土压平衡盾构推进系统及故障排查

（中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，河南 洛阳 471000）

盾构作为城市轨道建设、铁路及公路隧道建设的主要施工机械之一，是集液压、电气、机械、激光导航、材料等多科学应用于一体的大型复杂装备，随着国内地下交通的发展，盾构的数量急剧增加，盾构成为了国家重大装备国产化与创新项目之一。

推进系统作为盾构的主要驱动系统之一，其稳定性直接影响项目的安全和施工进度，一旦发生故障会导致盾构无法掘进、掘进速度慢、无法转弯、盾体后退等不良后果。因此提高推进系统的稳定性、加快推进系统故障排查效率尤为重要。

1 土压平衡盾构推进系统简介

盾构推进系统工作模式分推进模式和拼装模式，推进模式用于盾构向前掘进的过程，拼装模式用于盾构拼装管片的过程，两种模式都用到推进泵及推进油缸的动作。推进油缸总共有32 根，分为A、B、C、D、E 5 组，每组推进油缸的控制阀块原理相同。

推进系统由A4VSO125DRG/30R 型斜盘式轴向柱塞泵提供油源，其排量为125mL/r，原理图如图1 所示。V1 阀控制泵的工作压力，V2 阀和V3 阀组成插装溢流阀，限制泵的最高压力，V4 阀控制泵的工作流量。推进系统推进模式和拼装模式的切换会让PLC 传递给推进泵泵头V1 阀不同的电信号，拼装模式时PLC 给V1 固定的电流，保证泵恒压工作，推进模式时，测量油缸无杆腔压力的压力传感器将测得的最大压力信号转化为电信号传递给PLC，然后PLC 给V1 阀根据负载变化的电流，从而实现泵头压力根据负载变化而变化，并且泵头压力始终要比最大负载压力高25bar。

图1 推进泵原理图

推进油缸控制阀块如图2 所示，V8 阀和V9阀组成插装换向阀，推进模式下，V8 阀断电，V9 阀处于关闭状态，液压油仅从V6 阀进入系统；拼装模式下，V8 阀得电，V9 阀处于开启状态，液压油从V6 阀和V9 阀进入系统，V9 阀为大流量插装阀，能够实现油缸的快速伸缩。V11 和V12 阀组成的插装换向阀能够实现油缸的快速回收；V13 阀实现油缸的泄压，防止油缸推进模式结束后回收时，管路由于高压大流量液压油冲击导致油管和管接头损坏；V14 阀限制油缸的最高压力；V15 压力传感器将推进模式下该组推进油缸压力传递到PLC 从而控制泵头压力，PLC 将五组推进阀组上的压力传感器测得的压力进行对比，从而使泵头压力始终比五组推进油缸最大压力高25bar。

图2 推进阀组原理图

2 推进系统故障排查案例分析

2.1 案例一

2.1.1 故障现象

土压平衡盾构在刀盘接近掌子面时，推进模式刚启动，D 组推进油缸压力不受控制持续上升，A、B、C、E 组油缸压力可以线性调节，D 组油缸压力调节电位计旋到最小时，D 组压力快速升到170bar 且有持续上涨的趋势，此时由于推力过大导致反力架变形。

2.1.2 故障排查

根据推进系统的工作原理，A、B、C、E 组推进压力可线性调节，故推进泵压力调节正常，问题只会出现在D 组推进阀组上。检查D 组推进阀组比例溢流阀、电位计、放大版均正常。

排除了压力阀故障导致的压力持续增高因素，那就要考虑流量因素导致的压力持续增大，因为在容积腔体积不变的情况下液压油体积持续的增加亦会导致压力的持续上升。D 组推进阀组控制流量因素的阀有V6 比例调速阀以及V8 和V9 阀组成的插装换向阀。首先将确定正常的A组比例调速阀与V6 阀调换，将D 组压力调节电位计调至0 位，启动推进模式，D 组压力依然持续上升，而A 组推进阀组压力可正常调节，说明V6 比例调速阀正常。

