盾構(gòu)機(jī)用內(nèi)曲線液壓馬達(dá)脫空現(xiàn)象分析

黃 凱（上海城建隧道裝備有限公司，上海 200137）

0 引 言

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中一種重要的執(zhí)行元件，它是將液壓泵提供的液壓壓力能轉(zhuǎn)變成輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能[1]。液壓馬達(dá)按照輸出轉(zhuǎn)速可分為低速馬達(dá)和高速馬達(dá)，按照結(jié)構(gòu)形式可分為葉片馬達(dá)、齒輪馬達(dá)、柱塞馬達(dá)和其他馬達(dá)[2-3]，其中，柱塞馬達(dá)又可分為徑向柱塞馬達(dá)和軸向柱塞馬達(dá)。內(nèi)曲線液壓馬達(dá)屬于低速徑向柱塞馬達(dá)，具有工作壓力高、排量大、低速性能好、輸出扭矩大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)中。雖然內(nèi)曲線液壓馬達(dá)具有種種優(yōu)點(diǎn)，但是在使用過程中也存在種種問題，如在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于回油壓力的缺失，柱塞和滾子因慣性力的作用會(huì)脫離滾道環(huán)曲面，這就是脫空現(xiàn)象。筆者從內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)的脫空現(xiàn)象造成的危害探討，對(duì)某項(xiàng)目?jī)?nèi)曲線液壓馬達(dá)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部控制原理進(jìn)行分析，對(duì)脫空現(xiàn)象的原因進(jìn)行解釋并提出解決方案。

1 故障概述

某項(xiàng)目盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)的2個(gè)內(nèi)曲線液壓馬達(dá)發(fā)生了損壞，一個(gè)馬達(dá)配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環(huán)損毀，2個(gè)軸承全部磨損。另一個(gè)馬達(dá)的泄露油口發(fā)現(xiàn)鐵塊，并且在回油濾芯處發(fā)現(xiàn)大量鐵屑。維修人員在現(xiàn)場(chǎng)拆解馬達(dá)控制閥組時(shí)發(fā)現(xiàn)，在閥組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長(zhǎng)度約15 mm的長(zhǎng)條狀鐵屑。

2 馬達(dá)結(jié)構(gòu)分析和控制原理分析

2.1 馬達(dá)結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目刀盤驅(qū)動(dòng)使用的液壓馬達(dá)為內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)，該系列馬達(dá)的核心部件是滾道環(huán)、缸體、柱塞滾子副和配流體。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

由圖1可知，滾道環(huán)內(nèi)表面輪廓由形狀相同的若干曲線段構(gòu)成，每一曲線段上均分布著1個(gè)凹點(diǎn)和1個(gè)凸點(diǎn)，當(dāng)柱塞滾子副沿著凸點(diǎn)向凹點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，此區(qū)段稱為上升區(qū)段（工作區(qū)段），當(dāng)柱塞滾子副沿著凹點(diǎn)向凸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，此區(qū)段稱為下降區(qū)段（回油區(qū)段）。上升區(qū)段所聯(lián)柱塞滾子副與高壓油腔接通，下降區(qū)段所聯(lián)柱塞滾子副與回油腔接通，當(dāng)柱塞滾子副運(yùn)動(dòng)到底部接通高壓油的上升區(qū)段時(shí)，滾子與滾道環(huán)曲面接觸，受到法向力F的作用。F可分解為徑向力Fr和切向力Ft，其中，F(xiàn)r平衡了液壓力，F(xiàn)t則經(jīng)過柱塞傳遞至缸體。此時(shí)，缸體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾子進(jìn)入下降區(qū)段時(shí)，滾子沿滾道環(huán)下降，柱塞底部與回油腔接通，液壓油被壓進(jìn)回油腔[4]。當(dāng)馬達(dá)需要做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需將外部控制換向閥換向，使馬達(dá)的進(jìn)回油口互換，此時(shí)，高壓油腔變?yōu)榛赜颓唬赜颓蛔優(yōu)楦邏河颓?，上升區(qū)段變?yōu)橄陆祬^(qū)段，下降區(qū)段變?yōu)樯仙齾^(qū)段，馬達(dá)則在切向力Ft的作用下做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由于內(nèi)曲線馬達(dá)回轉(zhuǎn)的作用力直接來自滾子與滾道環(huán)之間接觸產(chǎn)生的力，因此在使用該馬達(dá)時(shí)，必須要保證滾子始終與滾道環(huán)接觸。當(dāng)滾子與滾道環(huán)脫離時(shí)，就是所謂的脫空現(xiàn)象。若滾子與滾道環(huán)脫空，當(dāng)柱塞滾子副進(jìn)入上升區(qū)段后，在高壓油的作用下，滾子會(huì)瞬間撞擊到滾道環(huán)上，可能會(huì)導(dǎo)致滾道環(huán)嚴(yán)重磨損或開裂、滾子磨損或脫落、柱塞與缸體卡滯等現(xiàn)象。因此，回油腔不能直接接回油箱，且必須具有一定的回油背壓[5-6]。

