盾构机液压系统原理

盾盾构构机机 液液压压系系统统原原理理 一一 液液压压系系统统原原理理 盾构机的绝大部分工作机构主要由液压系统驱动来完成 液压系统 可以说是盾构机的心脏 起着非常重要的作用 这些系统按其机构的工 作性质 可分为 1 盾构 机液压推进 及铰 接系统 2 刀盘切割旋转 液压 系统 3 管片拼装机液压系统 4 管片小车及辅助液压系统 5 螺旋输送机液压系统 6 液压油主油箱及冷却过滤系统 7 同步注浆泵液压系统 8 超挖刀液压系统 以上 8 个系统除同步注浆泵液压系统在1 号拖车 超挖刀液压系统在 盾壳前体为两个独立的系统外 其余6 个液压系统都共用一个油箱 并安装在 2 号拖车上组成一个液压泵站 有的系统还相互有联系 下面就 分别介绍一下以上8 个液压系统的作用及工作原理 一一 盾盾构构机机液液压压推推进进及及铰铰接接系系统统 1 盾构机液压推进 1 盾构机液压推进系统的组成 盾构机 液压 推进系统 由液压泵站 调速 调压机构 换向控制阀组及 推进油缸组成 30 个油缸分 20 组均布的安装在盾构中体内圆壁上 见 图 并分为上 下 左 右四个可调整液压压力的区域 为盾构机前进提 供推进力 推进速度 通过调整四个区域的压力差来实现盾构机的转弯调向 2 及 纠偏功能 铰 接系统的主要作用是减小盾构机转弯或纠偏时的曲率半径 上的直线段 从而减少盾尾与管片 盾体与围岩间的摩擦阻力 2 推进系统液压泵站 推进系统的液压泵站是由一恒压变量泵 1P001 和一定量泵 1P002 组成的双联泵 功率为75KW 恒压变量泵为盾构的前进提供 恒定的 动力 恒压泵的 压力可通过油泵上的电液比例溢流阀 A300 调整 流量在0 qmax范围内变化时 调整后的泵供油压力保持恒定 恒压 式变量泵常用于阀控系统的恒压油源以避免溢流损失 3 由恒压变量泵输出的高压油分别 送达 A B C D 四组并联 的推进 方向控制阀组 经过阀组的流量 压力调整和换向后再去控制推进油缸 从而使推进油缸的推进速度 推力大小及方向得到准确控制 因每组油 缸的控制原理都一样 下面就以B 组中的第一个油缸控制为例 介绍其 作用和工作原理 油泵输出的高压油经高压管路由B 组的 P 口进入 一路径F1 过 滤 A111 流量调整 A101 压力调整 经电液换向阀进入推进 油缸 缸的快进快退 提高工作效率 A783 控制的插装阀 A403 为推 进油缸底端预卸荷阀 阀组中还有液控单向阀 载荷溢流阀 以及 A256 压力传感器和油缸行程传感器 四组 阀组中的电液 换向 阀的液控 油由定量泵 1P002 经减压阀 1V034 提供 4 2 铰接装置 工作模式 分三种 铰接装置的动力来源于推进系统的液压泵站中的定量泵 1P002 铰接装置的加载和卸载由 A349 两位两通电液阀控制 1 铰接回收 PULL 或 RETRACTION 模式 减小铰接间 隙 定 量泵输送来的高压油从阀快 2C001 P 口进入 此时 H001 不得电截止 H002 得电导通 高压油进入铰接油缸的 有杆腔使铰接油缸回收 2 铰接保持 HOLD 或 FREE 模式 浮动模式 该模式下 H001 H002 都不得电 截止 铰接油缸有杆腔的油被封闭 油量保 5 持不变 被封闭的油在 所有相互 并联的有杆腔内 互相 补偿 直线 推进时 保持铰接间隙 转弯时处于浮动状态 3 铰接释放 RELEASE 或 LOOSE 模式 伸长模式 当 H001 得电导通 