小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)改造及故障處理

繆 楠/M IAO Nan

（中鐵隧道集團有限公司 專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009）

隨著各大城市地鐵施工地快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工在地鐵項目施工中所占的比例越來越高，小松盾構(gòu)因其在軟土地層掘進過程中良好的適應(yīng)性和使用性能，在華東地區(qū)正在越來越多地被使用，而小松盾構(gòu)獨特的盾尾外置式注漿管路設(shè)計，讓其超挖刀系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

小松超挖刀系統(tǒng)(圖1）由1臺11k W電氣驅(qū)動的齒輪泵提供動力，兩把超挖刀對稱分布于刀盤上，分別由超挖刀頭、驅(qū)動油缸、導(dǎo)向滑動機構(gòu)構(gòu)成。小松盾構(gòu)配備了兩把超挖刀，其中1把為備用，實際使用過程中以圓周的1/16(22.5°)為設(shè)定單位，在0°～359°超挖范圍內(nèi)進行設(shè)定。

圖1 小松刀盤及超挖刀示意圖

小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于使用和維護。超挖刀可伸出量為135mm，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)超挖刀伸出量，以配合盾構(gòu)掘進的進行。通過盾構(gòu)上觸摸屏幕畫面選定好超挖區(qū)域后，超挖刀系統(tǒng)將自動運作。超挖刀液壓系統(tǒng)直接并入主液壓系統(tǒng)中，設(shè)計簡單，但由于超挖刀系統(tǒng)工況較為惡劣，成為液壓系統(tǒng)污染的隱患。小松超挖刀液壓系統(tǒng)如圖2所示。

2 小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)改造

2.1 改造原因

小松盾構(gòu)在蘇州某項目正常掘進粉細砂地層過程中曾出現(xiàn)推力降至15 000k N，推進液壓系統(tǒng)源壓降至18MPa，無法施工的現(xiàn)象。將泵和閥組拆解后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部磨損嚴(yán)重，經(jīng)過對液壓系統(tǒng)油液進行檢查后發(fā)現(xiàn)液壓油中含有大量石英顆粒及四氧化三鐵，粒度最大為100um，判斷系統(tǒng)存在嚴(yán)重污染，且污染物由系統(tǒng)外部進入。

由于超挖刀系統(tǒng)工況惡劣，管路及油缸安裝在刀盤上，與土倉內(nèi)的渣土直接接觸，一旦系統(tǒng)中某一部件出現(xiàn)問題，將直接污染整個液壓系統(tǒng)。本次故障處理過程中對整個液壓系統(tǒng)進行了全面的清洗，并切斷了超挖刀進出油管路后系統(tǒng)恢復(fù)了正常，排查發(fā)現(xiàn)其污染源為超挖刀系統(tǒng)。

2.2 改造過程

鑒于超挖刀系統(tǒng)運行過程中存在較大的安全隱患，為避免上述液壓系統(tǒng)污染事件的再次發(fā)生，決定對超挖刀液壓系統(tǒng)進行改造。主要改造工作為設(shè)置超挖刀獨立油箱，更改超挖刀管路，使超挖刀液壓系統(tǒng)與主液壓系統(tǒng)相對獨立。

圖2 小松超挖刀液壓系統(tǒng)圖

改造工作主要是確定并新制一個新的液壓油箱，并確定安裝位置。為保證改造后液壓系統(tǒng)的正常使用，新油箱的滿足以下幾點要求。

1）油箱容積的設(shè)計計算。為保證液壓系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，根據(jù)以往經(jīng)驗，油箱容積一般取為液壓泵每分鐘排出的油液體積的3～7倍。

2）系統(tǒng)散熱。主液壓系統(tǒng)擁有獨立的散熱器及冷卻循環(huán)泵，鑒于超挖刀的獨立系統(tǒng)和油箱均較小，且考慮到經(jīng)濟性等問題，不再安裝專門的冷卻裝置，依靠油箱進行散熱。

3）吸油管及回油管應(yīng)插入最低液面以下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生的氣泡?；赜凸芸趹?yīng)斜切45°角并面向箱壁，以防止回油沖擊油箱底部的沉積物。

4）其他附件。為保持油液清潔，油箱采用有密封的蓋板封口，蓋板上裝有空氣過濾器，安裝簡易液位和溫度顯示計。為方便放油和清理，箱底設(shè)計一定的斜度，并在最低處設(shè)置放油閥。

5）油箱制作完成后采用酸洗磷化的方式對油箱內(nèi)壁進行防銹處理。

考慮到盾構(gòu)拖車現(xiàn)場位置等因素，將4號拖車上的原超挖刀泵及基座轉(zhuǎn)移至了2號拖車上，新制作的油箱采用支架抬高后，將超挖刀泵安裝至液壓油箱下方并更改相應(yīng)管路。新制超挖刀系統(tǒng)油箱容積約為120L，超挖刀系統(tǒng)流量為27L/m in，考慮到系統(tǒng)散熱等因素，該油箱滿足系統(tǒng)正常使用。

