土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)及故障排查

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 設(shè)備分公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

盾構(gòu)作為城市軌道建設(shè)、鐵路及公路隧道建設(shè)的主要施工機(jī)械之一，是集液壓、電氣、機(jī)械、激光導(dǎo)航、材料等多科學(xué)應(yīng)用于一體的大型復(fù)雜裝備，隨著國(guó)內(nèi)地下交通的發(fā)展，盾構(gòu)的數(shù)量急劇增加，盾構(gòu)成為了國(guó)家重大裝備國(guó)產(chǎn)化與創(chuàng)新項(xiàng)目之一。

推進(jìn)系統(tǒng)作為盾構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之一，其穩(wěn)定性直接影響項(xiàng)目的安全和施工進(jìn)度，一旦發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)無(wú)法掘進(jìn)、掘進(jìn)速度慢、無(wú)法轉(zhuǎn)彎、盾體后退等不良后果。因此提高推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、加快推進(jìn)系統(tǒng)故障排查效率尤為重要。

1 土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)工作模式分推進(jìn)模式和拼裝模式，推進(jìn)模式用于盾構(gòu)向前掘進(jìn)的過程，拼裝模式用于盾構(gòu)拼裝管片的過程，兩種模式都用到推進(jìn)泵及推進(jìn)油缸的動(dòng)作。推進(jìn)油缸總共有32 根，分為A、B、C、D、E 5 組，每組推進(jìn)油缸的控制閥塊原理相同。

推進(jìn)系統(tǒng)由A4VSO125DRG/30R 型斜盤式軸向柱塞泵提供油源，其排量為125mL/r，原理圖如圖1 所示。V1 閥控制泵的工作壓力，V2 閥和V3 閥組成插裝溢流閥，限制泵的最高壓力，V4 閥控制泵的工作流量。推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)模式和拼裝模式的切換會(huì)讓PLC 傳遞給推進(jìn)泵泵頭V1 閥不同的電信號(hào)，拼裝模式時(shí)PLC 給V1 固定的電流，保證泵恒壓工作，推進(jìn)模式時(shí)，測(cè)量油缸無(wú)桿腔壓力的壓力傳感器將測(cè)得的最大壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給PLC，然后PLC 給V1 閥根據(jù)負(fù)載變化的電流，從而實(shí)現(xiàn)泵頭壓力根據(jù)負(fù)載變化而變化，并且泵頭壓力始終要比最大負(fù)載壓力高25bar。

圖1 推進(jìn)泵原理圖

推進(jìn)油缸控制閥塊如圖2 所示，V8 閥和V9閥組成插裝換向閥，推進(jìn)模式下，V8 閥斷電，V9 閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓油僅從V6 閥進(jìn)入系統(tǒng)；拼裝模式下，V8 閥得電，V9 閥處于開啟狀態(tài)，液壓油從V6 閥和V9 閥進(jìn)入系統(tǒng)，V9 閥為大流量插裝閥，能夠?qū)崿F(xiàn)油缸的快速伸縮。V11 和V12 閥組成的插裝換向閥能夠?qū)崿F(xiàn)油缸的快速回收；V13 閥實(shí)現(xiàn)油缸的泄壓，防止油缸推進(jìn)模式結(jié)束后回收時(shí)，管路由于高壓大流量液壓油沖擊導(dǎo)致油管和管接頭損壞；V14 閥限制油缸的最高壓力；V15 壓力傳感器將推進(jìn)模式下該組推進(jìn)油缸壓力傳遞到PLC 從而控制泵頭壓力，PLC 將五組推進(jìn)閥組上的壓力傳感器測(cè)得的壓力進(jìn)行對(duì)比，從而使泵頭壓力始終比五組推進(jìn)油缸最大壓力高25bar。

圖2 推進(jìn)閥組原理圖

2 推進(jìn)系統(tǒng)故障排查案例分析

2.1 案例一

2.1.1 故障現(xiàn)象

土壓平衡盾構(gòu)在刀盤接近掌子面時(shí)，推進(jìn)模式剛啟動(dòng)，D 組推進(jìn)油缸壓力不受控制持續(xù)上升，A、B、C、E 組油缸壓力可以線性調(diào)節(jié)，D 組油缸壓力調(diào)節(jié)電位計(jì)旋到最小時(shí)，D 組壓力快速升到170bar 且有持續(xù)上漲的趨勢(shì)，此時(shí)由于推力過大導(dǎo)致反力架變形。

