（中鐵隧道局集團有限公司 設備分公司，河南 洛陽 471000）

盾構作為城市軌道建設、鐵路及公路隧道建設的主要施工機械之一，是集液壓、電氣、機械、激光導航、材料等多科學應用于一體的大型復雜裝備，隨著國內(nèi)地下交通的發(fā)展，盾構的數(shù)量急劇增加，盾構成為了國家重大裝備國產(chǎn)化與創(chuàng)新項目之一。

推進系統(tǒng)作為盾構的主要驅(qū)動系統(tǒng)之一，其穩(wěn)定性直接影響項目的安全和施工進度，一旦發(fā)生故障會導致盾構無法掘進、掘進速度慢、無法轉彎、盾體后退等不良后果。因此提高推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性、加快推進系統(tǒng)故障排查效率尤為重要。

1 土壓平衡盾構推進系統(tǒng)簡介

盾構推進系統(tǒng)工作模式分推進模式和拼裝模式，推進模式用于盾構向前掘進的過程，拼裝模式用于盾構拼裝管片的過程，兩種模式都用到推進泵及推進油缸的動作。推進油缸總共有32 根，分為A、B、C、D、E 5 組，每組推進油缸的控制閥塊原理相同。

推進系統(tǒng)由A4VSO125DRG/30R 型斜盤式軸向柱塞泵提供油源，其排量為125mL/r，原理圖如圖1 所示。V1 閥控制泵的工作壓力，V2 閥和V3 閥組成插裝溢流閥，限制泵的最高壓力，V4 閥控制泵的工作流量。推進系統(tǒng)推進模式和拼裝模式的切換會讓PLC 傳遞給推進泵泵頭V1 閥不同的電信號，拼裝模式時PLC 給V1 固定的電流，保證泵恒壓工作，推進模式時，測量油缸無桿腔壓力的壓力傳感器將測得的最大壓力信號轉化為電信號傳遞給PLC，然后PLC 給V1 閥根據(jù)負載變化的電流，從而實現(xiàn)泵頭壓力根據(jù)負載變化而變化，并且泵頭壓力始終要比最大負載壓力高25bar。

圖1 推進泵原理圖

推進油缸控制閥塊如圖2 所示，V8 閥和V9閥組成插裝換向閥，推進模式下，V8 閥斷電，V9 閥處于關閉狀態(tài)，液壓油僅從V6 閥進入系統(tǒng)；拼裝模式下，V8 閥得電，V9 閥處于開啟狀態(tài)，液壓油從V6 閥和V9 閥進入系統(tǒng)，V9 閥為大流量插裝閥，能夠?qū)崿F(xiàn)油缸的快速伸縮。V11 和V12 閥組成的插裝換向閥能夠?qū)崿F(xiàn)油缸的快速回收；V13 閥實現(xiàn)油缸的泄壓，防止油缸推進模式結束后回收時，管路由于高壓大流量液壓油沖擊導致油管和管接頭損壞；V14 閥限制油缸的最高壓力；V15 壓力傳感器將推進模式下該組推進油缸壓力傳遞到PLC 從而控制泵頭壓力，PLC 將五組推進閥組上的壓力傳感器測得的壓力進行對比，從而使泵頭壓力始終比五組推進油缸最大壓力高25bar。

圖2 推進閥組原理圖

2 推進系統(tǒng)故障排查案例分析

2.1 案例一

2.1.1 故障現(xiàn)象

土壓平衡盾構在刀盤接近掌子面時，推進模式剛啟動，D 組推進油缸壓力不受控制持續(xù)上升，A、B、C、E 組油缸壓力可以線性調(diào)節(jié)，D 組油缸壓力調(diào)節(jié)電位計旋到最小時，D 組壓力快速升到170bar 且有持續(xù)上漲的趨勢，此時由于推力過大導致反力架變形。

2.1.2 故障排查

根據(jù)推進系統(tǒng)的工作原理，A、B、C、E 組推進壓力可線性調(diào)節(jié)，故推進泵壓力調(diào)節(jié)正常，問題只會出現(xiàn)在D 組推進閥組上。檢查D 組推進閥組比例溢流閥、電位計、放大版均正常。

排除了壓力閥故障導致的壓力持續(xù)增高因素，那就要考慮流量因素導致的壓力持續(xù)增大，因為在容積腔體積不變的情況下液壓油體積持續(xù)的增加亦會導致壓力的持續(xù)上升。D 組推進閥組控制流量因素的閥有V6 比例調(diào)速閥以及V8 和V9 閥組成的插裝換向閥。首先將確定正常的A組比例調(diào)速閥與V6 閥調(diào)換，將D 組壓力調(diào)節(jié)電位計調(diào)至0 位，啟動推進模式，D 組壓力依然持續(xù)上升，而A 組推進閥組壓力可正常調(diào)節(jié)，說明V6 比例調(diào)速閥正常。

