 将会迫使盾构机停止运转等待油温下降, 影响工程掘进进度。下文通过工程实例介绍控制盾构液压油温的几种措施。

1 工程概况

广州市轨道交通5号线大坦沙南-中山八站-西场站区间, 主体工程由一个长约240m的明挖区间、2个总长约3 997m盾构暗挖隧道区间组成, 隧道内径为∅5400mm, 外径∅6000mm。工程采用2台日本三菱∅6260泥水平衡式盾构机进行隧道掘进施工。

大坦沙南-中山八站区间隧道埋深较浅, 穿越地层多为淤泥质土层、砂层, 对推力和扭矩的要求不是很高, 而中山八站-西场站区间隧道主要为强度较高的风化含砾砂岩层, 也有易形成泥饼的红层泥岩及泥质粉砂岩风化岩, 且起伏较大, 部分地段岩石强度在30MPa以上, 存在上软下硬地层和软硬夹层地段, 需要使用较大的推力和扭矩, 对油压和油温的控制有较高的要求。

2 盾构机液压系统

三菱∅6260泥水平衡式盾构机的液压系统主要由刀盘驱动系统和盾构推进系统组成。刀盘驱动系统主要由8个功率为160k W的油泵、12个液压驱动马达、1个3 250m3的刀盘油箱组成。盾构机最大的装备扭矩为6 327k Nm。盾构推进系统主要由1个功率为55k W的油泵、24支最大推力为1 5 0 0 k N的推进千斤顶、1 6支最大推力为2 000k N的铰接千斤顶、1个2 400m3的盾构油箱组成。刀盘转动系统和盾构推进系统如图1所示。

盾构机液压系统工作原理:首先由电动机带动油泵从油箱中吸油, 然后将具有压力的油液通过管路输送到刀盘驱动马达或推进千斤顶, 将压力转化为机械能, 驱动刀盘转动或千斤顶伸缩。盾构机液压循环如图2所示。

3 液压系统油温过高的危害

液压系统在压力与机械能转化过程中的功率损失大部分转变为热量, 从而引起油温升高。液压系统油温一般不宜超过55℃, 当温度超过60℃以后, 液压系统容易出现以下问题。

1) 油温过高导致液压油质加速老化, 黏度、容积效率均下降, 因而泄漏增加, 系统效率下降, 甚至使机械设备无法正常工作。有资料表明, 液压油温度超过55℃时每升高9℃, 油液的使用寿命将缩短一半。

2) 由于粘度下降, 滑动部位油膜被破坏, 摩擦阻力增加, 磨损加剧, 因此又引起系统发热, 更增加了升温, 结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过早磨损而使其失效或报废。

3) 液压系统的零件受热膨胀, 破坏了零件原来正常的配合间隙, 导致摩擦阻力增加, 将引起运动件动作失灵, 特别是液压阀容易卡死。

4) 加速橡胶密封件老化变质, 寿命缩短, 甚至丧失其密封性能, 使液压系统严重泄漏。

5) 油温过高, 造成油液汽化、水分蒸发, 加速油液氧化。氧化物不再溶解在油中, 形成胶状沉积物, 易堵塞滤油器和液压阀内的小孔, 这将造成阀门粘结, 滚珠轴承阀芯和液压泵活塞等的摩擦增加, 同时氧化产生腐蚀酸液对各液压元件穴蚀破坏, 使液压系统不能正常工作。

因此, 液压油油温过高会严重影响机器的正常使用、降低液压元件的使用寿命, 并增加工程机械的维修成本。

4 盾构油温升高的主要原因及对策

4.1 散热装置效率存在问题

盾构机液压系统的散热主要是通过水冷式油冷却器对液压系统的油温进行强制性降温。冷却器由许多蛇形管组成, 管内通冷却水, 把油液中的热量带走, 起到降温的作用。冷却器通过两条管路与隧道外冷却水池形成循环, 冷却水池通过空气自然散热。油温不能得到有效控制一般有两个原因:第一, 液压油箱内油量太少或油箱太小, 冷却器中冷却水带走的热量不足以抵消液压系统产生的热量;第二, 循环冷却水的水温太高, 起不到降温效果, 特别是在夏天高温天气, 冷却水池散热效果不佳。

预防措施: (1) 在实际操作和保养过程中严格遵守操作规程中对液压油油位的规定, 如有可能还可增加油箱; (2) 在冷却水池加装新型铝制空气冷却器, 提高冷却水池的散热效果。

4.2 油质存在问题

盾构施工中液压油的品质是液压油油温容易超限的重要因素之一。如果油品选择不当, 油的质量和粘度等级不符合要求, 或不同牌号的液压油混用, 造成液压油粘度指数、粘温指数、抗氧化性、抗燃性、润滑性等参数不能满足要求, 从而影响液压系统的使用性能。如油液粘度过高, 则功率损失增加, 油温上升;如粘度过低, 则泄漏量增加, 油温升高。粘温指数越小, 工作中油液粘度随温度升高下降越大, 从而系统的内泄漏可能就越大。

预防措施:在选用液压油时, 应按盾构机厂家推荐的牌号及设备所处的工作环境、气温因素等来确定。选用的液压油应满足以下要求: (1) 适当的粘度; (2) 良好的粘温特性; (3) 具有良好的润滑性能, 降低机械摩擦; (4) 质地纯净, 不含各种杂质, 不易氧化; (5) 闪点要高, 凝固点要低。

4.3 油中杂质过多

由于盾构施工现场环境一般都较为恶劣, 加油时易混入杂质和污物, 而且随着机器工作时间的增加, 机械摩擦产生的碎屑混入液压油中也造成液压油中的杂质增多。杂质颗粒随液压油进入泵、马达和阀的配合间隙中, 会划伤和破坏配合表面的精度和粗糙度, 使泄漏增加、油温升高, 同时杂质颗粒通过滤油器时会被吸附在滤油器的滤芯上, 造成吸油阻力和能耗均增加, 引起油温升高。

预防措施: (1) 加油时注意避免油中混入污物和杂质, 按要求设规定滤网, 并按规定加足油量, 使油液有足够的循环冷却条件; (2) 累计工作规定时间后检查油的杂质含量, 如不合要求及时换油, 换油时注意不仅要放尽油箱内的旧油, 还要替换整个系统管路、工作回路的旧油; (3) 如遇因液压油污染而引起的突发性故障, 一定要过滤或更换液压系统用油。

4.4 操作不当

盾构施工中操作不当也是造成油温升高的一个重要原因。由于盾构机操控手操作经验不足, 不能选取适当的掘进参数, 不能很好地掌握控制推力和扭矩的方法, 从而造成盾构机长时间无效率运行, 盾构推力、扭矩过大等问题, 这些均是液压系统油温上升的重要因素。

预防措施:加强对操控手的控制技术指导, 并增强地面与隧道的配合与沟通, 提高盾构机的工作效率。在掘进过程中应对盾构机出现空载或无掘进速度开机时间进行限制, 要求操控手尽量减少做无用功的开机时间, 既节省用电量, 同时也减少液压系统的发热量。同时, 盾构机一般应采用刀盘正常模式掘进, 控制推进参数千斤顶溢流阀调在30MPa, 泥浆粘度控制在25±2S。