H002 无电截止时 铰接油缸有杆腔 的油 接通 低压 在盾构机推进时 因盾尾的阻力使铰接油缸被拉长 达到增大铰接间 隙的目的 该油路中还设有负载溢流阀 V2 压力传感器 H005 及铰接间隙长度传感器 另外可以通过 2V003 2V004 的导通和 截止达到铰接保持和铰接释放功能 但当 2V003 2V004 两个 阀的 截止 在铰接油缸有杆腔的压力过高时 盾构机推进时 盾尾如果被卡住 因无压力传感器的压力显示和载荷溢流阀的溢流 可能会使铰接油缸损坏 或油管爆裂 6 二二 刀刀盘盘旋旋转转液液压压系系统统 刀盘旋转系统可分为补油回路 主工作回路 外部控制供油泵 主泵外 部控制回路 马达外部控制回路 刀盘旋转系统是为刀盘切割岩石或土壤时 提供转速和扭矩 要求根据岩石地质的变化转速能够方便的调整 为了得到 较大的功率和扭矩 该系统采用3 台 315KW 的双向变量液压泵并联 带 动 8 台双向两速低速大扭矩液压马达 下面分别介绍各回路的作用及工作原 理 补油回路 因主工 作回路是闭式回路 加 之系统功率大 需要进 行补油 和散热 所以设 置了一套补油回路对其 进行补油和散热 为增 大散热效率 补油回路 采用了 55KW 低压大 流量的定量泵来带走闭 式回路中的大量热量 同时也对其进行了补油 补油泵从油箱泵出的油 经两个滤清器 1F001 1F002 进 入 3 个主泵的 E 口 并通过两个单向 阀分 别对闭 式回路的低压端进行补油 然后经主泵的高压端为液压马达提供 动力油 从马达返回的携带热量的低压油又回到主泵 一部分又进入主泵的 高压端 一部分经排放阀从主泵的K1 口流出 并经一节流阀流回油箱进 行冷却 补油回路中还设有蓄能器和压力传感器 蓄能器是保证回路的压力 平稳 主工作回路由主泵和液压马达组成 主泵是一315KW 的双向变 量泵 在主泵的主回路中有补油单向阀 载荷溢流阀 及低压排放阀 主 泵的控制回路有主泵斜盘伺服油缸及双向伺服控制阀 司服阀由外部控制 7 回路调 压控制 以便实现换向和无级调速 两个补油单向阀分别向低压 侧进 行补油 另一个带弹簧符号的单向阀是当两侧回路都较高或相等 时 如 主 泵斜盘角度为0 时 补油直接通过它 并经节流阀 1Z017 返回油箱 载荷溢流阀当载荷过大时使过高的压力油泄至低压 侧 以达到保护系统不受损坏 排放阀用于闭式系统多余的热油经低压侧 排放回油箱 节流阀 1Z017 是保证排放出的压力油与油箱之间形成约 20bar 的压差 主泵控制回路用于控制其斜盘的 角度 以实现刀盘的正反转及转速 的无级调整 外来控制油经换向阀 1V002 到达司服阀的左右端 使司 服油缸的无杆腔进油和排油来实现活塞杆的左右移动 从而完成斜盘角度的 控制 外来控制油是通过外部控制回路中的电比例溢流阀 B006 提 8 供 调整范围0 45bar 马达回路含有司服油缸 司服阀及低压排放阀 司服阀由主回路压力及外 部控制回路控制 当 马达外载荷增大时 主回路高压侧的油压 随之升高 高压油经 过单向阀 一路到达 司服阀左 端 使司服 阀右移 一路到达司 服阀 P 口经减压阀进 入司服油 缸无杆腔使 斜盘角度 增大 从而 降低转速 增加扭矩 外部控制 回路由控制 油泵提供 控制油压 当无控制 油压时 马 达处于高 速档 当外 部提供油 压时 司服 阀右移 使马达处于 低速档 从而实现了 两速控制 外部控制供油泵 2P001 控制油 泵是一台 5 5KW 的 恒压变量泵 