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1、盾构机液压系统原理一. 液压系统原理盾构机的绝大部分工作机构主要由液压系统驱动来完成，液压系统可以说是盾构机的心脏，起着非常重要的作用。这些系统按其机构的工作性质可分为：1. 盾构机推进及铰接系统2. 刀盘液压系统3. 管片拼装机液压系统4. 辅助液压系统5. 螺旋输送机液压系统6. 冷却过滤系统7. 同步注浆泵液压系统8. 超挖刀液压系统以上8个系统除同步注浆泵液压系统在1号拖车、超挖刀液压系统在盾壳前体为两个独立的系统外，其余6个液压系统都共用一个油箱，并安装在2号拖车上组成一个液压泵站。有的系统还相互有联系。下面就分别介绍一下以上8个液压系统的作用及工作原理。（一）盾构机液压推进及铰接系
2、统1、盾构机液压推进（1） 盾构机液压推进系统的组成盾构机液压推进系统由液压泵站，调速、调压机构，换向控制阀组及推进油缸组成，32个油缸分16组均布的安装在盾构中体内圆壁上（见图），并分为上、下、左、右四个可调整液压压力的区域，为盾构机前进提供推进力、推进速度，通过调整四个区域的压力差来实现盾构机的转弯调向及纠偏功能。推进油缸行程2000mm,最大总推力42575KN（350bar)，每组油缸中均有一根带有行程传感器。铰接系统的主要作用是减小盾构机转弯或纠偏时的曲率半径上的直线段，从而减少盾尾与管片、盾体与围岩间的摩擦阻力。 推进油缸布置图（2）推进系统液压泵站：推进系统的液压泵站是由一恒压变
3、量泵（1B001）和恒功率变量泵（1B002）组成的双联泵，功率为75KW，恒压变量泵（1B001）为盾构机推进系统提供恒定的动力，恒功率变量泵（1B002）为辅助系统提供动力。恒压变量泵（1B001）的压力可通过油泵上的电磁比例溢流阀（A300）调整，流量在0-qmax范围内变化时，调整后的泵供油压力保持恒定。恒压式变量泵常用于阀控系统的恒压油源以避免溢流损失。由恒压变量泵（1B001）输出的压力油经过方向控制阀组1B003分别送达推进油缸的无杆腔和有杆腔，当三位四通的电磁换向阀0140处于右位工作时压力油通向四组油缸无杆腔，处于左位工作时压力油通向四组油缸有杆腔。推进油缸的推进速度及压力通
4、过各组油缸的控制阀组可以进行精确地控制。因每组油缸的控制原理都一样，下面只以A组中的一个油缸为例对其控制原理作介绍。推进系统泵站液压原理图推进模式：压力油经高压管路由A组的P口进入，一路经滤芯A130电磁比例调速阀0020（0.336L.）插装阀0080（电磁阀0100得电）进入推进油缸，由电磁比例溢流阀0070控制推进压力；管片拼装模式：压力油经高压管路由A组的P口进入，经插装阀0040（电磁阀0060得电）插装阀0080（电磁阀0100得电）推进油缸无杆腔，实现油缸的快速伸出。A组推进油缸液压原理图2、铰接装置：（2） 铰接油缸的布置铰接装置共有14根铰接油缸，均布安装于盾体内壁，连接着中
