浅谈盾构机液压系统的油液污染及相关典型事例分析

李华飞++张中征

【摘 要】盾构机在大型隧道、城市地下轨道交通等施工中占据着越来越举足轻重的作用，其液压系统相当于人的心脏、血液和肌肉组织，是盾构机的重要组成部分。本文对盾构机液压系统油液污染的主要形式和通常危害进行了阐述，并对盾构机施工过程中液压系统所遇到的典型故障事例进行了相应的介绍与分析，对盾构机现场施工和设备的科学维护有一定指导借鉴意义。

【关键词】污染 盾构机 液压系统 故障

随着国内外地下轨道交通行业的快速发展和隧道工程项目的大量上马，盾构机的应用变得越来越普遍。大量盾构机的投入使用给工程施工带来了巨大方便的同时，其复杂而庞大的系统维护也给现场施工带来诸多难题。在现场施工中，机器往往会因为这样或是那样的故障而不得不被迫停机维护。据不完全统计，在盾构机施工现场遇到的大多数停机故障中电气故障所占比重最多，大约占75%；液压问题约20%；剩下的就是机械问题。虽然电气故障频发，但解决起来一般都相对费时较短。而液压系统出现问题一般现场解决起来都非常麻烦，往往会造成长时间的停机。探究其本质原因基本都是液压系统中油品污染直接或间接所致。本文主要就盾构机液压系统的油品控制及一些相关典型问题的处理经验进行阐述。

盾构机液压系统一般包括下面几部分：推进及铰接系统、拼装机系统、螺旋机及辅助系统、砂浆动力系统、撑紧及支撑系统和刀盘驱动系统等。由于施工环境恶劣、人为操作不当等原因，液压油液受到污染，常导致液压系统发生故障，甚至停机，影响施工的正常进行，所以研究盾构机油液污染控制很有实际意义。

1 污染物来源

液压系统的污染是指液压油中出现了对系统的可靠性和元件寿命有害的物质和化学成分。对于盾构机而言，污染物有外界侵入的污染物、系统内残留的污染物和系统生成的污染物3种。

1.1 外界侵入污染物

液压系统在工作过程中经常会受到外界污染物的侵入，由于盾构机工作在地下，施工环境差，有时施工地层中还含有丰富的水份和颗粒，设备在施工过程中难免要更换一线易损件，如滤芯、损坏的阀件、损坏的管路等，操作过程中由于工人经验和现场条件限制，清洁工作往往无法保障，致使液压系统混如颗粒物。所以颗粒侵入是主要的污染来源之一。

1.2 系统内残留的污染物

液压系统及元件在加工、装配、储运中将污染物混入系统中，没有得到及时有效的清理，如金属切屑、焊渣、固体颗粒尘埃及清洗溶剂等。

1.3 系统生成的污染物

液压系统各运动副相互摩擦产生的磨屑以及内表面锈蚀产生的锈片。据统计液压系统故障有70%～80%是由液压油污染造成的，而且事后维修发现由于油液中含有颗粒，导致各液压元件摩擦加剧，从而引起各部件工作不正常，因此检测液压油的清洁度（污染度）显得很有必要。

2 油液污染的危害

固体颗粒污染物的主要危害如下：容易卡住液压阀芯，使液压阀动作失灵，严重时会造成停机；易使过滤器堵塞，导致泵吸油困难而吸入空气，使液压泵发热，产生噪声，堵塞严重时因阻力大会将滤网击穿；污染物进入液压泵会堵塞泄漏通道、造成密封圈甚至压盖在运转时被冲出，加速液压泵的磨损，导致内泄漏加剧，降低液压泵的容积效率，縮短元件寿命，并导致执行元件运动减慢；其产生的磨料磨损会加剧液压油的污染，造成液压泵、油马达、油缸、液压阀的大面积过早磨损，以致失效。

3 具体故障事例及原因分析

3.1 油液污染颗粒导致油缸内泄漏

辽西北引水工程施工的TBM推进系统压力经常出现加不去压力的现象，正常推进压力在300bar左右、却只能加压的90bar左右，经排查发现是推进油缸活内泄漏所致。对推进油缸进行拆卸检查，附着在活塞表面及缸桶内壁的固体颗粒清晰可见，活塞外表面（见图3.1和图3.2）与缸桶内壁（见图3.3）均有磨损（大概为1/3圆周，为实际安装空间的下方），活塞上的格莱圈有不同程度的磨损缺陷，并且全部龟缩在镶铜表面下方，失去了密封作用。

分析其磨损机理如下：工作中先是油液混进固体小颗粒，在活塞与缸桶内表面的相对运动中磨坏了格莱圈，格莱圈出现小的凹坑后，造成局部泄漏，进而形成局部高温（超过80℃），导致格莱圈下方的丁青橡胶密封圈在局部高温中失效，并失去弹性不能对格莱圈提供向上的弹性支持，从而导致活塞处密封的失效并造成内泄。

3.2 油液污染颗粒致使液压柱塞泵严重坏

在沈阳某型盾构机刀盘驱动液压系统在使用中出现两台闭式液压泵摆盘能摆动，该系统由两台力士乐公司生产的A4CSG500排量闭式泵并联驱动6台林德液压马达。现场测量系统补油压力20bar及控制压力18bar均属正常，但是强制动作泵头比例阀芯后控制压力油不足以推动变量活塞动作，主泵没有流量输出，经过对主泵变量活塞两个测量油堵更换测压接头后对其进行压力测试发现其在比例滑阀在中位时，变量活塞缸大小腔体一个有压力一个无压力，与原理不符，分析可能是两腔之间有阻尼孔发生阻塞所致。现场拆解泵的后端盖发现后方内捏合补油泵齿轮几乎彻底打碎（见图3.4，图3.5），并从内部发现有大量铁屑。

在东莞地铁施工的某型土压设备，刀盘驱动是有三组液压泵和马达构成的闭式系统。在施工中听见液压泵传出异常响声。对柱塞泵随后进行停机拆解后发现其内部滑靴全部脱落，磨损十分严重。原因分析：液压泵内部阻尼孔被油液中的污染物堵死，滑靴接触表面不能形成静压油膜，以至于发生两金属表面的直接高速摩擦磨损，最终该泵报废。

3.3 液压马达活塞损坏

在北京施工的某土压设备，螺旋机液压系统压力只能加压到60bar左右，螺旋没动作，经过对相关可能的电气元件及液压泵的问题排除，最后对液压柱塞马达进行了拆解，发现其活塞严重磨损，并发现很多铁削，液压油中发现严重乳化，经检查，发现在热交换器处隧道循环水与液压油发生混合，污染物侵入并致使后来油液发生严重乳化。

4 结语

液压系统的油液污染给整个系统的正常使用造成了极其严重的危害，在盾构机行业尤其突出。所以，在盾构施工中，如何制定行之有效而又科学合理的防污染措施变得尤为重要。这样不仅可以减少因故停机，保证工期进度，也能很好地节约成本。

参考文献：

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