1、盾构机液压系统原理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.盾构机液压推进及铰接系统2.刀盘切割旋转液压系统3.管片拼装机液压系统4.管片小车及辅助液压系统5.螺旋输送机液压系统6.液压油主油箱及冷却过滤系统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
2、作用及工作原理。（一）盾构机液压推进及铰接系统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，30个油缸分20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。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。（2）推进系统液压泵站：推进系统的液压泵站是由一恒压变量泵（1P001 ）和一定量泵（1P002 ）组 成的双联泵，功率
3、为75KW，恒压变量泵为盾构的前进提供恒定的动力。恒压 泵的压力可通过油泵上的电液比例溢流阀（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。由恒压变量泵输出的高压油分别送达A、B、C、D四组并联的推进方向 控制阀组，经过阀组的流量、压力调整和换向后再去控制推进油缸，从而使推 进油缸的推进速度、推力大小及方向得到准确控制。因每组油缸的控制原理都 一样，下面就以B组中的第一个油缸控制为例，介绍其作用和工作原理。油泵输出的高压油经高压管路由B组的P 口进入，一路径F1 （过滤）- A111 （流量调整）-A101
4、 （压力调整）一经电液换向阀进入推进油缸。缸的 快进快退，提高工作效率。A783控制的插装阀。A403为推进油缸底端预卸荷 阀。阀组中还有液控单向阀、载荷溢流阀，以及A256压力传感器和油缸行程 传感器。四组阀组中的电液换向阀的液控油由定量泵（1P002 ）经减压阀（1V034 ）提供。2.铰接装置工作模式分三种:铰接装置的动力来源于推进系统的液压泵站中的定量泵（1P002 ），铰接装置的加载和卸载由（A349 ）两位两 电液阀控制。（1）铰接回收 （PULL 或 RETRACTION ）模式（减小铰接间 隙），定量泵输送来的高压油从阀（2C001）P 口进入，此时（H001） 得电截止，（H
5、002 ）得电导通，高 油进入铰接油缸的有杆腔使铰接 缸回收。（2）铰接保持（HOLD 或FREE ）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。（3）铰接释放（RELEASE 或LOOSE）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。该油路中还 设有负载溢流阀（V2）、压力传感器（H005）及铰接间隙长度传感器。另夕卜
6、 可以通过（2V003、2V004、）的导通和截止达到铰接保持和铰接释放功能。 但当（2V003、2V004 ）两个阀的截止，在铰接油缸有杆腔的压力过高时（盾构 机推进时，盾尾如果被卡住），因无压力传感器的压力显示和载荷溢流阀的溢 流，可能会使铰接油缸损坏或油管爆裂。（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、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8台双向 两速低速大扭矩液压马达。下面分别
7、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
8、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（1Z017）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（1Z017 ）是保证排放出的压力油与油箱之间形成约20bar的压差主泵控制回路用于控制其斜盘的土角度，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（1V002）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（B006 ）提供，调整范围0-45bar。马达回路含有司服油缸
9、、司服阀及低压排放阀，司服阀由主回路压力及外部 的油通过滤清器（2F001）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。一路去旋转主泵回路的控制阀，一路去旋转马达控制阀，另 两路 去两台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 外从主泵P 口（H88）和梭阀（V030、H92 ）反馈到控制阀（2C003 ）并汇集到两（B032）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（B033 ）、单向节流阀去控制马达（1A002）的刹车
10、（1G002 ）。在（1A002） 马达上装有旋转方向传感器（1S026、B035、马达高低速传感器（1S025、B038 ） 和油温传感器（1S023、B050 ）。在刹车回路中设有蓄能器（2C002 ），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。速度由一 55KW的双联恒压变量泵提高的流量控制，精度靠电液比例司服阀控制，自由（C003、C004）由PLC控制，根据拼装机的工作速度可对其进行分别控制或 同时控制。旋转控制：油泵输出的高压油一路经减
11、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（1V001）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力
12、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 A1 口出来的油经过抓举油缸进口处的液压锁进入抓举缸的有杆腔，当达到设 定的抓紧力时油缸旁的溢流阀溢流，并使油缸旁的两位两通阀换向，切断通往 压力开关（1S001）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B1 口的压力油进入抓举缸的无杆腔，一路打开油缸边
