隧道盾构掘进机推进系统设计

吴昊琳

吴昊琳

中铁隧道股份有限公司河南郑州450000

摘要：盾构机属于一种大型的隧道掘进设备，包含机、液、控制、信息等多种科学技术，在铁路、公路、市政、水电等隧道工程应用的较为广泛。盾构机的重要部分之一即为推进系统，在盾构机的掘进中它承担了定金工程。研究盾构机的推进系统，能够更为全面的掌握其特点和性能，并为我国企业在设计、建造和完善盾构机上提供基础支撑。

关键词：隧道；盾构掘进机；推进系统

一、原理简介

因隧道土层地质非常庞杂，盾构机在隧道施工中会遇到不同的地质阻力、涂层反推理和水压力，从而导致掘进过程中会遇到各种各样的低层阻力。为了确保土压平衡，盾构机在推进系统设计上，要充分考虑到不同的土层压力，同时也要及时调整液压缸推进压力。盾构机在施工中，其推进系统应符合推进力要求以及推进速度控制。因此，在设计突进系统时，选择的是比例变量泵与比例减压阀来达到流量压力的控制，通过这一控制方法，能够单独过连续控制推进力和速度，减轻压力与能量的损失，从而完成节能的目标，并增强系统运作的效率。

二、推进系统分组联合控制理论

在施工过程中，盾构机通过推进系统来对液压缸推进力和速度进行控制，以此来调整盾构机的各种姿态，对其掘进时碰到的土层阻力进行控制，确保土压平衡，纠正前进路线。由于盾构机属于大型机械，多在极端情况下进行工作，需要极大的动力，其有很多推进液压缸，若是单独控制每一个液压缸，会导致变得较为繁琐，控制成本大大增加。所以，在控制诸多的液压缸时，通常选择发散分布，即分为顶、左、低、右等区。盾构机在俱进过程中经常受到不均匀、梯形分布的压力，上部承受的压力要小于下部。因此，分区控制液压缸时，上部的液压缸数量要少于下部。通过分组联合控制，可以确保系统的运行，在调整姿态和行进路线的同时，一方面大大降低了系统的复杂程度，另一方面也减少了控制成本。

三、控制技术

在掘进中为确保盾构机的土压平衡，通产会选择一下控制方式：

1）排土量控制：这一方式是按照不同土压，来控制排土量。通过幵挖面土层压力的监测，对螺旋输送机输出速度进行适当调整，以此来对开挖面土压平衡进行控制。

2）进土量控制：这一方式是按照土压变化对盾构机的推进进行控制，以此让土压实现平衡。

不管采取那种方式，都和系统推进压力和速度息息相关。在设计中，仅凭借普通压力阀与流量阀很难对压力和流量进行控制，并且也会对系统能力造成很大损失。在本设计中，选择了比例变量泵与比例减压阀来控制压力与流量。其能够和液压缸和内置位移的传感器构成闭环控制，以此来促进系统动态性能的增强。

四、推进系统的液压原理

由于盾构机在推进液压系统选择的是分区控制，并且其分区控制原理是一样的。

下面就详细介绍了推进液压系统中各模块液压原理图。

3.1动力单元

台泵构成了动力单元，其驱动方式为串联。主泵选择比例变量泵，主要是担任高压低流量液压油的推进任务，在推进下，操作手利用主控室电位计旋钮对变量泵斜盘摆角进行控制，进而控制其推进速度。副泵选择双联叶片泵，主要负责系统的补油。推进的模式共有推进模式与管片拼装模式。换向阀左位带电，系统片拼装模式的最大压力为溢流调节系统一级切断压力。换向阀右位带电，推进模式的最大压力为溢流调节系统二级调节压力。

3.2控制方式

推进液压系统的控制方式为二通插装阀，这一控制方式能够更好的控制高压、大流量液压、油液压系统，从而符合推进油杆的快速移动，增强工作效率。在推进过程中，换向阀右侧的电磁铁带电时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。系统的液压油液向无杆腔的进油需通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回归油箱，在返回时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。系统的液压油液向无杆腔进油需要通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回到油箱，迅速进行退回。

五、推进系统的计算选型

结合盾构机施工情况以及推进系统的实际：共有20个推进液压缸；推进液压虹行程为1500mm；推进速度为0-60mm/min范围内无级可调；14240kN为最大总推力；34MPa为最大工作压力。

5.1液压虹尺寸选择

根据上述公式得出，回退速度符合系统要求。

七、结语

本文介绍了盾构机推进系统的设计，如原理图、控制方式以及计算选型，最后设计出通过比例减压阀控制系统推进压力，通过比例变量泵控制系统推进速度的液压系统。最后并对液压系统进行校核，结果表明，所选的液压元器件符合系统的要求。

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