倪鵬 馬俊江 張林 馬世佳

（秦皇島天工重工有限公司，河北秦皇島 066000）

0.引言

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸、地下工程、水利工程以及市政建設(shè)等的需要，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)已成為隧道施工過程中不可或缺的掘進(jìn)設(shè)備。地底固化石塊、泥沙經(jīng)刀盤切削后，通過刀盤開口，被壓進(jìn)土艙，推進(jìn)油缸持續(xù)推進(jìn)，使土艙內(nèi)土壓增高，土壓到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)后，為保證設(shè)備持續(xù)掘進(jìn)，需要將多余泥土外排，螺旋輸送機(jī)即為盾構(gòu)設(shè)備內(nèi)的排土裝置。為滿足不同隧道管徑施工要求，節(jié)約盾構(gòu)機(jī)新機(jī)制造成本，盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑、縮徑改造，已成為盾構(gòu)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)熱點(diǎn)。擴(kuò)徑后的盾構(gòu)機(jī)在保證掘進(jìn)速度不變條件下，導(dǎo)致螺旋機(jī)出土量增大，螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)為液壓驅(qū)動(dòng)，本文重點(diǎn)介紹日立φ6150mm盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑至φ6550mm后，螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.原φ6150mm螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理及參數(shù)

（1）φ6150mm螺驅(qū)液壓原理，如圖1所示。

圖1 φ6150mm螺驅(qū)液壓原理

（2）φ6150mm主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 φ6150mm主要技術(shù)參數(shù)

2.φ6550mm螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

2.1 馬達(dá)參數(shù)計(jì)算及選型

結(jié)合擴(kuò)徑后現(xiàn)場施工工況及螺旋機(jī)出土排量，在達(dá)到最大出土量時(shí)，螺旋機(jī)額定轉(zhuǎn)速：20r/min，額定扭矩T1：210kN·M。

傳動(dòng)比I=6.9保持不變，計(jì)算可得，馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速：nm=20×6.9=138r/min，馬達(dá)額定扭矩：Tm=210/(6.9×0.95)=32kN·M，0.95為齒輪機(jī)械效率。

根據(jù)馬達(dá)額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速、額定壓力要求，選用2臺(tái)赫格隆馬達(dá)，CA70，單臺(tái)性能參數(shù)：滿排量：4400ml/r，扭矩：70Nm/bar，即系統(tǒng)壓力達(dá)到23MPa時(shí)，輸出扭矩：16.1kN?M，額定轉(zhuǎn)速：180r/min，額定壓力：35MPa。該馬達(dá)自帶全排量/半排量切換功能，電氣系統(tǒng)可根據(jù)螺旋機(jī)系統(tǒng)工作壓力，手自切換全排量/半排量，用于控制螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，即螺驅(qū)低工作壓力（低扭矩）運(yùn)行時(shí)，使用半排量控制，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速（大排量）運(yùn)行，螺驅(qū)高工作壓力（高扭矩）運(yùn)行時(shí)，使用滿排量控制，轉(zhuǎn)為低轉(zhuǎn)速（小排量）運(yùn)行，選擇此馬達(dá)控制方式，可在保證盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)條件下，節(jié)約設(shè)備制造成本和設(shè)備安裝空間。

2.2 液壓泵參數(shù)計(jì)算及選型

因2臺(tái)馬達(dá)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，為半排量控制，經(jīng)公式計(jì)算，得出液壓系統(tǒng)最大工作流量：Qm=(nm×q半)/ηm×2=(138×2.2)/0.95×2=639L/min；

式中：ηm―馬達(dá)容積效率，ηm=0.95；q半―馬達(dá)半排量，q半=2.2L/r。

螺驅(qū)液壓系統(tǒng)選用雙泵供油，電機(jī)選用4P，轉(zhuǎn)速：nm1=1450r/min，原機(jī)液壓泵型號(hào)為伊頓PVWS-250，額定排量qp=250ml/r，額定輸出流量：

Qp=nm1×qp×ηp×2=1450×0.25×0.95×2=688L/min ；

式中ηp―液壓泵容積效率，ηp=0.95；PVW2-250雙泵供油可滿足馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速流量需求。

2.3 電機(jī)參數(shù)計(jì)算及選型

單臺(tái)泵所需最大輸出流量：Qm1=320L/min，系統(tǒng)最高工作壓力Pm=23MPa，液壓泵實(shí)際輸出功率：N=(Qm1×Pm)/60=(320×23)/60=122.7kW；

電機(jī)輸出功率：Nd=N/(ηp×ηj)=122.7/(0.95×0.95)=136kW；

式中ηj―液壓泵機(jī)械效率，ηj=0.95；

因?qū)嶋H使用過程中，通過電氣程序約束，控制液壓泵不能同時(shí)達(dá)到最高工作壓力23MPa和最大流量320L/min，故選取電機(jī)功率：132kW。

2.4 液壓閥組重新設(shè)計(jì)制作

因液壓系統(tǒng)額定流量由原487L/min增至640L/min，原液壓閥組通流量已不能滿足系統(tǒng)使用需求，液壓閥組選用插裝式集成閥組，重新設(shè)計(jì)制作，并在回油口增加順序閥，保證馬達(dá)回油產(chǎn)生3MPa背壓。

新增電磁控制減壓閥組，通過控制電磁球閥得失電，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)全排量/半排量轉(zhuǎn)換功能。

3.φ6550mm螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理及參數(shù)

（1）φ6550mm螺驅(qū)液壓原理，如圖2所示。

圖2 φ6550mm螺驅(qū)液壓原理

（2）φ6550mm主要技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 φ6550mm主要技術(shù)參數(shù)

4.結(jié)語

此臺(tái)盾構(gòu)機(jī)經(jīng)工廠擴(kuò)徑改造后，已順利完成預(yù)定標(biāo)段的掘進(jìn)目標(biāo)，螺旋機(jī)系統(tǒng)在施工過程中運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)因傳動(dòng)扭矩低導(dǎo)致卡滯、旋轉(zhuǎn)異常等情況。