3 超挖刀故障處理及反思

3.1 超挖刀故障處理

改造后的超挖刀系統(tǒng)在盾構(gòu)調(diào)試過程中運作正常，但在盾構(gòu)實際掘進過程中出現(xiàn)兩把超挖刀同時伸出的現(xiàn)象，超挖刀油箱油液被放空且超挖刀泵損壞等故障，對施工進度造成了較大的影響。對超挖刀系統(tǒng)進行了徹底排查和分析后發(fā)現(xiàn)：①現(xiàn)場工人在盾構(gòu)組裝過程中，將系統(tǒng)快速接頭處的管路連接錯誤，導(dǎo)致兩把超挖刀同時伸出；②兩把超挖刀同時伸出后，現(xiàn)場人員試圖回收超挖刀的期間，對管路進行了重新連接，在回收超挖刀的嘗試過程中造成油箱油液被放空；③該油箱采用簡易液位和溫度顯示計，調(diào)試過程中沒有人員注意到油箱液位過低，而導(dǎo)致齒輪泵吸空損壞。

刀盤內(nèi)部的兩把超挖刀有桿腔管路被擠壓爆管后，系統(tǒng)持續(xù)調(diào)試過程中導(dǎo)致油箱內(nèi)液壓油泄漏進而導(dǎo)致了超挖刀泵的損壞。由于超挖刀有桿腔油管分布于刀盤內(nèi)部，更換油管需要將刀盤面板割開，工作量較大且較難實施，幸而該故障發(fā)生在刀盤剛剛進入加固區(qū)時，可以在常壓狀態(tài)下進行管路的更換，否則后果將不堪設(shè)想。

3.2 超挖刀故障處理反思

通過對小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)的改造和后續(xù)實踐使用過程中出現(xiàn)的問題，對本次超挖刀改造及設(shè)備使用進行了一定的反思總結(jié)。

1）改造新制的油箱僅采用了簡易液位和溫度顯示，雖然該小松盾構(gòu)原主油箱也沒有采用高級的溫度和液位傳感器，但主油箱容量較大且所有液壓系統(tǒng)部件及管路位于盾構(gòu)內(nèi)部不同于超挖刀油缸和管路位于刀盤，一旦發(fā)生破裂漏油情況難以覺察，容易造成油箱油液被放空后進而造成液壓泵的損壞。在條件允許的情況下，安裝液位和溫度傳感器并將其并入系統(tǒng)連鎖范圍中將可以更好地提高改造系統(tǒng)的安全性能，避免因人為失誤造成施工中較大的損失。

2）造成本次故障的直接原因是超挖刀有桿腔油管破裂，對系統(tǒng)各項參數(shù)進行一定的分析后發(fā)現(xiàn)，該超挖刀系統(tǒng)的設(shè)計最高壓力為20.6MPa（系統(tǒng)溢流閥決定），刀盤內(nèi)部使用的超挖刀管路為外周包圍鋼絲防護軟管的設(shè)計壓力為21MPa，而超挖刀油缸的有桿腔和無桿腔的直徑分別為80mm和135mm。在有桿腔油路封堵的情況下，超挖刀系統(tǒng)一旦滿載運行，其有桿腔壓力可根據(jù)一般經(jīng)驗公式P1S1=P2S2計算得出，其中P1S1分別為超挖刀油缸無桿腔壓力（及系統(tǒng)壓力）和無桿腔面積，P2S2分別為超挖刀油缸有桿腔壓力和有桿腔面積。經(jīng)過粗略計算，設(shè)備故障發(fā)生時有桿腔油管所受的壓力在31MPa以上，是有桿腔油管破裂的主要原因。雖然在系統(tǒng)正常使用情況下，只要管路壓力在系統(tǒng)設(shè)計壓力以上便符合正常使用工況，但考慮到管路在刀盤內(nèi)部破損后的更換十分困難，為保證超挖刀系統(tǒng)的安全性能，應(yīng)將有桿腔刀盤內(nèi)部油管壓力等級相應(yīng)提高。

4 結(jié) 語

這次通過對小松盾構(gòu)超挖刀系統(tǒng)的改造到投入實踐使用的整個過程跟蹤記錄，對期間出現(xiàn)的超挖刀系統(tǒng)故障進行了分析和排查，并在現(xiàn)場對系統(tǒng)一定的整改工作（如將刀盤內(nèi)所有4根管路更換為壓力等級更高的軟管、為新制油箱增加液位報警等）。

雖然盾構(gòu)作為地下掘進機器是一個龐然大物，但往往細節(jié)可以決定事情的成敗，設(shè)備管理工作如是而已。做好系統(tǒng)管路連接工作，深入考慮系統(tǒng)存在的安全隱患并從源頭進行預(yù)防和解決，是日后設(shè)備改造工作更加值得注意的地方。 O

[1] 李紅船，馮忠緒，李飛舟．液壓系統(tǒng)開式油箱設(shè)計[J]．起重運輸機械，2007，(12)：58-61．