4.5 液压系统中混入空气

在液压回路正常工作时, 当压力油流过节流阀或管路狭窄缝隙地方时, 流速将急剧增加, 压力大幅度下降, 液压系统中产生低于大气压的地方, 系统如有泄漏如接头、液压元件接合面处有松动, 特别是吸油口有松动, 外界的空气就会从这些地方侵入系统。混入液压油中的空气在低压区时会从油中逸出并形成气泡, 当其运动到高压区时, 这些气泡将被高压油击碎, 受到急剧压缩而放出大量的热量, 引起油温升高。

预防措施: (1) 经常检查进油管接口等密封处的密封性, 防止空气进入; (2) 每次换油后要排尽系统中的空气。

4.6 吸油滤网堵塞

油泵的吸油滤网器如果堵塞, 使吸油阻力变大, 以致吸油管路中压力过低, 油泵的吸油腔中油液不能全部充满空间, 出现空穴现象, 从而使温度急剧升高, 造成油温上升。

预防措施: (1) 定期清洗、更换滤油器, 对有堵塞指示器的滤油器, 应按指示情况清洗或更换滤芯; (2) 确保滤芯的性能、结构和有效期都必须符合其使用要求。

4.7 环境温度过高

盾构隧道掘进过程中, 隧道因尚未贯通呈半封闭管状, 需要通风来解决防尘、降温及人员、设备所需要的新鲜空气。如果通风不畅, 则盾构动力设备产生的热量容易滞留在隧道前端, 造成隧道内环境温度过高, 液压系统散热不快, 导致油温升高。

预防措施:目前盾构隧道通风的一般作法是采用压入式通风, 根据隧道长度配置合适的轴流风机和拉链式软风管。

摘要：液压系统在盾构机上起到至关重要的作用, 液压系统的正常与否, 直接关系到盾构工作效率的高低。本文根据施工经验介绍控制盾构液压系统油温的几种措施。

关键词：盾构,液压系统,油温控制,预防措施

盾构液压油的净化技术 篇2

采用盾构法修建地铁隧道，施工进度较快，建设质量好，而且施工过程中不需要降水，可以节省大笔费用。但由于盾构机及配套设备、设施的采购和制造费用很高，而且施工过程中所用多种消耗材料费用也不低。所以，采用盾构法的施工成本与传统施工方法相比，并无优势可言。在保证工程质量的前提下，如何有效地降低施工成本，成为企业在市场竞争中面临的一个紧迫问题。对磨损周边刀进行修复利用，就是在降低施工成本方面进行的一次有益尝试。

1盾构机刀具磨损情况

需要修复的这批磨损周边刀是在完成520环（约630m）隧道掘进后更换下来的。刀具的2/5已经被磨损，其情况见图1，刀具磨损部分是正对被切削土体的迎土面部分。

刀具迎土面部分，在盾构刀盘旋转时承受很大的摩擦作用力，摩擦力的大小与千斤顶的推力成正比；另外，周边刀安装于刀盘的最外边，刀盘旋转时该位置的线速度也最大；再有，由于处于边缘位置，离泡沫出口的位置较远，在盾构机掘进过程中该位置的刀具无法得到良好的润滑。以上多种因素导致了该部分的磨损最严重。

2盾构机刀具修复工艺确定

从图1中可以看到，磨损的周边刀仅剩下一个安装孔是完好的。修复工作的主要任务，一是完成另外两个安装孔的修复；二是完成切削刃和表面耐磨层的修复。据此确定总的思路是：铸造一块与原刀具本体成分相同、形状与缺损部分一样的钢块，与残刀焊接在一起；然后，在修复的刀具上堆焊切削刃和耐磨层；再以原来的安装孔为基准，根据图纸的尺寸要求加工另外两个安装孔；最后，对刀具与刀盘的安装表面进行一次精加工。

2.1修复体材料的选择及制造

为保证修复刀具的工作性能不降低和便于与残体进行焊接，决定采用与原刀具本体材质相同的材料对其进行修复。通过实验室化验分析，确定原刀具本体材料为退火状态的20Mn2。根据原图纸和磨损刀具实物，设计加工了2个修复体模具（左右各1个）；然后，利用小冶炼炉进行修复体的翻砂铸造，并对工件外表面进行喷丸处理。

2.2修复体与刀具残体的焊接

由于刀体较厚，断面为三角形，且整个刀具的外形不规整，要将修复体与残刀直接焊接难度很大。为此，设计了专用的夹具，在焊接时将两者精确定位，以控制焊接过程中的变形。为保证焊接质量，焊接前须将残刀进行喷丸处理；为保证修复后刀体具有足够的强度，两焊接件之间采用了大坡口焊接。

2.3刀刃及耐磨焊丝的选择

周边刀切削列采用的堆焊材料，是该类刀具制造的关键核心技术。耐磨焊丝的性能直接影响刀具的使用寿命，而国内还没有采用堆焊切削刃的工艺和技术。北京地区的地层主要是以沙卵石地层为主，要求所采用的盾构周边刀具有较好的抗冲击磨损能力和抗磨料磨损能力，同时应具有很好的韧性。刀具的抗磨损性能要求堆焊层金属表面应具有很高的硬度，而硬度提高的同时材料的韧性会随着降低。当堆焊金属的硬度提高，其耐磨性增加，但同时其抗冲击韧性随着显著降低。为了解决这一问题，通过走访凋研，选择采用北京固本KB600耐磨焊丝进行耐磨层的堆焊。该耐磨焊丝为铬钼钨系堆焊焊丝，地铁盾构施工刀具刃口堆焊专用。KB600基体加入镍合金，高耐磨耐高温（可达950℃）而且裂纹倾向小，韧性，具有良好的抗冲击性及耐磨性。焊缝表面成型美观，无渣，单层硬度HRC≥60。这样刀具既具有较高的表面硬度，又有较好的内部韧性，克服了普通堆焊焊条的缺点，可以较好地满足北京的沙卵石地层工况对刀具的性能要求。

KB600耐磨焊丝由北京固本科技有限公司自主研制，北京固本是国内唯一一家专业研发耐磨堆焊金属材料的高新技术企业，公司是国家级大学科技园企业，并获政府相关部门专项资助。

3盾构机修复刀具的安装

本次修复作业由于受时间的限制，对焊接的修复体表面，只堆焊了KB600耐磨层。盾构机的“迎土面”部分，需承受很大的摩擦力，在原装刀具的背面，都镶有硬质合金“球齿”，硬质合金的表面硬度可达HRC87～89，具有极高的耐磨性。安装修复好的刀具时，应将其残体部分凋换到“迎土面”的位置，即将刀盘大臂左右位的刀具互换位置。