排除了V6 阀后，问题极有可能出现先V8 阀和V9 阀组成的插装换向阀，由于V9 阀是大流量插装阀，由于其结构优势，故障率较低，而V8阀是AS32060b 型换向阀，其弹簧腔会出现锈蚀导致弹簧卡死或者阻尼孔阻塞导致阀块不能正常工作，故V8 阀故障的可能性较大。将确定正常的A 组AS32060b 型换向阀与D 组V8 阀调换，启动推进模式后D 组压力可正常调节，A 组压力不受控而持续上升，说明问题出在V8 阀。

将V8 阀进行拆解，如图3 所示，发现V8 阀内部油孔内橡胶颗粒堵塞，经过清洗后将V8 阀组装，D 组推进油缸恢复正常工作。

图3 V8阀块拆解情况

2.1.3 故障原因分析

由于盾构推进系统所用的V6 阀为SEH 2-3/30F P-G24 型比例调速阀，其流量调节范围0.2～30L/min，其结构其实就是比例节流阀和定差减压阀，由于定差减压阀的工作特性，所以要求推进模式下的推进泵工作压力要比推进阀组最高压力还要高约25bar，而拼装模式下，液压油大部分都是从V9 阀进入液压缸，所以推进泵保持工作压力恒定。

推进阀组所用的V7 阀为PMVP5-44 G24 型比例溢流阀，其压力调节范围为5～450bar，流量范围为0～40L/min，其流量正常工作范围包含了比例调速阀的正常工作范围，所以推进模式下液压油只能从比例调速阀进入液压缸的原因有两个，一是实现推进速度的可调性，二是防止进如入系统的液压油流量超过V7 比例溢流阀的最大通流能力而导致压力不可控。由于V8 阀阀芯卡死而一直处于右位工作，导致V9 阀一直处于常通状态，此时进入D 组的液压油未经过V6 比例调速阀减压和限流，而是直接通过V9 阀进入D 组推进阀组。

盾构的推进泵为A4VSO125DRG/30R 型斜盘式轴向柱塞泵，现假设泵输出压力为P，V1 比例溢流阀的设定压力为P1，V4 阀弹簧力为PK，当P＜P1+PK，V4 阀处于右位工作，泵输出液压油进入V5 伺服缸的有杆腔，无杆腔与油箱联通，泵排量增加；当P=P1+PK，泵输出流量恒定；当P＞P1+PK，V4 阀左位工作，泵输出液压油进入V5伺服缸有杆腔和无杆腔，泵排量减小。根据泵的工作原理，推进模式启动过程中泵的压力和流量变化过程如下。

盾构推进模式启动前（推进泵已启动）

泵的排量等于泵的泄流量。

推进模式启动瞬间

则P＜P1+PK，此时泵的排量增加。

推进模式启动后：随着推进系统容积腔液压油的逐渐补充，泵出口压力P逐渐增大。由于液压油进入到D 组推进油缸时未经过比例调速阀减压作用，而是通过大通径V9 阀直接进入到D 组油缸，则PD与推进泵出口压力P的压差ΔP小于25bar，其他4 组油缸都经过比例调速阀的减压作用，此时D 组推进油缸压力PD为5 组推进油缸最大压力，即

而系统控制要求P1=P最大负载+25bar

即P1=PD+25。

则P＜P1+PK，泵的排量增加到最大且一直以最大排量工作。

泵输出的最大流量约187L/min，A、B、C、E 组4 组由于比例调速阀的作用导致最大通流能力为120L/min，剩下的67L/min 的流量全部进入D 组推进阀组，由于D 组的比例溢流阀最大通流能力为40L/min，无法将多余的液压油泄掉，D 组压力PD增加，而PD增加的同时，泵头比例溢流阀的设定压力PD增加，从而导致推进泵输出压力增加，泵输出压力增加导致D 组推进油缸压力PD增加，与此往复导致D 组推进油缸压力PD不受控制持续增加。

2.2 案例二

2.2.1 故障现象

某型号盾构刚始发，拼装模式下伸缩推进油缸时，推进泵有异响且振动偏大，油缸不动作时，推进泵运转的声音、振动正常。

2.2.2 故障分析

推进油缸不动作的时候，推进泵的输出流量为泵的泄漏量，推进泵无异响，说明推进泵内部元件的机械结构无异常。推进油缸动作的时候，推进泵异响且振动偏大，说明泵的异响和振动异常是在泵吸油过程中产生的。通常泵吸油过程产生异响和振动的原因有3 个。