13、上的液压锁， 使活塞下行。控制阀中的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。水平微动和倾斜微动控制与抓举控制原理 同。（四）管片小车及辅助液压系统辅助油泵为一 22KW 的恒压变量泵，原理 刀盘旋转系统得控制油泵相同。输出的压力油 别控制管片小车链条涨紧油缸、管片小车上的 送油缸、管片输送举升油缸、后配套拖车牵引 缸及螺旋输送机闸门。链条涨紧控制：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。管片前送控制阀：与管片抓举控制 阀相同。但回路中多一组流量再生阀 （1C004 ），注：据说此阀实际中不能使 用。输送举升控制阀：控制
14、阀原理与抓 举控制阀相同。为使四个举升缸同步， 回路中设置了一组流量分配器，该分配 器原理其实就是齿轮泵工作原理，四个 型号参数一样的泵并联在一起同轴旋 转，因转速也一样，所以四个泵排出的流量一样，使进入四个举升缸的流量保 持一样，活塞的行程也相同。四个回路采用一个负载溢流阀。后配套牵引控制阀：控制阀原理同抓举控制阀。只是牵引缸无杆腔的油不 通过控制阀，直接回油箱。有杆腔回路中装有压力传感器螺旋机闸门设置与螺旋机配置的数量有关但差别不大，都有两个闸门，一 级螺旋机出口的闸门控制结构和原理都一样，单螺旋机有前闸门，双螺旋机没 有。但双螺旋机的二级螺旋机有出口闸门。一级螺旋机出口闸门：来自辅助泵的
15、压力油经减压阀、三位四通电磁换向 阀液压锁到达闸门油缸，控制闸门的开闭。闸门开闭的大小由长度传感器（K011）给出信号，开口最大和关闭由两个位置传感器（K012、K013）提供 信号。回路中装有一液压蓄能器，当出现紧急情况时（如停电时），靠蓄能器 里的压力自动关闭闸门（当然要在左边的球阀开启时，右边的球阀是卸压时打二前闸门和二级螺旋机出口闸门相同，其控制原理都与管片抓举控制阀一 样。机液压系统（五）螺旋输送（1G001、1G002 ）由55KW的刀盘旋转补油泵提供的液压油对其进行冷却 马达上装有转速传感器和油温传感器。螺旋机主泵控制回路由伺服阀、伺服油缸及调压阀组成，伺服阀由外部控制阀（1C0
16、05）控制，调压阀分A、B 两路经梭阀（1V017）汇集到溢流阀（1V018）进行调整。伺服阀动作时带 动伺服油缸活塞移动，从而使斜盘角增 大，泵流量增加，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，相对于高压侧的两位三通随动阀 上移，如：当伺服阀X1端供油时，伺 服阀移至右位，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，A路为高压侧，当A路压力 超过调定值时，此时左边一个随动阀上移，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，A路压力下 降至回路压力调定值。当X2端供油时，伺服阀移至左位，控制油经两个随动 阀
17、后进入伺服缸的无杆腔（有杆腔为常压油），因压差关系，伺服活塞左移泵 斜盘角反方向加大，B路为高压侧，当压力超高时右边一个随动阀上移，伺服 缸无杆腔与低压回路接通，伺服活塞右移，泵斜盘角减小，B回路降至设定压 力值。控制回路：控制油由5.5KW 控制泵提供，来至控制泵的控制油从控制阀P 口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，从而达到无级控制马达转速的目的。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（1V024）送到控制阀的 RHD 口调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
18、力经梭阀（1V019）至感知阀降低，随之减小 斜盘角、流量、转速，使载荷得到控制。（六）主油箱回路主油箱包含5000L油箱、供油接口、回油接口、泄油接口、溢流接口、冷 却过滤回路、油位传感器，油温传感器供油接口 10个：（1） 推进油泵H01 ;（2） 铰接油泵H002 ;（3） 旋转补油泵H02 ;（4） 旋转控制油泵H03 ;（5） 管片拼装机1#油泵H04 ;（6） 管片拼装机2#油泵H05 ;（7） 管片小车及辅助油泵H08 ;（8） 螺旋输送机一级油泵H07 ；（9） 螺旋输送机二级油泵H016 ；（10） 注浆系统油泵H003。以上每路都有进油滤网。回油接口 6个：（1） 推进系统
19、H136 ；（2） 旋转系统H09 ；（3） 管片拼装系统；（4） 管片小车及辅助系统H03 ；（5） 注浆系统H001 ；（6） 螺旋输送机系统H02。以上6路集中至3个滤清器过滤后回油箱，滤清器中装有堵塞传感器 泄油接口 6个：（1） 推进系统H137 ；（2） 旋转系统H15 ；（3） 管片拼装系统H20 ；（4） 管片小车及辅助系统H04 ；（5） 螺旋输送机系统H01 ；（6） 注浆系统H002。以上6路集中后直接回油箱。溢流接口 3个：（1） 旋转补油泵H71 ；（2） 旋转泵控阀H07 ；（3）螺旋输送机泵控阀H028以上3路独立回油箱。冷却过滤回路：由一 11KW 定量泵将油箱
20、里的油泵出，经两套滤清器过滤, 再经过水冷式热交换器冷却后返回油箱。回路中有加载电磁阀（M006 ）、压力 表、滤清堵塞传感器、温度计。油位传感器有：高油位开关、低油位警报开关、低油位停止开关、油箱油 温传感器（七）注浆液压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30KW 恒压变量泵，工作原理与旋转控制泵相同。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，使系统得以稳定
21、。经比例电磁阀调整后的液压油分别进入四个独立的泵送系统，下面以 阀前一路到泵闸阀不需要调速的油进入A1系统的P1.1 口，一路经调速后由 A1系统得P1 口进入。正打时，手动换向阀置于右位，压力油经手动阀、推进 自动换向阀到达推进油缸无杆腔，活塞右行，进入P1.1的压力油经液控正反 打换向阀、泵闸门换向阀、一路到达料斗进口油缸无杆腔，使之关闭，一路到 达泵出口油缸有杆腔，使之打开，完成正打过程。当推进活塞走到右端头时， 油缸右端的信号阀打开，信号油到达泵闸门换向阀上端，换向阀下移，压力油 一路到料斗进口缸的有杆腔，使之打开，一路到达泵出口缸的无杆腔，使之关 闭，另一路控制油经节流阀到达推进换向
22、阀的上端，换向阀下移，P1的压力 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 闸门换向阀的下端，换向阀上移，闸门油缸换向，同时推进换向阀也上移，重 复正打过程。五A a在进入调速注浆泵的反打是将手动换向阀置于左位，压力油被换向，同时使液控正反 打换向阀换向。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。