5、盾与尾盾。油缸最大行程170mm，最大收缩力1000KN（350bar)。 （2）铰接装置的三种工作模式 铰接装置的动力同推进装置一样由恒压变量泵（1B001）提供，通过电磁换向阀H002和H001来实现油缸的回收与卸荷。 铰接回收（模式(减小铰接间隙)，高压油从阀快（1B008）P口进入，此时（H001）不得电截止，（H002）得电导通，高压油进入铰接油缸的有杆腔使铰接油缸回收。 铰接保持模式（浮动模式），该模式下（H001、H002）都不得电截止。铰接油缸有杆腔的油被封闭，油量保持不变，被封闭的油在所有相互并联的有杆腔内互相补偿，直线推进时保持铰接间隙，转弯时处于浮动状态。压力传感器H00
6、5将显示有杆腔的压力，溢流阀0320防止因有杆腔压力过高导致油缸或油管损坏（如盾构机掘进过程中盾尾卡死）。 铰接释放模式（伸长模式），当（H001）得电导通，（H002）无电截止时，铰接油缸有杆腔的油接通低压，在盾构机推进时，因盾尾的阻力使铰接油缸被拉长，达到增大铰接间隙的目的。 铰接系统原理图（二）刀盘旋转液压系统刀盘旋转系统可分为补油回路、主工作回路、外部控制供油泵系统、主泵外部控制回路、马达外部控制回路。刀盘旋转系统是为刀盘切割岩石或土壤时提供转速和扭矩，要求根据岩石地质的变化转速能够方便的调整。为了得到较大的功率和扭矩，该系统采用3台315KW的双向变量液压泵并联，带动9台双向两速（高
7、速小扭矩、低速大扭矩）液压马达。下面分别介绍各回路的作用及工作原理。补油回路：因主工作回路是闭式回路，加之系统功率大，需要进行补油和散热，所以设置了一套补油回路对其进行补油和散热。为增大散热效率，补油回路采用了30KW低压大流量的定量泵来带走闭式回路中的大量热量，同时也对其进行了补油。补油泵从油箱泵出的油经两个滤清器（0330）进入3个主泵的E口，并通过两个单向阀分别对闭式回路的低压端进行补油，然后经主泵的高压端为液压马达提供动力油。从马达返回的携带热量的低压油又回到主泵，一部分又进入主泵的高压端，一部分经排放阀从主泵的K1口流出，并经一节流阀流回油箱进行冷却。补油回路中还设有蓄能器和压力传感
8、器，蓄能器是保证回路的压力平稳。主工作回路:由主泵和液压马达组成，主泵是一315KW的双向变量泵，在主泵的主回路中有补油单向阀、载荷溢流阀、及低压排放阀，主泵的控制回路有主泵斜盘伺服油缸及双向伺服控制阀，司服阀由外部控制回路调压控制，以便实现换向和无级调速。两个补油单向阀分别向低压侧进行补油，另一个带弹簧符号的单向阀是当两侧回路都较高或相等时（如：主泵斜盘角度为0时），补油直接通过它，并经节流阀（0110）返回油箱。载荷溢流阀当载荷过大时使过高的压力油泄至低压侧，以达到保护系统不受损坏。排放阀用于闭式系统多余的热油经低压侧排放回油箱。节流阀（0110）是保证排放出的压力油与油箱之间形成约20b
9、ar的压差。主泵控制回路:用于控制其斜盘的角度，以实现刀盘的正反转及转速的无级调整。外来控制油经换向阀（0090）到达司服阀的左右端，使司服油缸的无杆腔进油和排油来实现活塞杆的左右移动，从而完成斜盘角度的控制。外来控制油是通过外部控制回路中的电比例溢流阀（0770）提供，调整范围0-45bar。马达回路:含有司服油缸、司服阀及低压排放阀，司服阀由主回路压力及外部控制回路控制，当马达外载荷增大时，主回路高压侧的油压随之升高，高压油经过单向阀，一路到达司服阀左端，使司服阀右移，一路到达司服阀P口经减压阀进入司服油缸无杆腔使斜盘角度增大，从而降低转速增加扭矩，外部控制回路由控制油泵提供控制油压，当无