盾构液压油的净化技术 篇3

关键词：盾构,液压系统,电液控制,推进系统,动态特征

推进系统作为盾构的关键系统之一, 它主要承担着盾构向前推进的任务, 同时能够完成盾构的曲线行驶、纠偏、调向、姿态控制以及同步运行等重要功能。

近年来, 以杨华勇院士为代表的专家对盾构的推进系统的设计计算, 理论分析, 节能控制等方面的研究成果较为突出。但对推进系统的动态特性的研究甚少, 作为一个工作条件复杂的反馈控制系统, 其动态性能的好坏直接决定了盾构的施工进程, 因此, 对超大直径盾构液压推进系统动态特性进行研究具有重要的意义。

1推进系统原理简介

南京纬三路过江隧道施工中所用的超大型泥水气压平衡复合式盾构“天和一号”的液压推进系统单组分区的工作原理如图1所示。

盾构的液压推进系统中主要的构成部件有液压泵、控制阀组、驱动马达、液压管路、减速缓冲组件、大小规格不一的轴承、齿轮以及相应的密封件。本文所研究的盾构的液压推进系统在工作时, 电液比例变量泵的输出流量的大小可以由输入电磁阀的电信号来控制调节。此推进系统采用电液比例控制, 结构相对较复杂, 但可组成不同形式的反馈, 便于控制。压力闭环反馈控制是由调节推进压力的比例溢流阀与检测压力的压力传感器构成, 时刻控制推进压力的大小;速度闭环反馈控制是由调节进入系统的流量的比例调速阀与安装在液压缸内的位移传感器构成, 实时控制推进速度的大小。比例调速阀可被插装阀和二位三通电磁换向阀短路, 由此液压缸可实现快速运动, 从而减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。该液压推进系统的液压缸采用分区分组控制, 减小控制的复杂程度的同时也可满足姿态调整的要求。降低制造的成本, 提高系统的工作效率。

2液压系统模型构建

2.1建立液压缸数学模型

假设输送油压的管道中的压力损失为零, 液压缸各个工作腔内的压力处处相等, 且认为油温与体积弹性模量是常数, 液压缸的外泄露忽略不计, 内泄漏均为层流流动。液压缸及外界负载简化模型如图2所示。

根据液压缸与负载的动力平衡方程可得

式中:A1、A2是液压缸无、有杆腔活塞的面积, m2;p1、p2为液压缸无、有杆腔的油压, Pa;mt为活塞本身及外界负载折算到活塞上的总质量, kg;Bv为活塞及外界负载的粘性阻尼系数, Ns/m (液压阻尼系数为Bv1, 衬砌环塑性变形阻尼系数为Bv2) ;K为负载弹簧刚度, N/m (液压弹簧刚度为K1, 衬砌环弹性变形量为K2) ;FL为作用在活塞上的任意外负载力, N。

液压缸流量连续方程为

式中qL—流进液压缸无杆腔的流量, m3/s;

xP—活塞的位移, m;

Ctp—液压缸泄露的系数, m3/s·Pa;

e—有效体积弹性模量, Pa;

V1—液压缸进油腔的体积, m2。

对式 (1) 、式 (2) 作拉氏处理可得

由式 (3) 、式 (4) 可得液压缸的输出位移为

2.2比例调速阀数学模型

比例调速阀的结构原理如图3所示, 根据其工作时的特点可知, 经过电液比例调速阀节流口的流量为

式中d—比例调速阀阀口周向的直径, m;

x—芯位运动的位移量, m;

p2—定差减压阀的出口压力, Pa。

对式 (6) 作线性化变换可得

式中Kqt—流量增益, Kqt=∂qt/∂x;

由于定差减压阀具有压力补偿的作用, 即P2-PL几乎保持不变, 即Kpt=0, 因此对式 (7) 作拉氏处理可得

2.3比例溢流阀数学模型

推进系统中比例溢流阀结构如图4所示。

通过阀口的流量为

式中D—锥阀阀口处的流量系数;

qr—流入比例溢流阀处的流量;

A (y) —通流面积。

对式 (9) 进行线性化处理可得

式中Kqt—流量增益, Kqt=∂qt/∂x;

对式 (10) 进行拉氏变换可得

2.4系统的传递函数

由式 (5) 、式 (8) 、式 (11) 得到盾构推进液压系统的闭环控制系统的传递函数

对液压系统中的元件确定参数并计算得

3推进系统动态特性研究分析

3.1系统仿真分析

利用传递函数, 在MATLAB-Simulink仿真环境下, 模拟推进液压阀控系统的阶跃响应。

由推进系统的单位阶跃图可知此电液控制系统的调整时间Tt=0.016s, 即在0.016s就已基本稳定。这与电液比例集成控制技术应用于盾构液压推进系统的响应情况吻合。

由仿真结果可知盾构的液压推进系统在运行时, 虽然存在少许振荡, 但是就整个工作空间而言是稳定的。系统的幅值余量km=13.8d B, 穿越频率为0.041Hz, 相位裕量pm=43.5°, 截止频率为12.6Hz, 系统的幅值裕量和相位裕量均为正值, 系统基本稳定;此外幅频特性的增益值下降到4d B时所对应的频率变化范围, 上升时间t=0.0068s, 满足响应快速性的要求。

3.2实验研究

液压系统的室内试验借助盾构电液控制系统的实验平台, 该平台主要由3部分组成:液压控制系统、数据采集及控制系统和控制系统软件。且在该实验平台上配置了高灵敏度的传感器, 比如:压力传感器、位移传感器、温度传感器和流量传感器等, 能完成各种信号的实时采集。借助该实验平台可模拟盾构液压系统地各种姿态。

若研究电液比例控制技术在盾构推进液压系统中的动态特性, 需实时采集压力、流量等主要运行参数作为依据, 所以在电液控制系统综合实验平台上需要构建专用的数据采集系统。该系统选用了研华公司生产的PCIl713系列高速数据采集板卡, 在实验研究中需要对油压, 速度参数量进行数据采集, 即若输出信号为标准的5~25m A电流信号, 经过精密电阻处理后可获得相应的电压信号, 再由信号发生器的输出端获取。位移信号则由位移变送器获取。数据采集的原理图如图5所示。

1) 推进系统的瞬态响应测试瞬态响应即在某一输入信号的作用下, 系统的输出量从初始态到稳定态的响应过程。分析系统的瞬态响应特性时, 需要以典型的输入信号为依据, 如脉冲函数、正弦函数和阶跃函数等, 本实验选用阶跃函数信号进行研究。由实验可得, 盾构的液压推进系统的压力、速度的阶跃响应过程, 如图6和图7所示。由图可知, 在盾构的液压推进系统工作过程中, 液压缸的推进速度和推进压力均具有良好的瞬态响应特性, 并且由图像的走势可以看出:随着流量或者速度的变化, 液压缸的推进压力波动较小, 即系统的鲁棒性较强。

2) 推进系统的稳态特性分析稳态特性分析的重点在于测试盾构的液压推进系统在工作状态下, 系统的稳态精确性和重复精确性。实验时的驱动电压从0V增至10V, 每次递增1V输出。待系统稳定后, 每次递减1V输出, 从10V直至电压降为0V, 获得的实验曲线如图8所示。

由图可以看出, 盾构的液压推进系统存在约0.6MPa的死区, 但在0.8~8.0MPa的范围内, 系统具有较好的线性度, 大于8.0MPa时, 曲线上有比较明显的弧度, 整体而言, 两条曲线能基本重合。说明盾构的液压推进系统工作时, 有重复精度误差的存在, 但误差相对来说比较小, 可以忽略不计。

4结论

论文对超大直径盾构推进系统的液压原理进行分析, 对整个液压系统进行数学建模, 构建系统的传递函数模型, 对模型进行仿真分析, 结合室内实验对盾构液压推进系统的动态响应进行了研究。

研究发现通过模型简化得出的比例阀控系统传递函数是合理的。此外, 通过仿真实验与室内实验的研究发现盾构的液压推进系统采用电液比例控制技术具有较好的时域响应特性, 推进压力波动较小, 即系统具有较强的鲁棒性。

本文的研究主要集中在理论建模和室内试验的研究上, 进一步研究时可以对实验模型进行完善, 结合现场盾构进行研究。

参考文献

[1]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.