2.1.2 故障排查

根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，A、B、C、E 組推進(jìn)壓力可線性調(diào)節(jié)，故推進(jìn)泵壓力調(diào)節(jié)正常，問題只會(huì)出現(xiàn)在D 組推進(jìn)閥組上。檢查D 組推進(jìn)閥組比例溢流閥、電位計(jì)、放大版均正常。

排除了壓力閥故障導(dǎo)致的壓力持續(xù)增高因素，那就要考慮流量因素導(dǎo)致的壓力持續(xù)增大，因?yàn)樵谌莘e腔體積不變的情況下液壓油體積持續(xù)的增加亦會(huì)導(dǎo)致壓力的持續(xù)上升。D 組推進(jìn)閥組控制流量因素的閥有V6 比例調(diào)速閥以及V8 和V9 閥組成的插裝換向閥。首先將確定正常的A組比例調(diào)速閥與V6 閥調(diào)換，將D 組壓力調(diào)節(jié)電位計(jì)調(diào)至0 位，啟動(dòng)推進(jìn)模式，D 組壓力依然持續(xù)上升，而A 組推進(jìn)閥組壓力可正常調(diào)節(jié)，說明V6 比例調(diào)速閥正常。

排除了V6 閥后，問題極有可能出現(xiàn)先V8 閥和V9 閥組成的插裝換向閥，由于V9 閥是大流量插裝閥，由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，故障率較低，而V8閥是AS32060b 型換向閥，其彈簧腔會(huì)出現(xiàn)銹蝕導(dǎo)致彈簧卡死或者阻尼孔阻塞導(dǎo)致閥塊不能正常工作，故V8 閥故障的可能性較大。將確定正常的A 組AS32060b 型換向閥與D 組V8 閥調(diào)換，啟動(dòng)推進(jìn)模式后D 組壓力可正常調(diào)節(jié)，A 組壓力不受控而持續(xù)上升，說明問題出在V8 閥。

將V8 閥進(jìn)行拆解，如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)V8 閥內(nèi)部油孔內(nèi)橡膠顆粒堵塞，經(jīng)過清洗后將V8 閥組裝，D 組推進(jìn)油缸恢復(fù)正常工作。

圖3 V8閥塊拆解情況

2.1.3 故障原因分析

由于盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)所用的V6 閥為SEH 2-3/30F P-G24 型比例調(diào)速閥，其流量調(diào)節(jié)范圍0.2～30L/min，其結(jié)構(gòu)其實(shí)就是比例節(jié)流閥和定差減壓閥，由于定差減壓閥的工作特性，所以要求推進(jìn)模式下的推進(jìn)泵工作壓力要比推進(jìn)閥組最高壓力還要高約25bar，而拼裝模式下，液壓油大部分都是從V9 閥進(jìn)入液壓缸，所以推進(jìn)泵保持工作壓力恒定。

推進(jìn)閥組所用的V7 閥為PMVP5-44 G24 型比例溢流閥，其壓力調(diào)節(jié)范圍為5～450bar，流量范圍為0～40L/min，其流量正常工作范圍包含了比例調(diào)速閥的正常工作范圍，所以推進(jìn)模式下液壓油只能從比例調(diào)速閥進(jìn)入液壓缸的原因有兩個(gè)，一是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)速度的可調(diào)性，二是防止進(jìn)如入系統(tǒng)的液壓油流量超過V7 比例溢流閥的最大通流能力而導(dǎo)致壓力不可控。由于V8 閥閥芯卡死而一直處于右位工作，導(dǎo)致V9 閥一直處于常通狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入D 組的液壓油未經(jīng)過V6 比例調(diào)速閥減壓和限流，而是直接通過V9 閥進(jìn)入D 組推進(jìn)閥組。