2.2 控制原理

該項(xiàng)目刀盤驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)控制原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 刀盤驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)控制原理

該系統(tǒng)中的液壓元件代號(hào)、名稱和功能對(duì)應(yīng)說明如下。

T為液壓油箱，用于儲(chǔ)存系統(tǒng)所需的液壓油，并具有散熱、沉淀過濾雜質(zhì)、分離油液中的氣泡等作用[7]。油箱上裝有冷卻器、液位計(jì)、溫度傳感器、空氣過濾器等元件。

M1為液壓泵組，可提供工作壓力油（原系統(tǒng)為比例變量柱塞泵，此處將功能簡(jiǎn)化）。

CV1為單向閥，具有單向?qū)üδ?，防止壓力油倒流進(jìn)液壓泵內(nèi)而損壞液壓泵。

HF1為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），由閥芯、閥套、彈簧、密封圈、蓋板（帶阻尼孔）組成，與先導(dǎo)元件配合使用，控制液流的通斷、壓力的高低、流量的大小。此處與RV1配合使用，組成一個(gè)大流量的溢流閥。

RV1為溢流閥，設(shè)定壓力為32 MPa，作為HF1的先導(dǎo)閥，與HF1配合使用。系統(tǒng)工作時(shí)，液壓泵輸送出的油液進(jìn)入HF1的閥芯底部和彈簧腔，彈簧腔與RV1連接，當(dāng)泵輸出壓力較低時(shí)，不足以打開RV1，由于彈簧腔與HF1閥芯底部導(dǎo)通，壓力相同，但彈簧腔的面積大于閥芯底部的面積，所以彈簧腔的作用力要大于閥芯底部的面積，閥芯無法打開。當(dāng)壓力達(dá)到32 MPa時(shí)，溢流閥RV1打開，彈簧腔中的壓力油就可以通過蓋板中的阻尼孔，經(jīng)過RV1進(jìn)入油箱，由于阻尼孔的作用使彈簧腔的壓力小于閥芯底部的壓力，此壓力差產(chǎn)生的作用力大于彈簧腔的彈簧力，HF1的閥芯打開，油液從HF1進(jìn)入油箱，實(shí)現(xiàn)溢流[8]，將系統(tǒng)壓力維持在32 MPa。

FT1為帶壓差發(fā)信器的回油過濾器，可過濾回到油箱中的油液，保持液壓系統(tǒng)的清潔度。當(dāng)油液被污染時(shí)，通過FT1濾芯的前后壓差會(huì)升高，當(dāng)壓力達(dá)到發(fā)信器的設(shè)定值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警[9]。

HF2為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV2、RV2、RV3配合使用。

SV2為電磁閥，與溢流閥RV2、RV3配合使用，以切換HF2的開啟壓力。當(dāng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，SV2失電，RV3開始發(fā)揮作用，此時(shí)HF2的開啟壓力為2 MPa，馬達(dá)的回油經(jīng)過HF2進(jìn)入油箱，回油背壓被RV3限定為2 MPa；馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)SV2得電，RV2開始發(fā)揮作用，此時(shí)HF2的開啟壓力為35 MPa，大于系統(tǒng)最大壓力，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

RV2為溢流閥，它作為HF2的先導(dǎo)閥，與SV2配合使用，馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，SV2失電，RV2開始發(fā)揮作用，限定馬達(dá)進(jìn)油口的壓力為32 MPa。

RV3為溢流閥，作為HF2的先導(dǎo)閥，與SV2配合使用，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，SV2得電，RV3開始發(fā)揮作用，限定馬達(dá)回油背壓為32 MPa。

HF3為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV1配合使用，組合成一個(gè)開關(guān)閥。

SV1為電磁閥，控制HF3的開啟與關(guān)閉，馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)SV1失電，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，SV1得電。