泵中的 两个司服阀 上面一个 与溢流阀 联合控制泵 的压力 下面一个以 控制流量 为主 B040 为加 载电磁 9 阀 该泵的油 通过滤清器 2F001 向刀盘旋转系 统的主泵和液 压马达 以及螺旋输送机的控制回路供油 一路去旋转主泵回路的控制阀 一路 去旋转 马达控制阀 另两路 去两台螺旋输送机的主泵控 制阀 进入旋转主泵控制阀的油经节流和减压后在经电液比例溢流阀 B006 向旋转主泵司服阀提供0 45bar 的可变压控制油压 以实现转速 的无级调整 另外从主泵P 口 H88 和梭阀 V030 H92 反馈到控制阀 2C003 并汇集到两 组溢流阀和载荷感知阀 两组溢流阀由手动两位 四通 阀转换 正常工作 时使用左边溢流阀 增 大扭矩时使用右边溢流 阀 只能短 时间使用 手动阀自动回位 感知 阀是在扭矩突然增大时 反馈的油压将 减低其 溢流压力 使控制主泵 伺服的压力降低 从而 减小 主泵斜盘角降低刀 盘转速 进入旋转马达控制阀P 口的油经节流阀 M10 又分两路 一路经 10 减压阀 两位四通电磁阀 B032 到 H86 旋转马达控制马达的高低 速 另一路经减压阀 两位四通阀 B033 单向节流阀 去控制 马达 1A002 的刹车 1G002 在 1A002 马达上装有旋转 方向传感 器 1S026 B035 马达高低速传感器 1S025 B038 和油 温传感器 1S023 B050 在刹车回路中设有蓄能器 2C002 与单向节流阀 一起保证了刹车时的快杀慢放 三三 管管片片拼拼装装机机液液压压系系统统 为了提高管片的拼装效率及避免拼装中的管片损坏 要求系统要有一定 的速度 准确的移动位置精度 足够的活动自由度及可靠的安全度 速度由 一 55KW 的双联恒压变量泵提高的流量控制 精度靠电液比例司服阀控制 自由度有 管片的 左右旋转 提升 可左右分别提升 及同时提升 前 后水平六个自由度 并有管片的抓 紧 及绕抓举头水平 微转 前后微倾的 微调 功能 55KW 的双联 恒压变量泵为拼装 机提供动力 当用 快速档时 双泵 同时工作 低速档 时 只 1P002 工作 加载阀 C003 C004 由 PLC 控制 根据拼装 机的工作速度可 对其进行分别 控制或同时控制 旋转控制 油泵输出的高压油一路经减压阀 DM 减至 30bar 到 达电液比例阀然后控制司服阀以达到控制流量来控制马达旋转速度 各阀的 11 功能如下 DM 为控制油减压阀 DBV2 为控制油溢流阀 DBV1 与插 装阀组成主溢流阀 进入司服阀前的减压阀经DUE4 DUE7 节流阀后 的反馈油控制 以达到动作启动时的平稳 D1 D4 为反 馈油溢 流阀 F1 DUE2 是停止动作时起泄油的作用 经控制阀控制后压力油分别进入两个并联的回转马达 高压侧的油一路 经减压阀 1V001 减压后去控制刹车 减压阀旁的单向阀起回转停止时 刹车的泄油回路 进入马达的油先经平衡阀 此阀进油时不起作用 驱动马达旋转 马达出来的油进入下一个平衡阀 该阀在进油有一定压力后 经 X 口其慢慢打开回油通路 并保证一定的背压 避免马达因惯性吸空 当旋转惯性过大时平衡阀右边的压力会增加 使阀芯左移以减少回油来减小 12 惯性产生的转速 当回油压力增大到最大设定值时平衡阀中的溢流阀工 作 避免了液压元件被损坏 水平移动的控制与回转控制一 样 从控制阀出来的油经平衡阀 1C004 进入水平移动油缸 控 制油 缸的前后移动 提升控制 控制阀原理与回转 