盾構(gòu)的推進(jìn)泵為A4VSO125DRG/30R 型斜盤式軸向柱塞泵，現(xiàn)假設(shè)泵輸出壓力為P，V1 比例溢流閥的設(shè)定壓力為P1，V4 閥彈簧力為PK，當(dāng)P＜P1+PK，V4 閥處于右位工作，泵輸出液壓油進(jìn)入V5 伺服缸的有桿腔，無(wú)桿腔與油箱聯(lián)通，泵排量增加；當(dāng)P=P1+PK，泵輸出流量恒定；當(dāng)P＞P1+PK，V4 閥左位工作，泵輸出液壓油進(jìn)入V5伺服缸有桿腔和無(wú)桿腔，泵排量減小。根據(jù)泵的工作原理，推進(jìn)模式啟動(dòng)過程中泵的壓力和流量變化過程如下。

盾構(gòu)推進(jìn)模式啟動(dòng)前（推進(jìn)泵已啟動(dòng)）

泵的排量等于泵的泄流量。

推進(jìn)模式啟動(dòng)瞬間

則P＜P1+PK，此時(shí)泵的排量增加。

推進(jìn)模式啟動(dòng)后：隨著推進(jìn)系統(tǒng)容積腔液壓油的逐漸補(bǔ)充，泵出口壓力P逐漸增大。由于液壓油進(jìn)入到D 組推進(jìn)油缸時(shí)未經(jīng)過比例調(diào)速閥減壓作用，而是通過大通徑V9 閥直接進(jìn)入到D 組油缸，則PD與推進(jìn)泵出口壓力P的壓差ΔP小于25bar，其他4 組油缸都經(jīng)過比例調(diào)速閥的減壓作用，此時(shí)D 組推進(jìn)油缸壓力PD為5 組推進(jìn)油缸最大壓力，即

而系統(tǒng)控制要求P1=P最大負(fù)載+25bar

即P1=PD+25。

則P＜P1+PK，泵的排量增加到最大且一直以最大排量工作。

泵輸出的最大流量約187L/min，A、B、C、E 組4 組由于比例調(diào)速閥的作用導(dǎo)致最大通流能力為120L/min，剩下的67L/min 的流量全部進(jìn)入D 組推進(jìn)閥組，由于D 組的比例溢流閥最大通流能力為40L/min，無(wú)法將多余的液壓油泄掉，D 組壓力PD增加，而PD增加的同時(shí)，泵頭比例溢流閥的設(shè)定壓力PD增加，從而導(dǎo)致推進(jìn)泵輸出壓力增加，泵輸出壓力增加導(dǎo)致D 組推進(jìn)油缸壓力PD增加，與此往復(fù)導(dǎo)致D 組推進(jìn)油缸壓力PD不受控制持續(xù)增加。

2.2 案例二

2.2.1 故障現(xiàn)象

某型號(hào)盾構(gòu)剛始發(fā)，拼裝模式下伸縮推進(jìn)油缸時(shí)，推進(jìn)泵有異響且振動(dòng)偏大，油缸不動(dòng)作時(shí)，推進(jìn)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音、振動(dòng)正常。

2.2.2 故障分析

推進(jìn)油缸不動(dòng)作的時(shí)候，推進(jìn)泵的輸出流量為泵的泄漏量，推進(jìn)泵無(wú)異響，說明推進(jìn)泵內(nèi)部元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)異常。推進(jìn)油缸動(dòng)作的時(shí)候，推進(jìn)泵異響且振動(dòng)偏大，說明泵的異響和振動(dòng)異常是在泵吸油過程中產(chǎn)生的。通常泵吸油過程產(chǎn)生異響和振動(dòng)的原因有3 個(gè)。

1）泵泄漏油壓力過高 對(duì)于柱塞泵而言，泄漏油壓力過高不僅會(huì)導(dǎo)致軸封損壞，還會(huì)導(dǎo)致柱塞泵運(yùn)行不平穩(wěn)產(chǎn)生噪音與振動(dòng)。柱塞泵在吸油過程中，柱塞滑靴面為泄露油壓力，柱塞另一端為吸油壓力，當(dāng)泄漏油作用到柱塞上的力大于吸油作用在柱塞上的力，滑靴與止推板脫離，當(dāng)運(yùn)行到高壓區(qū)時(shí)，在高壓油的作用下，柱塞滑靴會(huì)與止推板貼合，在泵的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下就會(huì)造成脫缸和撞擊，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。造成泵泄漏油壓力高的原因有以下兩種：①油箱泄漏油管路裝有濾芯；②泵泄露油管偏細(xì)。