[2]胡国良.盾构模拟试验平台电液控制系统关键技术研究[D].杭州:浙江大学, 2006.

盾构液压油的净化技术 篇4

随着我国现代化建设进程的逐步加快，城市建设水平逐步提高，与之相对应的庞大的城市人群给城市交通带来巨大压力。为了缓解城市交通压力，保障人们出行正常，各级政府千方百计寻找新的交通解决方案。地下铁路就是其中重要一项内容。地铁以其低碳环保、高效便捷的优点有效缓解了大型城市人群出行交通困难的问题，广泛应用于世界各国大型都市中，已经成为城市现代化水平的一个重要标志。我国第一条地铁于上世纪70 年代初期在北京投入使用，至今已有四十多年。目前，各地大中城市都已经或正在实施地铁工程，地铁建设已经成为我国城市建设的一项重要组成部分，受到社会各界的普遍关注。由于地铁工程大部分工程都在地面以下，地下施工的特殊性给地铁项目工程建设带来很多与其它交通工程截然不同的特点和问题。作为地铁工程中的关键部分，隧道施工目前普遍使用盾构法进行施工。该技术相对成熟，其以盾构机为主要施工设备，在土层中实施迅速的挖掘作业。在盾构机外壳强大的支护作用和千斤顶等其它设备的配合下，盾构挖掘作业施工速度快，安全系数高，受到世界各地地铁工程建设单位的普遍欢迎，进而广泛应用于地下工程隧道挖掘施工中。我国地铁事业正处于高速发展阶段，加强盾构施工技术研究，深入把握盾构施工技术特点，对于改进我国地铁工程建设质量，提高施工水平，保障施工安全，降低工程成本，促进地铁事业顺畅健康发展具有极为有利的促进作用。地铁工程盾构施工技术的施工原理

盾构施工技术，顾名思义，其以盾构机为主要施工设备进行施工。盾构机具有坚强的盾构钢壳，可以为地下挖掘施工提供极为可靠的安全保障。在盾构机挖掘行进过程中，盾构机的尾部同步进行持续的注浆作业。注浆作业可以最大限度降低盾构机挖掘过程中对周围土层的扰动，从而保障隧道的稳定。盾构机由刀盘、压力舱、盾型钢壳、管片和注浆体等部分组成，各部分各有作用，又相互配合，协调运转，使得盾构机挖掘作业得以顺利实施。盾构机在土层中的挖掘作业实际上包括三方面内容，一是确保开挖面稳定，二是挖掘并排出土壤，三是进行补砌和注浆作业。地铁工程盾构施工技术的施工特点

盾构施工技术属于较为先进的隧道挖掘技术，和传统地铁隧道施工技术相比，盾构施工技术在施工过程中具有如下特点：一是盾构施工大部分过程位于地下，对施工地点周边环境影响很小，非常适合建筑密集、人群活动频繁的城市环境施工。在采用盾构机进行地铁隧道施工时，施工活动位于地面以下，施工过程中产生的噪音非常微弱，对周围土层的振动也小，不必像其它工程施工那样需要线路沿线施工现场进行特殊的布置安排，对地面活动，特别是交通运输和周边环境影响微弱。二是施工精度要求高。地铁工程对于施工质量和工程安全可靠性有着很高的要求，为了达到这个目标，在工程施工时必须严格控制施工精度。在使用盾构机进行施工时，由于盾构机管片制作精度很高，从而保障了施工误差能够控制在一个极小的范围内。此外，盾构机发掘作业时，只能向前行进，无法做出后退动作，一旦施工过程中出现后退现象，必然会造成盾构装置受到严重损伤，从而产生不可预估的后果，严重影响工程进度和施工安全。为确保施工安全，在施工前期，施工人员一定要做好充分准备，防止任何可能导致盾构机后退现象的发生。另外，盾构机属于专业设备，其设备参数与施工条件之间具有较为严格的针对性，施工隧道断面不同，盾构机的设备参数也不一样。在进行断面面积大小不同的隧道施工时，必须对盾构机进行相应改造，甚至是专门设计制造，否则无法保证施工质量。地铁工程盾构施工中的技术控制要点

盾构施工技术含量很高，为保障工程质量，必须对各工序和操作予以严格控制，确保施工质量。下面对盾构施工各主要阶段的施工技术控制要点逐一进行分析，以帮助大家更好的理解和把握：

3.1 盾构机进出洞时的作业控制

在使用盾构机进行挖掘作业时，进洞和出洞作业是盾构机工作的基础操作和主要组成，其操作质量对于盾构施工来说具有极其重要的影响。如果进洞或出洞作业出现问题，藉由可能导致整个工程的失败。为此，必须切实做好盾构进出洞作业，确保施工质量。盾构进洞前，首先要正确选择隧道施工路线，防止轴线发生过大偏差。同时，要做好施工路线周围地质环境勘察，针对可能会对盾构施工造成负面影响的因素，提前制定科学可靠的防范措施，避免施工事故发生。在盾构出洞前，也要做好相关准备工作，严格审查各项出洞条件，确认各项条件符合出洞标准后方可出洞。

3.2 盾构机挖掘前进时施工作业控制

盾构机掘进作业是盾构施工的主体，在整个盾构施工过程中占据最大的比例。在进行盾构掘进作业时，最主要的是要尽量减少盾构施工对周围土层的影响，防止对土层产生过大的扰动，确保盾构开挖面的稳定性。为达到这一目的，在施工过程中一般通过调整掘进参数来实现。在盾构机掘进施工过程中，盾构姿态是一个非常重要的概念，其指的是盾构掘进过程中的现状空间位置，盾构姿态是评价盾构轴线与设计轴线之间的偏差是否满足设计要求的重要指标，盾构姿态的好坏，直接影响到盾构掘进施工的顺利进行和后面管片拼装作业的质量高低。所以，在进行盾构掘进作业时，必须严格控制盾构姿态。施工过程中，对盾构姿态的控制是通过对注浆量、注浆方式、盾构坡度等十项参数的控制来实现的。为确保各项参数控制精准，准确可靠的实地测量是必不可少的。施工人员通过一系列规范化的科学测量，并结合盾构掘进过程中地面沉降的情况对掘进参数进行优化，从而保证盾构开挖面的稳定。此外，为保障掘进过程中土体压力波动始终处于允许范围内，必须随时注意盾构机推进速度和排土量的调整。