控制相同 但在司服阀反馈油出口 处只在 提升回路中设置了节流阀 下降反馈口没有设置 其目的是为 了较 快的提高司服阀进口处减压阀 的减压压力以增加下降时的反应速 度 同时也反映一个功率平衡问题 两个提升油缸即可以单控 也可以 同时控制 所以有两套单独得司服 控制 阀 从控制阀出来的压力油 先通过一个两位两通随动阀进入提升油缸 当达到一定压力后 油缸出 油口的两位两通随 动阀在进口压力的推动下打开 导通回油通道形成回路 13 反之亦然 管片抓紧控制 压力油经减压阀减压 在经三位四通电磁换向阀换向 经液压锁 单向节流阀 B 口端还有溢流 阀 抓紧时 从A1 口出来的 油经过抓举 油缸进口处的液压锁进入抓举缸的有杆腔 当达到设定的抓 紧力 时油缸 旁的溢流阀溢 流 并使油缸旁的两位两通阀换向 切断 通往 压力开关 1S001 的油 压 使压力 开关信号改变 只有当压力开关的信号改 变后 拼装机才有其他动作 否则视为管 片没有抓紧不安全 管片机不 能动作 松 管片时 B1 口的压力油进入抓 举缸的无杆 腔 一路打 开油缸边上的液压 锁 使活塞 下行 控制阀中的液压锁是保持活塞位置 的 单向节流阀是调整活塞动作速度的 溢流阀是起 安全作用的 14 水平微动和倾斜微动控制与抓举控制原理相 同 四四 管管片片小小车车及及辅辅助助液液压压系系统统 辅助油泵为一22KW 的恒压变量泵 原理 与刀盘旋转系统得控制油泵相同 输出的压力 油分别控制管片小车链条涨紧油缸 管片小车 上的前送油缸 管片输送举升油缸 后配套拖 车牵引油缸及螺旋输送机闸门 链条涨紧控制 压力油从P 口进入控制阀 经减压阀 三位四通电磁 换向阀 液压锁达到油缸 管片前送控制阀 与管片抓举控制阀 相同 但回路中多一组流量再生阀 1C004 注 据说此阀实际中不能使 用 输送举升控制阀 控制阀原理与抓举 控制阀相同 为使四个举升缸同步 回 路中设置了一组流量分配器 该分配器 原理其实就是齿轮泵工作原理 四个型 号参数一样的泵并联在一起同轴旋转 因转速也一样 所以四个泵排出的流量一样 使进入四个举升缸的流量保 15 持一样 活塞的行程也相同 四个回路采用一个负载溢流阀 后配套牵引控制阀 控制阀原理同抓举控制阀 只是牵引缸无杆腔的油 不通过控制阀 直接回油箱 有杆腔回路中装有压力传感器 螺旋机闸门设置与螺旋机配置的数量有关但差别不大 都有两个闸门 一级螺旋机出口的闸门控制结构和原理都一样 单螺旋机有前闸门 双螺旋 机没有 但双螺旋机的二级螺旋机有出口闸门 一级螺旋机出口闸门 来自辅助泵的压力油经减压阀 三位四通电磁换 向阀液压锁到达闸门油缸 控制闸门的开闭 闸门开闭的大小由长度传感器 K011 给出信号 开口最大和关闭由两个位置传感器 K012 K013 提供信号 回路中装有一液压蓄能器 当出现紧急情况时 如停电时 靠蓄能器里的压力自动关闭闸门 当然要在左边的球阀开启 时 右边的球阀是卸压时打开 二前闸门和二级螺旋机出口闸门相同 其控制原理都与管片抓举控制阀 一样 五五 螺螺旋旋输输送送机机液液压压系系统统 16 螺旋输送机分单螺旋输送和双螺旋输送 无论是单还是双 其系统 原理 都一样 双螺旋采用的还是两套独立的控制系统 下面就介绍一 套系统 螺旋输送机主泵回路和液压马达回路与刀盘回路原理一样 只是 补油 泵为内置式 除给系统补油外 还给泵控回路提供控制油压 并设 有一补油 顺序阀来保证控制油的压力 另有一梭阀给压力传感器 