2）泵吸油口的真空度偏大 柱塞泵的吸油口真空度過高時(shí)就會(huì)導(dǎo)致泵吸油不暢，柱塞吸油端負(fù)壓過大，引起柱塞泵脫缸與撞擊。造成泵吸油口真空度偏大的原因有以下幾種：①泵與油箱間的吸油濾芯堵塞或過濾精度過高；②油箱的空氣濾清器堵塞；③泵吸油管、管接頭通經(jīng)偏小或吸油管路過長(zhǎng)；④吸油截止閥未完全打開；⑤液壓油粘度過高；⑥泵配油盤定位角度有偏差。

國(guó)道318線林拉公路改建工程米拉山隧道左洞順利貫通。米拉山隧道是國(guó)道318線拉林高等級(jí)公路重點(diǎn)控制性工程，全長(zhǎng)5720米，右洞已于今年6月貫通。該隧道是雙線分離式隧道，按照雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。米拉山隧道的貫通將為拉林公路如期建成通車打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3）泵吸進(jìn)去的油中混有空氣 當(dāng)氣泡隨著液壓油進(jìn)入到高壓區(qū)時(shí)，氣泡在高壓油的作用下破裂，氣泡原來所占據(jù)的空間形成真空，周圍的液壓油在填補(bǔ)此空間時(shí)相互碰撞產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。造成液壓油混入空氣的原因有以下3 種：①油箱液位過低；②回油管未浸入最低液位一下導(dǎo)致大量氣泡產(chǎn)生；③吸油管路密封不嚴(yán)。

2.2.3 故障排查

先從泄漏油壓力高的角度考慮，經(jīng)過排查，推進(jìn)泵的泄露油管并未裝濾芯，且推進(jìn)泵的泄漏油管并未拆卸，所以泄露油壓力高的因素可以排除。

隨后從泵體內(nèi)液壓油進(jìn)空氣角度考慮，經(jīng)檢查油箱液位正常且其他泵工作正常，所以泵體內(nèi)液壓油進(jìn)空氣可能性排除。

最后從吸油口真空度的角度考慮，由于推進(jìn)泵使用過一段時(shí)間并且未拆解過，所以泵配油盤安裝因素可以排除，由于其他其泵的工作正常，所以液壓油粘度偏高因素和油箱空氣濾清器堵塞因素可以排除。檢查推進(jìn)泵吸油截止閥，該截止閥完全打開，故吸油截止閥未完全打開因素可以排除。

將油箱中的液壓油放出，取出推進(jìn)泵的吸油濾芯，發(fā)現(xiàn)該濾芯表面局部變形且顏色偏暗，而其他濾芯色澤偏亮，很明顯該濾芯是舊濾芯。換上符合要求精度的濾芯后，啟動(dòng)推進(jìn)泵并伸縮油缸，泵聲音和振動(dòng)情況恢復(fù)正常。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障的原因有很多，排查過程也比較繁瑣，導(dǎo)致同一種故障現(xiàn)象的原因有很多種，在排查液壓故障時(shí)首先要了解液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及元件的選型參數(shù)，建立清晰的故障排查思路，開拓思維，壓力故障現(xiàn)象不一定是壓力元件導(dǎo)致的，液壓元件的振動(dòng)和異響不一定是液壓元件本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的，在排除液壓故障時(shí)要綜合考慮壓力、流量、元件型號(hào)、電氣等因素，才能更加快速有效的找到故障點(diǎn)并進(jìn)行排除。

3.2 建議

1）液壓元件都是精密元件，一定要保持油液清潔，定期做油液檢測(cè)、定期保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)處理，以免影響正常掘進(jìn)或產(chǎn)生安全隱患。

2）推進(jìn)系統(tǒng)的拼裝模式切換閥（圖2 中V8閥）和推進(jìn)油缸快收閥（圖2 中V11）選用相同型號(hào)的液壓閥，這兩種閥工作原理及工況接近，在V8 閥故障時(shí)可以用V11 閥替代，這樣可以很大程度加快項(xiàng)目生產(chǎn)效率，減低掘進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)。