10、控制油压时，马达处于高速档，当外部提供油压时，司服阀右移，使马达处于低速档，从而实现了两速控制。外部控制供油泵（A10VD28DLFR）系统：控制油泵是一台5.5KW的恒压变量泵，泵中的两个司服阀上面一个与溢流阀联合控制泵的压力，下面一个以控制流量为主。（B040）为加载电磁阀。该泵的油通过滤清器（0730）向刀盘旋转系统的主泵和液压马达以及螺旋输送机的控制回路供油。一路去旋转机主泵回路的控制阀，一路去旋转马达控制阀，另一路去螺旋输送机的主泵控制阀。进入旋转主泵控制阀的油经节流和减压后在经电液比例溢流阀（B006）向旋转主泵司服阀提供0-45bar的可变压控制油压，以实现转速的无级调整。另外从
11、主泵P口(H118)和梭阀（0400、H073）反馈到控制阀（2B005）并汇集到两组溢流阀和载荷感知阀，两组溢流阀由手动两位四通阀转换，正常工作时使用左边溢流阀，增大扭矩时使用右边溢流阀（只能短时间使用），手动阀自动回位。感知阀是在扭矩突然增大时，反馈的油压将减低其溢流压力，使控制主泵伺服的压力降低，从而减小主泵斜盘角降低刀盘转速。进入旋转马达控制阀P口的油经节流阀（M10）又分两路，一路经减压阀、两位四通电磁阀（0890）到（H86）旋转马达控制马达的高低速。另一路经减压阀、两位四通阀（0890）、单向节流阀去控制马达（1A009）的刹车。在（1A009）马达上装有旋转方向传感器（B035
12、）、马达高低速传感器（B038）和油温传感器（B050）。在刹车回路中设有蓄能器（0950、0960），与单向节流阀一起保证了刹车时的快杀慢放。（三）管片拼装机液压系统 为了提高管片的拼装效率及避免拼装中的管片损坏，要求系统要有一定的速度、准确的移动位置精度、足够的活动自由度及可靠的安全度。系统由一55KW的双联泵中恒功率变量泵3B001提供动力，另一变量泵3B002控制盾构机的注浆系统。管片拼装机的自由度有：管片的左右旋转、提升（可左右分别提升及同时提升）、前后水平移动、管片的抓紧及绕抓举头水平微转、前后微倾的微调等。加载阀C003由PLC控制。 管片拼装系统泵站原理图 旋转控制：油泵输出的
13、高压油一路经减压阀（DM）减至30bar到达电液比例阀然后控制司服阀以达到控制流量来控制马达旋转速度。各阀的功能如下，DM为控制油减压阀，DBV2为控制油溢流阀，DBV1与插装阀组成主溢流阀，进入司服阀前的减压阀，经DUE4、DUE7节流阀后的反馈油控制，以达到动作启动时的平稳。D1、D4为反馈油溢流阀，F1、DUE2是停止动作时起泄油的作用。经控制阀控制后压力油分别进入两个并联的回转马达，高压侧的油一路经减压阀（1V012）减压后去控制刹车，减压阀旁的单向阀起回转停止时刹车的泄油回路。进入马达的油先经平衡阀（此阀进油时不起作用），驱动马达旋转，马达出来的油进入下一个平衡阀，该阀在进油有一定压
14、力后经X口其慢慢打开回油通路，并保证一定的背压，避免马达因惯性吸空，当旋转惯性过大时平衡阀右边的压力会增加，使阀芯左移以减少回油来减小惯性产生的转速，当回油压力增大到最大设定值时平衡阀中的溢流阀工作，避免了液压元件被损坏。 水平移动的控制与回转控制一样，从控制阀出来的油经平衡阀（3B003）进入水平移动油缸，控制油缸的前后移动。 提升控制：控制阀原理与回转控制相同，但在司服阀反馈油出口处只在下降回路中设置了节流阀，提升回路反馈口没有设置，其目的是为了较快的提高司服阀进口处减压阀的减压压力以增加下降时的反应速度，同时也反映一个功率平衡问题。两个提升油缸即可以单控，也可以同时控制，所以有两套单独的