3.3 盾构穿越粉砂层时施工作业控制

隧道线路周围地质条件对于盾构施工影响巨大。对于盾构施工来说最为理想的施工环境是淤泥质粘土或淤泥质粉质粘土等软土地层，如果施工线路途经粉砂层，那么施工难度将会大幅提高，必须运用一些特殊的方法。土体液化和出土口喷砂是粉砂层土体盾构施工的主要困难。要解决这个问题，就必须提升正面土体的流动性与止水性。具体施工中，可以通过适当提高土舱压力和向土舱内加泥的方法予以处理。结束语

盾构机液压系统污染问题研究 篇5

盾构机有着较大的体积和质量, 因此, 采取常规意义上的垂直吊装或者水平运输方式, 往往无法达到顺利运输的目的。鉴于此, 一般采用分体模式对盾构机进行运输。这种运输模式最主要的特点是:在分体分块运输至现场后进行整个设备的拼装和定位操作。但此种运输模式下, 受到盾构机液压系统拆解转场动作频繁的影响, 再加上拼装、定位现场环境条件不够良好与稳定, 极有可能导致盾构机液压系统的油液出现严重的污染问题。因此, 为了确保盾构机后期运行的安全性与可靠性, 往往需要在前期对液压系统油液的污染进行有效处理。

1 盾构机液压系统污染物来源

若盾构机液压系统出现严重的油液污染问题, 则会导致系统的可靠性乃至元件的使用寿命受到不良影响。一般来说, 盾构机液压系统污染物的来源主要包括以下3个方面:

(1) 盾构机液压系统自身残留的污染物。此类污染物在盾构机液压系统及其相关元件加工、装配、储藏以及运输等多个环节当中侵入液压系统内部。对于盾构机液压系统而言, 在整个加工过程当中, 操作人员对于其内部金属切屑、焊渣、锈蚀物以及清洁溶剂等清除不够彻底, 就会导致上述污染物存留于液压系统内部。

(2) 盾构机液压系统在正常运行过程中受到外界污染物的侵入影响, 产生油液污染问题是不可避免的。由于盾构机液压系统往往在地下运行, 环境条件相对较差, 因此在其正常工作过程中, 地下环境中的部分固体颗粒以及水分就极有可能通过液压系统油箱呼吸孔或者液压缸活塞杆位置侵入系统内部, 从而导致液压系统在正常加油或维修时表现出严重的油液污染问题。

(3) 在盾构机液压系统正常工作过程中, 相关元件的高频次运动往往会产生摩擦力, 并引发一定的磨削, 从而产生污染物。同时, 油液氧化以及发生分解反应的过程当中也有可能形成具有污染性的物质成分。

2 盾构机液压系统污染源产生的主要环节

上述污染源主要是在哪些环节产生的呢?笔者结合盾构机在各个工作阶段的工作性质, 以及相关污染物的产生机理, 认为可能导致盾构机液压系统出现污染问题的环节主要有:

(1) 在盾构机液压系统解体、运输以及井下组装过程中, 运输防护不当或者防护措施落实得不好, 就会导致液压系统受到外部污染物的侵害。

(2) 在盾构机掘进施工过程当中, 液压系统的运转会导致其中的相关元件和执行机构出现生成性污染问题, 同时也会在磨损加剧的过程当中引发相应的生产性污染、呼吸性污染以及元件装配性污染问题。

(3) 在盾构机执行转场 (即掉头) 动作的过程中, 可能会由于液压系统自身软管及其加长管路清洁不彻底而引发严重的污染问题。

(4) 在盾构机液压系统大修保养时, 受到相关操作人员维修操作、保养操作、清洁操作以及装配操作不当等主观因素的影响, 同样可能导致外部污染物侵入液压系统内部, 影响其使用性能。

3 盾构机液压系统污染问题的控制措施

基于盾构机液压系统井下组装调试、掘进施工以及维修保养等环节的特点, 为了能够最大限度地防止盾构机在正常使用过程当中其液压系统出现油液污染, 就需要在加强对油液污染的检测控制的基础之上, 通过明确产生污染的环节以及污染的具体程度, 制定出有针对性的解决方案。具体而言, 需要从以下几个方面入手:

(1) 需要加强对可能导致液压系统出现污染问题之环节的控制力度。在盾构机正常运行过程当中, 最容易导致液压系统出现污染问题的环节有液压系统相关元件的装配与清洗环节、液压系统相关设备的解体运输环节、盾构设备组装环节、分体延长管路施工环节以及油箱的清洁和加油环节。具体如下:

1) 在盾构机液压系统相关元件进行组装作业之前, 操作人员需要对其进行彻底清洁。清洁时试剂应当选取型号相同的液压油、煤油或者汽油。在充分清洁元件后, 需应用压缩空气对液压元件进行吹干处理。另外, 在液压元件拆装作业过程当中, 相关操作人员应当最大限度地避免外界的灰尘、纤维、垃圾等污染物落入液压系统, 并在完成液压元件清洗后, 对于暂时不需要装配的零部件进行妥善保存 (保存时应当做好防锈蚀处理) 。还有一点需要特别注意的是, 在液压系统软管安装作业完成后, 还需要对其进行必要的酸洗作业, 以防其使用性能不良。

2) 相关操作人员需要在液压系统相关元件表面完全干燥的基础之上, 对其进行装配操作, 从而防止清洗液残留在零件表面对装配质量产生不良影响。在液压系统相关元件的装配过程当中, 应禁止使用铁制榔头敲打元件表面, 以避免其使用性能和理化性质发生改变。另外, 还应严禁使用纤维制品对安装面进行擦拭, 以防纤维制品当中的相关污染物侵入液压系统内部。

3) 在盾构机液压系统相关元件的解体运输过程当中, 需要特别关注对外部环境的控制, 注意防尘、防雨。特别是对于运输距离相对较长的液压系统元件而言, 应当采用塑料包装对其进行打包, 并添加适当的干燥剂, 以防雨水侵蚀对相关元件产生不良的影响。同时, 在装车、卸车的操作环节中, 应当安排专人对盾构机液压系统油口密封性能进行检测, 及时发现存在的污染问题, 并采取有效的补救措施。对于污染问题过于严重的液压系统, 需要再次转入对其进行分解以及清洁操作的过程当中。

4) 在施工中盾构机进行掉头作业时, 需要由专人对液压系统临时转接延长软管的清洁度进行检测, 并在达到清洁标准的基础上投入使用。在液压系统注油操作之后, 需要安排专人应用清洁度合规的管件堵头进行封堵处理, 防止污染物侵入液压系统内部。还需要注意的一点是, 对于盾构机液压系统而言, 其所对应的延长软管需要尽可能地确保一次性设置到位, 以防在多次拆解操作过程当中对液压系统正常运行造成影响。

5) 对于盾构机液压系统而言, 相关油箱的清洁性是影响盾构机液压系统整体清洁水平的最关键因素之一。因此, 在对油箱进行加油操作之前, 需要安排专人对其内部清洁程度进行详细检测。在注油操作之前, 还需要通过油液过滤的方式剔除较大固体颗粒物对油液清洁度产生的不良影响。

