盾构机刀盘控制系统的机理与维护

张志江中咨工程建设监理公司

盾构机刀盘控制系统的机理与维护

张志江
中咨工程建设监理公司

为了适应我国城市人口的大幅度增长，解决地面交通拥堵现状，开发地下空间成为了我国目前发展的重要内容，盾构法作为一种重要的隧道挖掘技术，得到了广泛的应用。盾构机中刀盘作为其主要的组成部分，刀盘的控制系统也就直接影响着盾构机的作用机理和效果。本文针对我国目前盾构机的控制系统中的液压驱动控制系统的机理进行了分析，并对刀盘的控制系统容易出现的问题提出了维护措施，以期实现对盾构机的有效维护，最大限度的发挥盾构机的作用。

盾构机；刀盘控制系统；维护

一、前言

随着我国城市建设的脚步不断加快，城市人口呈现了大幅度的提升，城市人口压力越来越大，大面积的人口拥挤导致了地面交通出现了不同程度的拥堵，在这种情况下，开发地下空间成为了一种必然。盾构法作为先进的隧道挖掘技术，具有不可忽视的优势，其作业环境相对来说安全稳定，受到地表的影响相对较小，同时防震性能好，得到了广泛的认可和应用。盾构机作为盾构法的主力军，发挥着重要的作用。事实上，盾构机中的刀盘是盾构机主要的核心部件之一。

二、盾构机刀盘控制系统的主要工作原理

1.刀盘控制系统的主要分类

盾构机的刀盘控制系统主要包括了两大类，其中包括液压驱动控制系统和电机控制系统。相对来说，液压驱动刀盘发展的时间较久，拥有较长的历史，因此其系统的稳定性较高，使用起来也相对稳定，更为成熟，液压驱动控制系统常用在中小直径的软土类型的地质的盾构机中，这主要是为了满足中小直径的软土地质盾构机的速度相对较低，需要的扭矩较大的要求。而不同于液压驱动控制系统，电机驱动的盾构机刀盘是近几年受到应用的系统，这是随着我国电机拖动技术的不断提升，配合着变频调速技术的共同进步和发展，逐渐的得到了盾构机的应用，进入了盾构机的设计领域之中。电机驱动控制系统通过利用变频控制的技术，可以根据施工的状况和地质的软硬进行相对灵活的调整，满足了盾构机在相对复杂的地质情况下对刀盘的要求，相对来说适应性强灵活度高负载能力高。

不过，虽然液压驱动出现一些工作效率相对较低，噪声污染较大等问题，但是由于隧道工作的环境都相对较差，刀盘在工作中启动和停止较为频繁，同时在施工过程中刀盘在对较为坚硬的沿途进行挖掘的过程中，受到的冲击力相对较大，液压驱动本身还具备转速连续可调的优势更利于操作，只要在施工过程中能够保证设备具有冷却水供给，以及隧道的通风问题良好，就可以降低对空气环境温度的影响，因此在实际工程中常常将液压作为首要选择。

2.刀盘控制系统的组成

液压驱动控制系统的主要组成包括了大排量的变量柱塞泵、双击排量驱动液压马达、减速器、液压管路、主轴承和密封的润滑装置系统等。刀盘通过法兰与主轴承的内齿圈进行连接，刀盘可以在掘进的过程中得到需要的转动扭矩，方便刀盘在顺时针和逆时针方向上进行一定限度内的无级变速工作。刀盘驱动中包括了8组传动副和主齿轮箱，其中任意一组传动副都是由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和一个水冷式变速齿轮箱共同组成，其中水冷式齿轮箱中本身具有制动装置，方便实现对刀盘进行制动作用。

3.系统的工作机理

刀盘的液压驱动控制系统选用液压马达驱动，传动主要采用了双击减速传动装置，首先第一级的减速器与液压马达进行紧密连接，第二级减速装置，通过17齿小齿轮的传动使得具有101齿的主轴承的大齿圈进行工作。在这一过程中，主轴承的齿轮油需要配备齿轮油泵装置和过滤装置，以及热交换级，这是为了实现对齿轮油起到过滤和冷却的目的，提高工作效率。

驱动系统的回路主要是容积调速回路装置，其中主要包括了两个工作状态通过外空液压的系统装置进行整体控制和调配，这主要是通过对室内的输入二位电磁阀信号的改变和控制来实现对油泵或者是马达的倾斜角度的改变和控制，进而实现对3个刀盘驱动供油液压泵得到供油流量和驱动液压马达的排量，最后实现对刀盘转速和扭矩的控制。其中当进行土压平衡模式的过程中选择第一种工作状态，当进行敞开式掘进模式就需要选择第二种工作状态。刀盘的驱动控制设计为正反两种方向转动和转速均为可控可调的模式，这样可以保证盾构机在进行操作的过程中能够根据实际情况进行及时的调整以保证设备永远在最为适宜的环境下工作。事实上，当选择第一种工作状态时，刀盘转速主要在0-2.7r/min，其中属于连续可调的范围，其最大的工作扭矩为4377kNm；系统的脱困扭矩大约为5350kNm。