15、司服控制阀。从控制阀出来的压力油先通过一个两位两通随动阀进入提升油缸，当达到一定压力后，油缸出油口的两位两通随动阀在进口压力的推动下打开，导通回油通道形成回路。反之亦然。管片抓紧控制：抓紧时，压力油经减压阀减压0250，在经三位四通电磁换向阀0240换向单向节流阀单向液压锁0480后进入油缸有杆腔，当达到设定的抓紧力时油缸旁的溢流阀0490溢流，同时两位两通阀0500换向，切断通往压力开关0510的油压，使压力开关信号改变。只有当压力开关的信号改变后，拼装机才有其他动作。否则视为管片没有抓紧不安全，管片机不能动作。松管片时，,压力油进入抓举缸的无杆腔，一路（控制油路）打开油缸边上的液压锁048
16、0，使活塞下行。液压锁是保持活塞位置的，单向节流阀是调整活塞动作速度的，溢流阀是起安全作用的。水平回转和倾斜微动控制与抓举控制原理基本相同，只是在控制阀组中使用了双向液压锁，这是因为油缸的无杆腔和有杆腔均有可能为高压工作状态。（四）辅助液压系统辅助系统液压泵与推进泵串联共用一90KW的电机。输出的压力油分别控制管片小车的拖拉油缸、进给油缸、顶升油缸、后配套拖车牵引油缸、刀盘磨损检测装置及螺旋机的后料门油缸、防涌门油缸、伸缩油缸。管片小车拖拉油缸控制：压力油从P口进入控制阀，经减压阀、三位四通电磁换向阀、液压锁达到油缸（与管片抓持油缸相似）。管片小车进给油缸控制：与管片倾斜油缸控制阀相同。管片小
17、车顶升油缸控制阀：控制阀原理与管片倾斜油缸控制阀相同。为使四个顶升缸同步，回路中设置了一组流量分配器，使进入四个顶升缸的流量保持一样，活塞的行程也相同，实现油缸的同步顶升。四个回路采用一个负载溢流阀。后配套拖车牵引油缸控制：与管片倾斜油缸的控制阀基本相同，但其采用回油节流控制以增加系统运行的平稳性（常用于负载不均的液压系统中，后配套在拖动过程中受到的阻力不均，且有一定的惯性）。有杆腔的回路中装有压力传感器。刀盘磨损检测装置：压力油由P口进入减压阀后经单向阀分为两路，一路去磨损检测头，一路到蓄能器方向，蓄能器出口装有压力传感器和压力表用于显示压力。螺旋机后料门油缸控制：高压油经P口进入减压阀03
18、10后出来分两路，一路经单向阀0320去蓄能器（电磁阀0350处于得电常闭状态，液压油无法通过）：另一路去电磁换向阀0340节流阀组0610液压锁0360油缸（油缸的正常使用状态。后料门的紧急关闭功能：蓄能器中的高压油经电磁阀0350（断电后处于左位工作）手动换向阀0600油缸无杆腔以关闭后料门，油缸有杆腔的液压油经液压锁0360和“Y”型中位的电磁换向阀0340后回油箱（如盾构机在掘进过程中出现突发停电等紧急事故，需要关闭后料门以保持土仓压力或防喷涌）。防涌门油缸和伸缩油缸的控制：均与管片倾斜控制阀相同。（五）螺旋输送机液压系统 螺旋输送机主泵回路和液压马达回路与刀盘回路原理一样，都是采用闭