排除了V6 閥后，問題極有可能出現(xiàn)先V8 閥和V9 閥組成的插裝換向閥，由于V9 閥是大流量插裝閥，由于其結構優(yōu)勢，故障率較低，而V8閥是AS32060b 型換向閥，其彈簧腔會出現(xiàn)銹蝕導致彈簧卡死或者阻尼孔阻塞導致閥塊不能正常工作，故V8 閥故障的可能性較大。將確定正常的A 組AS32060b 型換向閥與D 組V8 閥調(diào)換，啟動推進模式后D 組壓力可正常調(diào)節(jié)，A 組壓力不受控而持續(xù)上升，說明問題出在V8 閥。

將V8 閥進行拆解，如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)V8 閥內(nèi)部油孔內(nèi)橡膠顆粒堵塞，經(jīng)過清洗后將V8 閥組裝，D 組推進油缸恢復正常工作。

圖3 V8閥塊拆解情況

2.1.3 故障原因分析

由于盾構推進系統(tǒng)所用的V6 閥為SEH 2-3/30F P-G24 型比例調(diào)速閥，其流量調(diào)節(jié)范圍0.2～30L/min，其結構其實就是比例節(jié)流閥和定差減壓閥，由于定差減壓閥的工作特性，所以要求推進模式下的推進泵工作壓力要比推進閥組最高壓力還要高約25bar，而拼裝模式下，液壓油大部分都是從V9 閥進入液壓缸，所以推進泵保持工作壓力恒定。

推進閥組所用的V7 閥為PMVP5-44 G24 型比例溢流閥，其壓力調(diào)節(jié)范圍為5～450bar，流量范圍為0～40L/min，其流量正常工作范圍包含了比例調(diào)速閥的正常工作范圍，所以推進模式下液壓油只能從比例調(diào)速閥進入液壓缸的原因有兩個，一是實現(xiàn)推進速度的可調(diào)性，二是防止進如入系統(tǒng)的液壓油流量超過V7 比例溢流閥的最大通流能力而導致壓力不可控。由于V8 閥閥芯卡死而一直處于右位工作，導致V9 閥一直處于常通狀態(tài)，此時進入D 組的液壓油未經(jīng)過V6 比例調(diào)速閥減壓和限流，而是直接通過V9 閥進入D 組推進閥組。

盾構的推進泵為A4VSO125DRG/30R 型斜盤式軸向柱塞泵，現(xiàn)假設泵輸出壓力為P，V1 比例溢流閥的設定壓力為P1，V4 閥彈簧力為PK，當P＜P1+PK，V4 閥處于右位工作，泵輸出液壓油進入V5 伺服缸的有桿腔，無桿腔與油箱聯(lián)通，泵排量增加；當P=P1+PK，泵輸出流量恒定；當P＞P1+PK，V4 閥左位工作，泵輸出液壓油進入V5伺服缸有桿腔和無桿腔，泵排量減小。根據(jù)泵的工作原理，推進模式啟動過程中泵的壓力和流量變化過程如下。

盾構推進模式啟動前（推進泵已啟動）

泵的排量等于泵的泄流量。

推進模式啟動瞬間

則P＜P1+PK，此時泵的排量增加。

推進模式啟動后：隨著推進系統(tǒng)容積腔液壓油的逐漸補充，泵出口壓力P逐漸增大。由于液壓油進入到D 組推進油缸時未經(jīng)過比例調(diào)速閥減壓作用，而是通過大通徑V9 閥直接進入到D 組油缸，則PD與推進泵出口壓力P的壓差ΔP小于25bar，其他4 組油缸都經(jīng)過比例調(diào)速閥的減壓作用，此時D 組推進油缸壓力PD為5 組推進油缸最大壓力，即

而系統(tǒng)控制要求P1=P最大負載+25bar

即P1=PD+25。

則P＜P1+PK，泵的排量增加到最大且一直以最大排量工作。

泵輸出的最大流量約187L/min，A、B、C、E 組4 組由于比例調(diào)速閥的作用導致最大通流能力為120L/min，剩下的67L/min 的流量全部進入D 組推進閥組，由于D 組的比例溢流閥最大通流能力為40L/min，無法將多余的液壓油泄掉，D 組壓力PD增加，而PD增加的同時，泵頭比例溢流閥的設定壓力PD增加，從而導致推進泵輸出壓力增加，泵輸出壓力增加導致D 組推進油缸壓力PD增加，與此往復導致D 組推進油缸壓力PD不受控制持續(xù)增加。

