盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)及其熱平衡計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)及其熱平衡計(jì)算朱平1，王君2（1.貴州首黔資源開發(fā)有限公司，貴州六盤水553525；2.太原科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030024）摘要：介紹了盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的組成部分以及各部分的重要職能，并對(duì)某盾構(gòu)機(jī)的熱平衡進(jìn)行了計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)是一種挖掘隧道的工程機(jī)械，由于它可以在艱難的環(huán)境下安全工作而被廣泛用于隧道挖掘、地鐵工程等，是城市建設(shè)的重要工具，而液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的主要驅(qū)動(dòng)的方式，液壓系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著盾構(gòu)機(jī)的工作性能。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)熱平衡盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)挖掘機(jī)的簡(jiǎn)稱，是盾構(gòu)施工中的主要施工機(jī)械，主要用于挖掘隧道。傳統(tǒng)的隧道施工方法是用人工或機(jī)械方法將土挖掘下來(lái)，再裝上礦車外運(yùn)，緊接著對(duì)挖空的隧道進(jìn)行支護(hù)［1］。這種方法當(dāng)遇到淤泥或流沙層等地質(zhì)條件時(shí)，很難做到及時(shí)支護(hù)，隧道極易坍塌，會(huì)造成大面積的地面塌陷，而盾構(gòu)機(jī)是在地下掘進(jìn)，可以有效地防止軟基開挖面崩塌和保持開挖面穩(wěn)定，在護(hù)盾內(nèi)完成隧洞的挖掘、出土、隧道支護(hù)等工作，這樣可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。與明挖相比，盾構(gòu)機(jī)由于其安全可靠、機(jī)械化程度高、工作環(huán)境好、土方量少、進(jìn)度快、施工成本低的特點(diǎn)而被廣泛地用于水底交通隧道、城市地下鐵道、供排水隧洞和電纜隧道等工程，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、德國(guó)，盾構(gòu)機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展。盾構(gòu)機(jī)還具有一次成洞，不受氣候影響，開挖時(shí)可控制地面沉降，減小對(duì)地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，在隧洞洞線較長(zhǎng)、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展時(shí)期，一些基礎(chǔ)設(shè)施的修建正在大量進(jìn)行中，許多重大項(xiàng)目如在建和擬建的多個(gè)城市的地鐵工程，規(guī)劃設(shè)計(jì)中的南水北調(diào)中線穿黃工程以及其他一些市政、交通、通信及水利項(xiàng)目都要用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。這必將促進(jìn)盾構(gòu)機(jī)技術(shù)在我國(guó)的快速發(fā)展。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)傳遞功率大，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，要求控制精度高，安裝空間小。而液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)恰恰是體積小，重量輕，使用功率范圍廣，操縱控制方便，傳動(dòng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好等。由于這些優(yōu)勢(shì)就使液壓系統(tǒng)成了盾構(gòu)機(jī)動(dòng)力傳遞和控制的首選。1盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)可以分成六大主要部分，分別是主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)、推進(jìn)油缸液壓系統(tǒng)、管片拼裝液壓系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)、注漿切換裝置液壓系統(tǒng)、超挖刀液壓系統(tǒng)。1.1主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是向刀盤提供旋轉(zhuǎn)扭矩的機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斜盤式變量軸向柱塞泵和6個(gè)斜軸式變量柱塞馬達(dá)構(gòu)成閉式回路，液壓泵提供壓力油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)就可以驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。1.2推進(jìn)油缸液壓系統(tǒng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)顧名思義就是可以使盾構(gòu)機(jī)在土層中向前推進(jìn)的機(jī)構(gòu)，是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部分，主要靠32個(gè)安裝在盾構(gòu)機(jī)外殼內(nèi)側(cè)環(huán)形中梁上的液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的向前推進(jìn)。推進(jìn)油缸有推進(jìn)模式和管片拼裝模式兩種模式。