HF4為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV4、RV4、RV5配合使用。

SV4為電磁閥，與溢流閥RV4、RV5配合使用，切換HF4的開啟壓力。當(dāng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，SV4得電，RV4開始發(fā)揮作用，此時(shí)HF4的開啟壓力為35 MPa，大于系統(tǒng)最大壓力，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，SV4失電，RV5開始發(fā)揮作用，此時(shí)HF4的開啟壓力為2 MPa，馬達(dá)的回油經(jīng)過HF4進(jìn)入油箱，回油背壓被RV5限定為2 MPa。

RV4為溢流閥，作為HF4的先導(dǎo)閥，與SV4配合使用，馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，SV4得電，RV4開始發(fā)揮作用，限定馬達(dá)進(jìn)油口的壓力為32 MPa。

RV5為溢流閥，作為HF4的先導(dǎo)閥，與SV4配合使用，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，SV4失電，RV5開始發(fā)揮作用，限定馬達(dá)回油背壓為2 MPa。

HF5為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV3配合使用，組成一個(gè)開關(guān)閥。

SV3為電磁閥，它控制著HF5的開啟與關(guān)閉，馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)SV3得電，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，SV3失電。

RV6為溢流閥，起緩沖作用，當(dāng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，若負(fù)載突然增大，或者馬達(dá)堵轉(zhuǎn)，馬達(dá)的A口壓力會(huì)突然上升，會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)損毀。RV6在此處限定了馬達(dá)A口的最大壓力為32 MPa。當(dāng)負(fù)載突然增大，或者馬達(dá)堵轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)A口壓力上升至32 MPa后RV6打開，A口壓力無法再繼續(xù)上升，從而發(fā)揮緩沖保護(hù)作用。

RV7為溢流閥，起緩沖作用，當(dāng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，若負(fù)載突然增大，或者馬達(dá)堵轉(zhuǎn)，馬達(dá)的B口壓力會(huì)突然上升，會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)損毀。RV7在此處限定了馬達(dá)B口的最大壓力為32 MPa。當(dāng)負(fù)載突然增大，或者馬達(dá)堵轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)B口壓力上升至32 MPa后RV7打開，B口壓力無法再繼續(xù)上升，從而發(fā)揮緩沖保護(hù)作用。

MS為液壓馬達(dá)，它是執(zhí)行元件，輸出扭矩通過減速器增大后帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，切削土體。A口進(jìn)油則馬達(dá)正轉(zhuǎn)，B口進(jìn)油則馬達(dá)反轉(zhuǎn)。

3 馬達(dá)損壞原因分析

“馬達(dá)配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環(huán)損毀”，這說明馬達(dá)發(fā)生了脫空現(xiàn)象，并且脫空后在高壓油的沖擊下，滾子與滾道環(huán)發(fā)生撞擊，導(dǎo)致滾道環(huán)損毀，滾子與滾道環(huán)撞擊后導(dǎo)致柱塞和缸體產(chǎn)生變形，柱塞與配流體卡死?！坝婉R達(dá)的泄露油口發(fā)現(xiàn)鐵塊，并且在回油濾芯處發(fā)現(xiàn)大量鐵屑”，這可能是滾子與滾道環(huán)發(fā)生撞擊后，導(dǎo)致滾子脫落，滾道環(huán)和缸體破裂產(chǎn)生了大量的碎屑?！霸陂y組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長(zhǎng)度約15 mm的長(zhǎng)條狀鐵屑”，這些鐵屑可再次表明其是由脫空現(xiàn)象產(chǎn)生的，圓形扁狀鐵屑和長(zhǎng)條狀鐵屑是滾子、滾道環(huán)和缸體碎裂后的產(chǎn)物。

該項(xiàng)目中液壓馬達(dá)的回油背壓僅依靠RV3和RV5這2個(gè)溢流閥建立，當(dāng)元件老化或者人為操作失誤時(shí)，RV3和RV5就有可能失效，馬達(dá)回油腔的背壓將無法建立，很可能會(huì)使馬達(dá)脫空并將其損壞。另外，這種設(shè)計(jì)必須在馬達(dá)有回油時(shí)才能產(chǎn)生背壓，假如馬達(dá)因某些原因需要拆卸或維修時(shí)，馬達(dá)A口和B口的管路被拆下，當(dāng)再次把管路安裝好之后，馬達(dá)的回油腔中并沒有液壓油，滾子和滾道環(huán)可能已經(jīng)脫離，此時(shí)若直接啟動(dòng)馬達(dá)，那么在高壓油的沖擊下，馬達(dá)的使用壽命很有可能會(huì)縮短，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)損壞。