(2) 通过油样检测的方式, 查找出存在污染的环节以及污染的具体程度, 做好整个液压系统的油质监督与控制工作。举例来说, 在盾构机大修结束、初始掘进作业开始前或者井下掉头作业结束前等关键性的施工环节当中, 均需要对液压系统中油液的清洁度进行合理检测。检测的目的在于确保液压系统的工作可靠性。在现阶段的技术条件支持下, 对于液压系统油液清洁度的检测可通过使用自动颗粒计数器的方式实现, 同时也可以通过采集油液样品、实验室理化检测的方式获取结果。为了确保能够及时对液压系统油液存在的严重污染予以提示及警告, 往往还会在盾构机液压系统当中装设带有堵塞报警传感器的滤芯装置。使用此种滤芯装置的目的在于, 当检测到油液污染超过临界值时, 一方面可以自动停止油液的继续传递, 另一方面还可以面向外界发送相应的报警信号。

(3) 若通过油样检测的方式已经发现液压系统存在油液污染问题, 则要求相关工作人员结合污染的具体情况, 采取有针对性的应对措施。一般来说, 对于油液污染问题相对轻微的情况, 可以采取直接更换滤芯或者修复滤芯的方式来提高油液的清洁度, 进而通过应用盾构机液压系统自身的油液循环系统来确保油液清洁度符合标准。而对于油液污染问题相对严重的情况, 仅仅依赖液压系统自身的油液循环系统无法确保其清洁度, 因此就需要对整个系统进行解体、清洗、重新安装, 并在安装完成后通过注油调试的方式规范其清洁性能。具体来说, 在对盾构机液压系统污染问题进行控制的过程当中, 需要关注以下几个方面的问题:

1) 在保证盾构机液压系统工作可靠性的基础上, 明确各个液压系统油液的目标清洁度等级, 从而筛选出不合格的油液及其所在油箱, 做好有针对性地处理与控制工作。

2) 通过采取防止污染物侵入、过滤净化油液这2个方面的措施, 确保液压系统目标清洁度能够达到要求。

3) 实际工作过程中, 需要安排专门人员对盾构机液压系统所对应的油液污染度进行检测并记录, 一旦发现其污染度超过预定限值, 则需要制定有针对性的改进与优化措施, 及时恢复液压系统油液的清洁度水平。

4 结语

本文指出了污染是盾构机液压系统正常使用过程当中最为常见的问题之一, 就液压系统污染物的主要来源、污染源产生的主要环节等展开了较为详细的分析与阐述, 并提出了污染物的相关防治措施, 希望能够引起相关工作人员的特别关注与重视。

参考文献

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盾构液压油的净化技术 篇6

关键词：盾构,液压系统,故障,防治

概述

盾构机作是集机械、液压、电气与自动化控制于一体的综合性大型施工机械, 以其优质、高速, 安全的优势在地铁隧道施工中被广泛应用, 因此研究分析盾构液压推进系统的故障原因, 总结防治措施, 显得非常重要。

1、液压系统泄漏

1) 、故障现象

液压推进系统的泄漏, 是推进系统最常见的液压故障。可分为外漏与内漏。它直接影响到元件的性能, 影响液压系统的正常运行。

2) 、故障原因

(1) 油接头安装质量差, 没有密封好, 造成漏油;

(2) 油接头因液压管路长时间震动而松动, 产生漏油;

(3) 油接头处密封圈的质量差, 过早老化, 使密封失效, 造成漏油;

(4) 油温过高而使液压油的粘度太小, 造成漏油;

(5) 系统压力持续增高, 使密封圈损坏失效;

(6) 系统的回油背压高, 使不受压力的回油管路产生泄漏;

(7) 处于压力油路中的溢流阀、换向阀等内泄漏严重。

3) 、预防措施

(1) 选用粘度合适的液压油, 保证良好的粘温性能;

(2) 定期检查泵、阀、油缸等元件中运动部位的配合间隙, 保证间隙适当;

(3) 安装各种接头时, 一定要使紧固螺母与接头上的螺纹配合恰当。特别是第一次安装时, 要去掉毛刺, 否则, 带毛刺硬性拧紧, 会把螺纹挤坏, 留下后患。装接头时, 可先用手拧紧密封面接触, 手拧不动时。表示密封面已接触上, 然后再用扳手拧紧;

(4) 要保证油封和密封件的质量, 材质、几何形状和精度符合设计要求。由于各种密封圈特别是O型密封圈规格很多, 而且相邻尺寸的直径差别不大, 凭目力较难分辨。因此, 各种规格的密封圈应标明尺寸, 分别储存, 避免大小混杂。换装时便于按规定尺寸选用, 不能以小代大或以大代小。安装时不要用带棱角的工具, 以防划伤密封件。O型密封圈装好后不能有扭曲现象。U、V、Y形等有方向性的密封圈, 安装时要注意方向, 不要装反。换下的废旧密封圈要及时放在一边, 不能新旧混淆, 以免换装时弄错而造成返工。

(5) 使用冷却系统, 使油温保持在小于50℃的工作温度内;

(6) 保证系统工作压力小于350bar, 避免系统长期工作在较高压力工况下;

(7) 增大回油管路的管径, 减少回油管路的弯头数量, 使回油畅通;

(8) 阀件、密封油箱油接头等结构的设计要合理。

4) 、排除方法

(1) 将松动的油接头进行复紧, 对位置狭小的油接头, 要采用特殊的扳手复紧;

(2) 将损坏漏油的油接头、“O”型圈进行更换;

(3) 清洗、检查溢流阀、换向阀等有关阀件。

2、盾构推进压力失常

1) 、故障现象

推进压力失常主要表现为:对液压推进压力系统进行调整时比例溢流阀失效, 系统压力建立不起来 (压力不够) 、或完全无压力、或压力调不下来、或上升后又掉下来, 以及压力不稳定等。

2) 、故障原因

(1) 推进主溢流阀阀芯卡死在大开口位置, 油泵输出的压力油通过溢流阀流回油箱, 使压力油与回油路短接;溢流阀的阻尼孔堵塞, 或者调压弹簧折断等原因造成系统无压力;溢流阀阀芯卡死在关闭阀口位置, 使系统压力下不来;

(2) 推进油泵转向不对, 根本无压力油输出, 系统压力一点也不上去;因电机转速过低, 功率不足, 或者油泵使用日久内部磨损, 内泄量大, 容积效率低, 导致油泵输出流量不够, 系统压力不够;

(3) 阀板或阀件有内泄漏, 无法建立起需要的压力;

(4) 密封圈老化或断裂, 造成泄漏, 无法建立起需要的压力;

(5) 千斤顶内泄漏, 无法建立需要的压力;

(6) 推进、拼装压力转换开关失灵, 无法建立推进所需的高压。

3) 、预防措施

(1) 保证系统工作压力小于350bar, 避免系统长期工作在较高压力工况下;

(2) 保证液压阀台, 干净、无污染, 保证液压系统清洁;