19、式系统，且补油泵为单独的15KW恒压定量泵给系统补油，由刀盘系统先导泵给泵控制回路提供控制油压，并设有一补油顺序阀来保证控制油的压力，另有一梭阀给压力传感器（0230）提供高压侧的油压。液压马达回路减速器由内循环水系统对其进行冷却。马达上装有旋向传感器、转速传感器和漏油温传感器。泵控制回路：控制油由5.5KW控制泵提供，来自控制泵的控制油从控制阀P口进过节流阀（0120）进入经溢流阀限压后，再由电磁比例调压阀调压，给油泵伺服阀提供可变的压力油，来控制主泵的流量和流向，从而达到无级控制马达转速和旋向的目的。控制阀中还设有一载荷感知阀，回路中随载荷变化的压力经梭阀（0230）送到控制阀的RHD口调
20、整感知阀上控制油的溢流压力，当载荷增大时感知阀的溢流压力降低，从而使控制伺服阀的控制压力经梭阀（0110）至感知阀降低，随之减小斜盘角、流量、转速，使载荷得到控制。马达控制回路：伺服阀动作时带动伺服油缸活塞移动，从而改变斜盘角度，影响泵流量，当外载荷大时系统压力就会随之增大，当系统压力超过调定值时，载荷感知阀（0160）工作进行自适应调整。伺服阀控制马达的高低档，如：当伺服阀X端不供油时，伺服阀实现右位功能，伺服缸有杆腔进油，无杆腔回油至低压，伺服活塞右移泵斜盘角增大（为低速档），当伺服阀X端供油时此时控制油压与伺服油缸无杆腔接通，因有杆腔和无杆腔的压差关系，使伺服活塞左移，泵斜盘角减小（为高
21、速档）。（六）冷却过滤系统冷却过滤回路：由一15KW的双联定量泵将油箱里的油泵出，经两套并联的滤清器过滤，再经过水冷式热交换器冷却后返回油箱。回路中有压力表、滤芯堵塞传感器、温度计等液压原件。（七） 注浆系统注浆泵由液压泵、换向冲击波反馈旁路、速度控制回路（电磁比例节流阀）、液控自动换向回路、泵送油缸组成，并在调速控制前分四路控制四套独立的注浆泵。液压泵为管片拼装系统双联泵中的恒功率变量泵3B002，工作原理与管片拼装系统控制泵3B001相同。泵出的油经滤清器送往四路调速比例电磁阀，滤清器旁边的回路是冲击波反馈回路，经节流阀减弱的冲击波返回到泵的控制回路，在泵控回路的调节下吸收部分冲击压力，使
22、系统得以稳定。 经比例电磁阀调整后的液压油分别进入四个相同的独立的泵送系统，下面以其中的一个系统为例介绍其泵送工作原理。 正打过程：压力油经电磁比列调速阀出来后进入电磁换向阀（处于右位工作），之后分为两路，一路经推进自动换向阀到达推进油缸无杆腔，活塞右行，一路经泵进、出料口油缸自动换向阀进入泵进料口油缸的无杆腔和泵出料口油缸的有杆腔，使泵的进料口关闭、出料口打开，完成正打的泵送过程。当推进活塞走到右端头时，油缸右端的信号阀打开，信号油到达泵进、出料口自动换向阀的上端，换向阀下移，压力油一路到泵进料口油缸的有杆腔，使之打开，一路到达泵出料口油缸的无杆腔，使之关闭，另一路控制油经节流阀到达推进自动换向阀的上端，换向阀下移，压力油经推进换向阀换向后进入推进缸的有杆腔，使推进活塞左移，完成正打的进料过程。当推进活塞走到左端头时，推进缸左端的信号阀打开，信号油到达泵泵进、出料口自动换向阀的下端，换向阀上移，进、出料口油缸换向，同时推进换向阀也上移，重复正打过程。注浆泵的反打是将电磁换向阀置于左位工作，压力油被换向，其分析方法与正打相同。（八）超挖刀系统超挖刀系统是独立的系统，包含油箱、回油散热器、主油泵、电磁换向阀、平衡阀、油缸。主泵与旋转控制泵原理相同，为一7.5KW恒压变量泵，泵出的压力油经电磁换向阀、平衡阀达到油缸，通过油缸的运动来控制超挖刀的行程。