2.2 案例二

2.2.1 故障現(xiàn)象

某型號盾構剛始發(fā)，拼裝模式下伸縮推進油缸時，推進泵有異響且振動偏大，油缸不動作時，推進泵運轉的聲音、振動正常。

2.2.2 故障分析

推進油缸不動作的時候，推進泵的輸出流量為泵的泄漏量，推進泵無異響，說明推進泵內(nèi)部元件的機械結構無異常。推進油缸動作的時候，推進泵異響且振動偏大，說明泵的異響和振動異常是在泵吸油過程中產(chǎn)生的。通常泵吸油過程產(chǎn)生異響和振動的原因有3 個。

1）泵泄漏油壓力過高 對于柱塞泵而言，泄漏油壓力過高不僅會導致軸封損壞，還會導致柱塞泵運行不平穩(wěn)產(chǎn)生噪音與振動。柱塞泵在吸油過程中，柱塞滑靴面為泄露油壓力，柱塞另一端為吸油壓力，當泄漏油作用到柱塞上的力大于吸油作用在柱塞上的力，滑靴與止推板脫離，當運行到高壓區(qū)時，在高壓油的作用下，柱塞滑靴會與止推板貼合，在泵的高速運轉下就會造成脫缸和撞擊，產(chǎn)生振動和噪音。造成泵泄漏油壓力高的原因有以下兩種：①油箱泄漏油管路裝有濾芯；②泵泄露油管偏細。

2）泵吸油口的真空度偏大 柱塞泵的吸油口真空度過高時就會導致泵吸油不暢，柱塞吸油端負壓過大，引起柱塞泵脫缸與撞擊。造成泵吸油口真空度偏大的原因有以下幾種：①泵與油箱間的吸油濾芯堵塞或過濾精度過高；②油箱的空氣濾清器堵塞；③泵吸油管、管接頭通經(jīng)偏小或吸油管路過長；④吸油截止閥未完全打開；⑤液壓油粘度過高；⑥泵配油盤定位角度有偏差。

國道318線林拉公路改建工程米拉山隧道左洞順利貫通。米拉山隧道是國道318線拉林高等級公路重點控制性工程，全長5720米，右洞已于今年6月貫通。該隧道是雙線分離式隧道，按照雙向四車道標準建設。米拉山隧道的貫通將為拉林公路如期建成通車打下堅實的基礎。

3）泵吸進去的油中混有空氣 當氣泡隨著液壓油進入到高壓區(qū)時，氣泡在高壓油的作用下破裂，氣泡原來所占據(jù)的空間形成真空，周圍的液壓油在填補此空間時相互碰撞產(chǎn)生振動和噪音。造成液壓油混入空氣的原因有以下3 種：①油箱液位過低；②回油管未浸入最低液位一下導致大量氣泡產(chǎn)生；③吸油管路密封不嚴。

2.2.3 故障排查

先從泄漏油壓力高的角度考慮，經(jīng)過排查，推進泵的泄露油管并未裝濾芯，且推進泵的泄漏油管并未拆卸，所以泄露油壓力高的因素可以排除。

隨后從泵體內(nèi)液壓油進空氣角度考慮，經(jīng)檢查油箱液位正常且其他泵工作正常，所以泵體內(nèi)液壓油進空氣可能性排除。

最后從吸油口真空度的角度考慮，由于推進泵使用過一段時間并且未拆解過，所以泵配油盤安裝因素可以排除，由于其他其泵的工作正常，所以液壓油粘度偏高因素和油箱空氣濾清器堵塞因素可以排除。檢查推進泵吸油截止閥，該截止閥完全打開，故吸油截止閥未完全打開因素可以排除。

將油箱中的液壓油放出，取出推進泵的吸油濾芯，發(fā)現(xiàn)該濾芯表面局部變形且顏色偏暗，而其他濾芯色澤偏亮，很明顯該濾芯是舊濾芯。換上符合要求精度的濾芯后，啟動推進泵并伸縮油缸，泵聲音和振動情況恢復正常。

3 結論與建議

3.1 結論

導致液壓系統(tǒng)故障的原因有很多，排查過程也比較繁瑣，導致同一種故障現(xiàn)象的原因有很多種，在排查液壓故障時首先要了解液壓系統(tǒng)的設計原理及元件的選型參數(shù)，建立清晰的故障排查思路，開拓思維，壓力故障現(xiàn)象不一定是壓力元件導致的，液壓元件的振動和異響不一定是液壓元件本身的機械結構異常導致的，在排除液壓故障時要綜合考慮壓力、流量、元件型號、電氣等因素，才能更加快速有效的找到故障點并進行排除。

3.2 建議

1）液壓元件都是精密元件，一定要保持油液清潔，定期做油液檢測、定期保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常，及時處理，以免影響正常掘進或產(chǎn)生安全隱患。

2）推進系統(tǒng)的拼裝模式切換閥（圖2 中V8閥）和推進油缸快收閥（圖2 中V11）選用相同型號的液壓閥，這兩種閥工作原理及工況接近，在V8 閥故障時可以用V11 閥替代，這樣可以很大程度加快項目生產(chǎn)效率，減低掘進安全風險。