(3) 保证系统温度小于50℃, 冷却系统要常开;

(4) 经常检查液压系统, 及时发现问题, 进行修复。

4) 、排除方法

(1) 查明产生内外泄露的具体位置, 并及时排除;

(2) 修复或更换主溢流阀, 确保主溢流阀无故障;

(3) 适当加粗泵吸油管尺寸, 吸油管接头处加强密封, 清洗滤油口。

(4) 修复或更换油泵, 确保油泵运行平稳, 无噪声;

(5) 查明产生内外泄露的具体位置, 及时修复、更换泄漏部件;

(6) 更换老化或损坏的密封圈;

(7) 更换磨损与损伤的千斤顶密封装置, 保证千斤顶运行平稳, 无爬行;

(8) 修复或更换推进、拼装压力转换开关或电磁阀。

3、盾构推进系统无法动作

1) 、故障现象

盾构推进系统无法动作, 是盾构推进系统常见的液压故障之一, 其主要表现是盾构推进系统可以建立压力但液压缸千斤顶不动作。

2) 、故障原因

(1) 管路内混入污染物, 堵塞油路, 使液压油无法到达液压缸;

(2) 三位四通电磁换向阀失灵 (电压过低、励磁线圈绝缘不良、铁心与滑阀不同轴、弹簧弹性失效等) 导致系统卸荷和封闭, 或是由阀芯与阀体孔之间严重内泄露;

(3) 油温远远超过50℃, 引起连锁保护开关起作用而使千斤顶不能动作;

(4) 由于刀盘、螺旋机未启动, 导致连锁保护开关起作用而使千斤顶不能动作;

(5) 先导泵损坏, 无法建立控制油压, 无法对液压系统进行控制;

(6) 滤油器被污染物堵塞, 液压油无法通过。

3) 、预防措施

(1) 保持液压油的清洁, 避免杂物混入油箱内, 拆装液压元件时保持系统的清洁;

(2) 至多500小时或是三个月就要检查和更换滤油器;

(2) 适当加粗泵吸油管尺寸, 吸油管接头处加强密封, 清洗滤油口;

(3) 发现故障及时修理, 不随便将盾构的连锁开关短接, 不强行启动盾构设备;

(4) 按要求正确设定、调定好系统的压力。

4) 、排除方法

(1) 检查控制电路是否故障, 电气线路是否接错, 换向电信号是否到达电磁阀, 如有问题, 修复电路。

(2) 检查、排除电磁换向阀故障, 如不能修复, 需更换换向阀;

(3) 按要求修复或更换损坏的先导泵;

(4) 疏通或更换堵塞的油管, 取出管路内堵塞的杂物;

(5) 更换损坏或堵塞的滤油器。

4、结语

液压推进系统故障可以分为液压系统漏油、盾构推进压力低、盾构推进系统无法动作三大类。为确保液压推进系统正常工作, 我们要加强预防措施, 有效减少盾构的故障停机发生频率, 提高盾构掘进施工的稳定性和安全、可靠性。

参考文献

盾构推进液压缸刚度有限元分析 篇7

盾构是集开挖、支护、衬砌、出碴于一体的隧道施工专业设备。盾构实现隧道的开挖,主要是由以下两个运动完成:一是刀盘切削,一是盾体的推进。刀盘的切削、盾体的推进均依靠支承环内大体等距布置的推进油缸[1],因此,盾构推进液压缸必须为盾构前进提供足够的动力,控制盾构的姿态,实现盾构的纠偏及转向要求。液压缸在推进过程中的变形必然会对末端位姿产生影响,因此有必要对推进液压缸进行静力学分析。

1 液压缸的刚度计算模型

1.1 球铰的刚度模型

图1(a)为盾构推进机构的球铰结构示意图,它主要由底座、端盖和球杆3部分组成。首先在Pro/E软件中对球铰建模,然后去掉对结构影响不大的边角等特征,如倒角、圆孔等。最后通过Pro/E中的ANSYS接口程序,将简化后的球铰模型导入ANSYS进行静力学分析,求其刚度。

在ANSYS软件中,设置球铰各部分材料为钢,弹性模量为2.0×1011Pa,泊松比为0.3,定义网格单元类型为Solid45,接触单元网格类型为Contact173,定义球杆与球窝为接触单元,球铰底座为固定约束,在上端面施加大小为3×106N的斜坡载荷,经求解可得球铰的轴向变形位移结果,如图1(b)所示。

在不同的载荷作用下,球铰的变形位移及相应的刚度值如表1所示。

刚度与载荷的对应关系如图2所示。

1.2 液压油的刚度

盾构推进液压缸的结构示意图如图3所示,它主要由球铰、活塞杆和缸体组成。

在液压驱动机构静力学分析中,一般认为液压油是刚性的、不可压缩的,只考虑杆件的变形。液压油的体积模量Kv=1.4 GPa~2 GPa,而钢的体积模量为196 GPa~206 GPa,是液压油的100倍~150倍。在实际推进过程中,液压油的压缩量会对计算结果造成影响。因此,在对其的静力学分析中,必须考虑液压油的刚度。

将液压油按弹簧来考虑,其刚度可以按下式计算[2]:

其中:E为液压油的弹性模量;L为液压缸的有效行程;L1为无杆腔当量初位移;L2为有杆腔当量初位移;A1为无杆腔横截面积;A2为有杆腔横截面积;x为活塞的轴向位移;a、b为工况选择参数,正常掘进时,a=1,b=0;临近末端时,a=1,b=1。

液压油刚度与液压缸的推进位置有关,当盾构正常掘进时,其刚度表现为随液压缸推进行程的增加而降低。

1.3 活塞杆的刚度

活塞杆机构简图如图4所示,左端为连接球铰处的凹形阶梯台,右端为液压油密封环。由于左、右端不平整尺寸相对整体影响不大,故活塞杆刚度模型可以简化为长度为lh、横截面积为Ah的均匀直杆,由材料力学可求解其刚度为:

其中:Eh为活塞杆的弹性模量。

1.4 液压缸的计算刚度

在盾构推进过程中,缸体主要承受液压油的纵向应力,忽略其轴向变形,则有:

其中:k为液压缸的刚度;ka为球铰的刚度。

2 液压缸的有限元分析

选择分析类型为静力学,左边球铰端面固定约束,为了便于分析对比,给右边球铰端面施加相当于3×106N的应力载荷。设定求解载荷步结束时间为1 s,为了减少计算时间,设定子步数为12,ANSYS求解液压缸的轴向位移云图和应力云图分别见图5和图6。

