盾构机刀盘驱动液压系统设计（1）

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盾构机是专用于地下隧道工程挖掘的技术密集型重大工程装备。盾构法以其施工安全可靠、机械化程度高、工作环境好、进度快等优点广泛用于隧道施工中，尤其是在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。

盾构机刀盘驱动系统是盾构设备的关键部件之一，是进行掘进作业的主要工作装置。盾构的刀盘工作转速不高，但由于刀盘直径较大而且施工地质构造复杂，要求刀盘驱动系统具有功率大、输出转矩大、输出转速变化范围宽、抗冲击、刀盘双向旋转和脱困等功能，同时，在满足使用要求的条件下，具有减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘驱动系统还必须具有高可靠性和良好的操作性。

为了适应复杂多变的地质条件，刀盘驱动系统可采用液压驱动、变频电机驱动和双速电机驱动3种形式。通常大直径隧道掘进机要求的转速高，宜选择电驱动(变频电机驱动和双速电机驱动)，以获得良好的特性曲线。中、小直径的软土隧道掘进机通常要求速度较低，扭矩较大，宜选用液压驱动。

    1  液压传动原理及回路设计

刀盘驱动液压系统采用变量泵一变量马达闭式容积调速回路，系统主泵采用两台用于闭式回路的斜盘式双向比例变量柱塞泵，主泵同时集成了补油泵、闭式回路控制回路和主泵变量控制回路。系统的马达采用一台轴向柱塞变量马达，变量液压马达通过变速箱与小齿轮驱动主轴承大齿轮，带动刀盘产生旋转切削运动。驱动装置可以实现双向旋转，转速可以在0~9.8 r／min范围内无级可调，还可实现刀盘脱困功能。

1)刀盘转速控制和旋转方向控制

主泵的变量形式为电液比例变量，如图78所示，泵的输出流量可以根据输入比例电磁阀电信号的大小实现无级可调，从而满足刀盘旋转速度的变化要求。电液比例控制的结构比较复杂，但可控性能好，可组成不同形式的反馈。刀盘驱动系统主泵的变量机构采用调节器设定泵的流量从而调节马达的转速，通过马达转速传感器反馈刀盘马达实际转速，如果与给定信号产生偏差，利用偏差信号改变泵的排量使刀盘马达转速与设定值相同。刀盘正向旋转时，比例电磁铁a通电，比例换向阀左位工作，液压泵正向输出油液，伺服缸右腔压力推动伺服缸活塞左移，活塞杆推动变量机构改变柱塞泵的斜盘倾角，改变泵的排量，从而改变液压泵的输出流量。当比例电磁铁a电流增加时，比例换向阀的阀芯与阀体开口增大，通过阀的压力降减小，伺服缸右腔压力增高，活塞继续左移，斜盘倾角增加，主泵输出流量增加。比例电磁铁a、b都不带电时，泵不输出流量，马达停止转动。为了克服盾构机在掘进过程中的滚转现象，保持盾构机的正确姿态，必须通过刀盘反向旋转来调整，马达反转时，使比例电磁铁b带电，液压泵反方向输出流量，并随着输入电流的增加而流量增大。因此，通过控制比例电磁铁a、b通电状态可以实现刀盘的双向旋转，控制比例电磁铁输入电流的大小，实现刀盘转速的调节。

1．主泵2．二位三通换向阀3、4．溢流阀5．蓄能器

图78 主泵工作原理图

注：转载请与作者联系授权，作者：广州市新欧机械有限公司黄志坚教授