通過以上分析可知，脫空現(xiàn)象是造成內(nèi)曲線液壓馬達(dá)損壞的重要原因。

4 整改措施

為了保證馬達(dá)的安全性和可靠性，必須主動(dòng)給馬達(dá)的回油腔建立背壓，在馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)前保證滾子被頂出，貼合到滾道環(huán)曲面上。因此，在原系統(tǒng)中增加了一臺(tái)補(bǔ)油泵，為馬達(dá)的回油腔主動(dòng)建立壓力，同時(shí)，將RV3和RV5的開啟壓力調(diào)節(jié)至5 MPa，提高馬達(dá)回油腔的背壓。修改后的刀盤驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)控制原理如圖3所示。系統(tǒng)中新增的液壓元件代號(hào)、名稱和功能說明如下。

圖3 修改后的刀盤驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)控制原理

M2為補(bǔ)油泵，可為馬達(dá)回油腔主動(dòng)建立壓力，防止馬達(dá)脫空。

CV2為單向閥，具有單向?qū)üδ埽煞乐箟毫τ偷沽鬟M(jìn)補(bǔ)油泵內(nèi)，損壞補(bǔ)油泵。

RV8為溢流閥，可將補(bǔ)油回路的最大壓力限定在5 MPa。

CV3為單向閥，可防止馬達(dá)高壓管路中的油進(jìn)入補(bǔ)油回路。馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，A口壓力較高，B口壓力較低，由于補(bǔ)油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV3被動(dòng)關(guān)閉，CV4打開，油液進(jìn)入馬達(dá)B口，為回油腔建立5 MPa背壓。

CV4為單向閥，可防止馬達(dá)高壓管路中的油液進(jìn)入補(bǔ)油回路。馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，B口壓力較高，A口壓力較低，由于補(bǔ)油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV4被動(dòng)關(guān)閉，CV3打開，油液進(jìn)入馬達(dá)A口，為回油腔建立5 MPa背壓。

馬達(dá)工作時(shí)，須先開啟補(bǔ)油泵M2，主動(dòng)為馬達(dá)建立回油背壓，將馬達(dá)內(nèi)的柱塞滾子頂出，使其與滾道環(huán)曲面貼合，補(bǔ)油泵M2開啟5 s后再開啟液壓泵M1；馬達(dá)停止時(shí)，須先關(guān)閉液壓泵M1，當(dāng)檢測(cè)到刀盤轉(zhuǎn)速為0后再關(guān)閉補(bǔ)油泵M2。當(dāng)需要改變刀盤轉(zhuǎn)向時(shí)，須先等刀盤轉(zhuǎn)速為0后再進(jìn)行反轉(zhuǎn)動(dòng)作，補(bǔ)油泵M2在此過程中始終處于工作狀態(tài)。如此，可以保證內(nèi)曲線馬達(dá)的滾子與滾道環(huán)始終貼合，防止馬達(dá)脫空而導(dǎo)致?lián)p毀。此外，這種設(shè)計(jì)還有一個(gè)好處，當(dāng)馬達(dá)需要停轉(zhuǎn)時(shí)，正常操作是將電磁閥SV1或SV3直接失電，不再往馬達(dá)A口或B口供油，但此時(shí)馬達(dá)會(huì)在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)因此造成吸空[10]，這對(duì)馬達(dá)的使用壽命是相當(dāng)不利的，補(bǔ)油泵的存在就是為了避免這種情況的發(fā)生，因此刀盤停轉(zhuǎn)時(shí)需要先停液壓泵M1，后停補(bǔ)油泵M2。

5 結(jié) 語

筆者通過內(nèi)曲線液壓馬達(dá)損壞后的現(xiàn)象分析其損壞的原因，并深入分析內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部控制油路和控制方法，通過改進(jìn)控制油路和控制方法避免盾構(gòu)機(jī)在后續(xù)推進(jìn)過程中液壓馬達(dá)因脫空現(xiàn)象而導(dǎo)致?lián)p毀。本研究對(duì)今后的項(xiàng)目應(yīng)用具有重要的借鑒意義，在以后的項(xiàng)目中無論是由刀盤驅(qū)動(dòng)還是由螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)的盾構(gòu)機(jī)等，若使用內(nèi)曲線液壓馬達(dá)，均建議增加馬達(dá)補(bǔ)油功能，避免發(fā)生馬達(dá)脫空的情況。