由图5和图6可知,液压缸在油液刚度保持不变的情况下,承受外载作用的主要变形为液压油的压缩,油缸在外载作用下的变形相对较小。

在液压缸有限元模型的横截面上取一些关键点,见图7。其中,E1~E6为活塞杆上的关键点,B1~B3为右端球铰所对应的面。

表2为在不同载荷作用下,球铰和活塞杆的变形位移量。在同一载荷下,关键位置之间的位移变化量很小,但活塞杆总体位移变化大,由此可知,液压缸的位移变化量主要由油液的压缩决定,即液压缸的刚度主要为油液的刚度。随着载荷的增大,球铰末端位移变化缓慢增加,可以得出液压缸在不同载荷作用下刚度的变化,如图8所示。

mm

当活塞轴向位移x=526 mm时,根据式(3),可得液压缸在载荷3×106 N作用下的刚度为1.481×105N/mm,ANSYS仿真结果显示轴端位移为18.11 mm,刚度为1.657×105 N/mm,与计算值有误差。这是因为在ANSYS接触分析中考虑了液压缸的接触应力与摩擦,且油液刚度并非定值。但从分析结果可以看出这种有限元模型接近液压缸在实际工作过程中的运动状态。

3 结论

通过盾构液压缸在ANSYS中的接触分析[3],得出接触应力与摩擦对液压缸的刚度会产生影响,刚度与载荷成线性比例关系。盾构液压缸的刚度主要表现为油液的刚度,为盾构推进机构的刚度分析和推进系统的设计提供了一定的基础。

摘要：以实际盾构推进液压缸为研究对象,通过Pro/E软件建立液压缸的三维模型,利用ANSYS软件建立了球铰的刚度与液压缸的刚度的有限元模型,得出液压缸刚度与载荷成线性比例的关系。为盾构推进机构的刚度分析和推进系统的设计提供了一定的基础。

关键词：盾构,ANSYS,液压缸,刚度

参考文献

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[2]王林鸿,吴波,杜润生,等.液压缸运动的非线性动态特征[J].机械工程学报,2007,43(12):12-19.

盾构机刀盘驱动液压系统设计探索 篇8

1 盾构刀盘的驱动方式

在盾构机的组成部件中, 刀盘是掘进工作的主要工作机构, 对于盾构机而言是核心工作部分。对于盾构机中的刀盘来说, 其具体的作用有:隧道岩土破碎切削功能、固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。刀盘的驱动方式能够实现效率高、范围广的要求, 同时刀盘的推进速度也会随着具体掌子面的实际地质情况而有所变化, 例如在针对硬岩层与软土层所用到的动力及刀盘运转速度会有巨大的差别。

在目前盾构刀盘的主流驱动方式中, 主要有变频电机驱动及液压驱动。变频电机驱动主要存在以下特点, 适应不同工况条件下的频繁变速;采用电磁设计, 减少了定子和转子的阻值;在一定程度上能够节省能耗。而文章主要探讨、设计的是刀盘的液压驱动方式, 其主要的构成部件有液压泵、阀组、液压管路、液压驱动马达、减速缓冲部件、大小规格不一的齿轮、主轴承以及相应的密封件构成, 通过液压马达所提供的动力来带动刀盘的运转, 刀盘的旋转速度由液压马达及其相应动力传动装置来进行调节控制, 液压驱动刀盘的盾构机具有环境适应性强、维护修理较为简便和结构可靠、刀盘旋转速度易掌控并且具有过载保护的能力。

2 刀盘驱动液压系统原理设计

刀盘驱动液压系统原理设计如图1所示。液压驱动系统的设计一般为开放回路, 能够普遍适应以下两类施工工况:即软土地层, 一般采用增大刀盘旋转速度降低刀盘扭矩的方案;而硬岩地层下的施工工况, 一般采用降低刀盘旋转速度加大刀盘扭矩的方案。此两类工况下的施工转换能够使用电磁换向阀5.3来完成, 若电磁铁C出现失电情况时, 可通过设置溢流阀5.1来确保液压驱动系统的最大压力, 此刻, 将液压驱动系统的压力值调整到25MPa, 刀盘的扭矩就会增大, 而因为液压动力不足, 刀盘的实际旋转速度就会降低。对于液压系统的刀盘旋转速度而言, 只需调节液压变量泵6的压力即可完成对于刀盘旋转速度的实际控制, 对于液压系统的动力来源马达而言, 通过对于压力传感器3的调节控制, 即可完成测量进油口压力的工作, 将测得到的进油口压力通过信息系统的计算处理之后, 将其运用到液压变量泵6的比例阀之上, 最终形成对于刀盘旋转速度的整体内部系统控制。

通过对于变量调节机构的控制, 实现了变量泵能够在整个刀盘液压系统中进行无级调节, 并且能够通过比例电磁阀, 形成对电流大小的调节;恒功率的系统功率控制要在变量调节控制之前, 即为若刀盘转动速度的实际需求未达到相应的功率标准, 则实际排量将会受到电流的调节影响, 若刀盘转动速度的实际需求达到或超出相应的功率标准, 则恒功率控制就会替换相应的电子控制变量, 且依据恒功率来缩小相应的排量标准。刀盘液压系统的驱动马达1正反方向的转向控制, 需要通过换向阀4调节, 电磁铁B1得电, 刀盘液压系统的驱动马达即实现正向旋转, 电磁铁B2得电, 刀盘液压系统的驱动马达即实现反转, 通过单向阀8实现对于进油口压力的最低控制, 此阀门的启动压力值一般为0.80MPa。

3 阀块组及液压站设计

3.1 插装阀块的设计

插装阀块主要是通过运用先导元件、底座盖板、插装元件组成的逻辑控制阀。插装阀块具有结构简便、防御污化能力强、操作简易、通流量大、结构稳固、密封性能强等特点, 尤其适合于大型液压系统的集成化。此次涉及的刀盘液压系统的压力控制阀, 通过安装的插装阀5来进行安全保障, 其中包含了2个压力控制阀, 以及1个方向换向阀, 从而能够满足盾构掘进中的两类施工工况。

3.2 液压泵站设计

在盾构机的机体内, 液压泵站一般设计在其拖车一侧, 因此也就决定了液压泵站的整体构建、分列为长串排列式, 即液压泵和驱动电机在前部位置, 液压油箱在后部。由于盾构机的拖车节长一般为8m左右, 因此使液压油箱受到了一定的局限性。一般情况下, 液压系统的消耗较大, 其需要散发的热量也较大。

散发的热量功率为:

其中Nz E-主驱动电机的输出功率

ηmm-马达的机械效率

ηmv-马达的容积效率

ηzpm-主驱动泵的机械效率

ηzpv-主驱动泵的容积效率

4 结束语

文章主要通过对于盾构机刀盘驱动液压系统设计的探索研究, 分析了目前盾构刀盘的主要驱动方式有变频电机驱动及液压驱动, 阐述了此两种方式各自的优点。文中主要进行了对于刀盘驱动液压系统原理设计探索, 以及阀组及液压泵站设计, 经过试验结果发现, 盾构机在掘进过程中推进了一环 (1.5m) 时, 冷却系统未启动, 整机系统的温度仅仅升高了9℃, 此项试验结果显示该系统能量损耗较低。采用此类的配比变量泵能够有效的调节液压驱动系统马达。

摘要：文章主要分析了盾构机刀盘驱动液压系统的设计要求, 阐述其具体的工作设计原理及特点。针对目前盾构机刀盘驱动液压系统存在的问题, 设计出结构相对更加简单、性能更加优越的盾构机刀盘驱动液压系统。

关键词：盾构机,刀盘驱动,液压系统,设计

参考文献

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