推進(jìn)油缸處于推進(jìn)模式時(shí)，液壓缸分四個(gè)區(qū)，分別由比例減壓閥實(shí)現(xiàn)壓力分區(qū)的控制，以便實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)彎，當(dāng)推進(jìn)一個(gè)行程后，推進(jìn)模式結(jié)束，這時(shí)推進(jìn)油缸保壓，以免壓力作用將其縮回。進(jìn)入管片拼裝模式后，對(duì)應(yīng)拼裝管片的3對(duì)油缸首先縮回，待拼裝管片后，3對(duì)油缸伸出，頂在管片上。1.3管片拼裝液壓系統(tǒng)管片拼裝機(jī)構(gòu)設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)的尾部，主要負(fù)責(zé)把管片安裝到剛剛挖好的隧道表面，使隧道一次成型。管片拼裝機(jī)要完成管片的抓取、平衡、微調(diào)、旋轉(zhuǎn)、提升、平移等動(dòng)作，是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分。1.4螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)螺旋輸送機(jī)的功能就是把土倉(cāng)內(nèi)挖掘的土運(yùn)出，經(jīng)排土控制器送給盾構(gòu)機(jī)外的泥土運(yùn)出設(shè)備。1.5注漿切換裝置液壓系統(tǒng)注漿切換裝置主要完成向掘削泥土中注入添加材料，以便改變泥土的流塑性、抗?jié)B性，使其達(dá)到排土機(jī)構(gòu)的排放條件［2］。1.6超挖刀液壓系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)一般有兩把超挖刀（一用一備），布置在刀盤的邊緣上，其伸出和縮回量可以調(diào)節(jié)，超挖刀液壓系統(tǒng)有獨(dú)立的小油箱，安裝在盾體里。2盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的傳動(dòng)主要依靠液壓系統(tǒng)。對(duì)于液壓系統(tǒng)，介質(zhì)溫度將直接影響系統(tǒng)的正常工作，如果液壓油溫度升高，將出現(xiàn)油液黏度降低，潤(rùn)滑部位的油膜被破壞，油液泄漏增加，密封材料加速老化，油液飽和蒸氣壓升高而引起氣蝕等現(xiàn)象，這將直接導(dǎo)致液壓系統(tǒng)性能和可靠性的降低。因此對(duì)液壓系統(tǒng)的熱平衡的控制效果將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能［3］。油箱、管路和液壓元件外表面系統(tǒng)的發(fā)熱散失到周圍的大氣中，一部分被油液和液壓元件所吸收，使其溫度升高，最后達(dá)到某個(gè)平衡溫度。但是，盾構(gòu)機(jī)由于受其結(jié)構(gòu)條件的限制，油箱往往設(shè)計(jì)得較小，因而散熱面積小，單靠自然散熱冷卻不足以使油溫保持在55℃以下，因此應(yīng)在液壓系統(tǒng)中設(shè)置冷卻器對(duì)油液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。2.1系統(tǒng)發(fā)熱與散熱的計(jì)算液壓系統(tǒng)的壓力、容積和機(jī)械損失構(gòu)成系統(tǒng)總的能量損失，這些能量損失轉(zhuǎn)化為熱量，使系統(tǒng)油溫升高，由此產(chǎn)生一系列不良的影響。為此，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，以便對(duì)系統(tǒng)溫升加以控制。以某盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)為例，用恒壓變量泵代替恒功率泵計(jì)算其熱平衡。油箱容積為6000L。設(shè)定循環(huán)泵15min循環(huán)一次（大多比例伺服系統(tǒng)都要求15~30min循環(huán)一次［4］），則循環(huán)泵的流量大概為400L/min，所選循環(huán)泵流量為450L/min。電機(jī)總的安裝功率P＝315kW，則系統(tǒng)的發(fā)熱大約為電機(jī)功率的30%［5］，所以H發(fā)＝30％P＝94.5kW。通過(guò)冷卻器的流量Q循環(huán)泵＝450L/min＝27000L/h。進(jìn)油溫度T1≥50℃，出油溫度T2≤40℃；進(jìn)水溫度T3≤32℃，出水溫度T4≥37℃。選擇熱交換器的熱交換面積大于18.4m2就可以滿足系統(tǒng)的散熱要求。因此選擇板式冷卻器：BR0.2-120/1.6-21。所選熱交換器散熱面積為21m2完全可以滿足散熱的需求。3結(jié)語(yǔ)由于我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵工程在我國(guó)興起，盾構(gòu)機(jī)作為挖掘隧道的有利工具而被人們所重視，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)更是成為目前的熱點(diǎn)。由于盾構(gòu)機(jī)在地下作業(yè)，對(duì)它的維修檢測(cè)都不方便，所以我們應(yīng)該探索穩(wěn)定性好的、可靠的液壓系統(tǒng)，而液壓傳動(dòng)的固有的特性很適合盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力傳遞。因此，采用先進(jìn)的液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)將是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力傳遞及控制系統(tǒng)的發(fā)展方向［6］。參考文獻(xiàn)［1］胡勝利，喬世珊.盾構(gòu)機(jī)概論［J］.建筑機(jī)械，1999（11）：16-20.［2］楊華勇，龔國(guó)芳.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及其液壓技術(shù)的應(yīng)用［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2004（1）：27-29.［3］唐文紅，游善蘭.行走機(jī)械的液壓冷卻系統(tǒng)［J］.工程機(jī)械，2001（6）：36-37.［4］張東輝，張嘯男.液壓系統(tǒng)的熱衡計(jì)算與分析［J］.一重技術(shù),2009（3）:12-14.［5］趙占宏.12