当进行软土挖掘的过程中可以选择低速大扭矩的状态进行掘进，这主要是由于低转速可以减少刀盘与土层之间的土和石块的摩擦阻力，降低对温度的影响，避免因摩擦引起的温度过高，进而对刀具的内部进行造成不同程度的破坏或是影响主轴承密封性，同时，当增大扭矩的过程中可以增大刀具的切削力，加大实用的切深度，从而实现提高工作效率。

刀盘驱动扭矩是通过主轴承的内齿进行传递扭矩到刀盘，其中主轴承利用大直径的三排滚柱组合，加大了对径向力和双向轴向推力的承受能力。可以说主轴承和主轴承的密封性直接决定了盾构机的效果。与此同时还需要注意润滑系统的作用和功效，事实上，在主轴承上的泥沙和水等物质会侵入主轴承的三个旋转密封处，当旋转密封和金属机体在使用的过程中，出现了明显磨损泥沙，就会由于重力的作用而进入主轴承，导致主轴承的锈蚀甚至损坏。此时润滑系统的作用也就显现出来，有效的对此问题进行了控制和管理。

三、盾构机刀盘控制系统的维护

要想对盾构机的刀盘控制系统进行正确的维护，就需要正确认识到常见的故障和问题，并针对这些常见的问题进行有针对性的维护。其中包括了：

1.冲程计数器出现故障

事实上，刀盘液压驱动控制系统在实际的使用过程中，并不能够对实际的冲程数进行准确的检测，这就会导致刀盘在工作中出现突然中断工作，这主要是由于冲程计数器的安装过程中一端是安装在定量块的内部结构的，定量块的内部充满油脂，这就使得测试的灵敏度较低。同时当冲程计数器出现问题时也会对控制系统造成一定程度上的误导，控制系统将电磁通断阀依旧设于通位，造成大量的油脂的流失浪费现象。

当出现上述问题时，就需要得到及时的处理和解决。当工作人员在进行掘进的过程中需要在掘进前后检查油脂桶的情况，通过对油脂用量的分析，当发现油脂量使用出现异常时就需要及时对冲程计数器进行检查，或者当发现刀盘多次出现中断工作得状况时。就需要及时对冲程计数器进行检查，当问题较为严重时，就需要及时进行更换处理，避免造成更大程度的浪费和损耗。

2.缺乏压力自动控制系统

随着我国自动化技术的发展和应用，各项技术都积极将自动化技术融入到实际的工作之中，然而目前由于技术的限制，刀盘控制系统还没能采用优质的自动控制系统，而刀盘控制系统在工作的过程中油脂分配阀每一次进行循环工作的时间主要是受到油脂提供的压力的影响，当泵送的油脂压力较大时电磁阀通断的一瞬间，定量块内的阀芯已经进行了多次的往复运动，远远超出了预先设定的预期值，造成了大面积的油脂浪费。

面对这一问题，就需要有关的工作人员积极的将自动化技术融入到该系统之中进行工作，降低工作中出现的大面积的浪费和损失，同时不断推进新技术的发展。另外，在目前新技术尚不成熟的过程中，盾构机的工作人员需要在进行施工作业前就认真的对油脂泵的供气压力进行检测，与此同时在油脂泵的输出口增设溢流回路，对供油压力进行严格的控制和管理。

3.油脂污染引起的故障

事实上，在实际的施工作业的过程中盾构机的工作人员在对油脂进行更换的过程中往往不注意清洁工作，忽视清洁工作的主要性，这也就使得在更换的过程中引起少量的泥土等污染物进行油脂桶内，在进行工作的过程中，油脂桶内的细微颗粒随着油脂泵的作业被传送到分配阀的阀芯位置，造成了阀芯的堵塞，停止运行，设备的润滑机制出现问题。冲程计数器也就无法对冲程数进行准确捕捉，导致刀盘停止工作运行。与此同时，当缺乏对过滤器进行及时的清洗时，就会使得过滤器的滤芯表面出现一部分黏性较高的油脂覆盖，随着油脂的积累压力的增加，这些油脂会被携带到分配阀中，对油脂孔造成一定程度的堵塞，引发了机器故障。

针对上述问题，要想对此进行解决和维护，就需要盾构机的维护人员及时对过滤器进行清理，同时在对油脂进行更换的过程中保证整个过程的清洁无污染，降低对机器的威胁。当阀芯出现了卡死的故障时，就需要将分配阀的任意一个输出管进行拆卸，通过手动的方式开启电磁通断阀，加入该管口没有油脂的输出就需要将分配阀进行整体的拆卸清洗。同时当滤芯出现油脂覆盖现象是，可以利用安装在承压隔板上的定量螺旋液压泵驱动的主齿轮箱中的润滑油，润滑主齿轮箱，同时水冷式的齿轮油冷却器用来对齿轮油进行冷却，保证润滑工作的顺利进行。

四、结语

事实上，盾构法作为一种集各种操作技术于一体的综合性施工技术，具有明显的高风险高投入高技术等特点。刀盘控制系统作为盾构法中主要的环节，需要得到有效的提升和保证，实现对我国隧道开发的推动和促进。

［1］蔡启仲，汤尧，吴玉鹏.盾构机刀盘变频驱动控制研究［J］.广西工学院学报，2011，22.

［2］吴启谊.海瑞克盾构机刀盘电液控制系统分析［J］.流体传动与控制，2009，4.