K005 提供 高压侧的油压 液压马达回路减速器 1G001 1G002 由 55KW 的刀盘 旋转补油泵提供的 液压油对其进行冷 却 马达上装有转 速传感器和油温 传感器 螺旋机主泵控制回路由伺服阀 伺服油缸及调压阀组成 伺服阀由外部 控制阀 1C005 控制 调压阀分A B 两路经梭阀 1V017 汇集到溢 流阀 1V018 进行调整 伺服阀动作 时带动伺服油缸活塞移动 从而使 斜盘角增大 泵流量增加 当外载荷大时系统压力就会随之增大 当系 统压 力超过调定值时 相对于高压侧的两位三通随动阀上移 如 当伺 17 服阀 X1 端供油时 伺服阀移至右位 伺服缸有杆腔进油 无杆腔回油 至低压 伺服活塞右移泵斜盘角增大 A 路为高压侧 当 A 路压力超过 调定 值时 此时左边一个随动阀上移 控 制油 压与伺服 油缸无杆腔 接通 因有 杆腔 和无杆腔的压差关系 使伺服活 塞左移 泵斜盘角减小 A 路压力 下 降至回路压力调定值 当X2 端供油时 伺服阀移至左位 控制油经两 个随 动 阀后进入伺服缸的无杆腔 有杆腔 为 常压油 因压差关 系 伺服活塞 左移泵斜盘角反方向加大 B 路为高 压侧 当压力超高时右边一个随动阀上移 伺服缸无杆腔与低压回路接 通 伺服活塞右移 泵斜 盘角减小 B 回路降至设定压力值 控制回路 控制油由5 5KW 控制泵提供 来至控制泵的控制油从控制 阀 P 口进入经溢流阀限压后 再由电磁比例调压阀调压 给油泵伺服阀提供 可变的压力油 来控制主泵的流量 从而达到无级控制马达转速的目的 控 制阀中还设有一载荷感知阀 回路中随载荷变化的压力经梭阀 1V024 送到控制阀的RHD 口调整感知阀上控制油的溢流压力 当载 荷增大时感知阀的溢流压力降低 从而使控制伺服阀的控制压力经梭阀 1V019 至感知阀降低 随之减小斜盘角 流量 转速 使载荷得到控制 六六 主主油油箱箱回回路路 主油箱包含 5000L 油箱 供油接口 回油接口 泄油接口 溢流接口 冷却过滤回路 油位传感器 油温传感器 供油接口 10 个 1 推进油泵 H01 2 铰接油泵 H002 3 旋转补油泵 H02 4 旋转控制油泵H03 5 管片拼装机 1 油泵 H04 18 6 管片拼装机 2 油泵 H05 7 管片小车及辅助油泵H08 8 螺旋输送机一级油泵H07 9 螺旋输送机二级油泵H016 10 注浆系统油泵H003 以上每路都有进油滤网 回油接口 6 个 1 推进系统 H136 2 旋转系统 H09 3 管片拼装系统 4 管片小车及辅助系统H03 5 注浆系统 H001 6 螺旋输送机系统H02 以上 6 路集中至 3 个滤清器过滤后回油箱 滤清器中装有堵塞传感器 泄油接口 6 个 1 推进系统 H137 2 旋转系统 H15 3 管片拼装系统H20 4 管片小车及辅助系统H04 5 螺旋输送机系统H01 6 注浆系统 H002 以上 6 路集中后直接回油箱 溢流接口 3 个 1 旋转补油泵 H71 2 旋转泵控阀 H07 3 螺旋输送机泵控阀H028 以上 3 路独立回油箱 冷却过滤回路 由一11KW 定量泵将油箱里的油泵出 经两套滤清器 过滤 再经过水冷式热交换器冷却后返回油箱 回路中有加载电磁阀 19 M006 压力表 滤清堵塞传感器 温度计 油位传感器有 高油位开关 低油位警报开关 低油位停止开关 油箱 油温传感器 七七 注注浆浆液液压压系系统统 注浆泵由液压泵 换向冲击波反馈旁路 速度控制回