1）泵泄漏油压力过高 对于柱塞泵而言，泄漏油压力过高不仅会导致轴封损坏，还会导致柱塞泵运行不平稳产生噪音与振动。柱塞泵在吸油过程中，柱塞滑靴面为泄露油压力，柱塞另一端为吸油压力，当泄漏油作用到柱塞上的力大于吸油作用在柱塞上的力，滑靴与止推板脱离，当运行到高压区时，在高压油的作用下，柱塞滑靴会与止推板贴合，在泵的高速运转下就会造成脱缸和撞击，产生振动和噪音。造成泵泄漏油压力高的原因有以下两种：①油箱泄漏油管路装有滤芯；②泵泄露油管偏细。

2）泵吸油口的真空度偏大 柱塞泵的吸油口真空度过高时就会导致泵吸油不畅，柱塞吸油端负压过大，引起柱塞泵脱缸与撞击。造成泵吸油口真空度偏大的原因有以下几种：①泵与油箱间的吸油滤芯堵塞或过滤精度过高；②油箱的空气滤清器堵塞；③泵吸油管、管接头通经偏小或吸油管路过长；④吸油截止阀未完全打开；⑤液压油粘度过高；⑥泵配油盘定位角度有偏差。

国道318线林拉公路改建工程米拉山隧道左洞顺利贯通。米拉山隧道是国道318线拉林高等级公路重点控制性工程，全长5720米，右洞已于今年6月贯通。该隧道是双线分离式隧道，按照双向四车道标准建设。米拉山隧道的贯通将为拉林公路如期建成通车打下坚实的基础。

3）泵吸进去的油中混有空气 当气泡随着液压油进入到高压区时，气泡在高压油的作用下破裂，气泡原来所占据的空间形成真空，周围的液压油在填补此空间时相互碰撞产生振动和噪音。造成液压油混入空气的原因有以下3 种：①油箱液位过低；②回油管未浸入最低液位一下导致大量气泡产生；③吸油管路密封不严。

2.2.3 故障排查

先从泄漏油压力高的角度考虑，经过排查，推进泵的泄露油管并未装滤芯，且推进泵的泄漏油管并未拆卸，所以泄露油压力高的因素可以排除。

随后从泵体内液压油进空气角度考虑，经检查油箱液位正常且其他泵工作正常，所以泵体内液压油进空气可能性排除。

最后从吸油口真空度的角度考虑，由于推进泵使用过一段时间并且未拆解过，所以泵配油盘安装因素可以排除，由于其他其泵的工作正常，所以液压油粘度偏高因素和油箱空气滤清器堵塞因素可以排除。检查推进泵吸油截止阀，该截止阀完全打开，故吸油截止阀未完全打开因素可以排除。

将油箱中的液压油放出，取出推进泵的吸油滤芯，发现该滤芯表面局部变形且颜色偏暗，而其他滤芯色泽偏亮，很明显该滤芯是旧滤芯。换上符合要求精度的滤芯后，启动推进泵并伸缩油缸，泵声音和振动情况恢复正常。

3 结论与建议

3.1 结论

导致液压系统故障的原因有很多，排查过程也比较繁琐，导致同一种故障现象的原因有很多种，在排查液压故障时首先要了解液压系统的设计原理及元件的选型参数，建立清晰的故障排查思路，开拓思维，压力故障现象不一定是压力元件导致的，液压元件的振动和异响不一定是液压元件本身的机械结构异常导致的，在排除液压故障时要综合考虑压力、流量、元件型号、电气等因素，才能更加快速有效的找到故障点并进行排除。

3.2 建议

1）液压元件都是精密元件，一定要保持油液清洁，定期做油液检测、定期保养，发现异常，及时处理，以免影响正常掘进或产生安全隐患。

2）推进系统的拼装模式切换阀（图2 中V8阀）和推进油缸快收阀（图2 中V11）选用相同型号的液压阀，这两种阀工作原理及工况接近，在V8 阀故障时可以用V11 阀替代，这样可以很大程度加快项目生产效率，减低掘进安全风险。