趙康峰，俞培德，趙云輝，趙 石

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構目前大量應用于隧道施工，其本身具備大負載、高精度、單向掘進的特點，其工作環(huán)境通風差、高溫高濕，該環(huán)境要求盾構穩(wěn)定性強、損壞率低。針對此特點盾構的冷卻系統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)雙系統(tǒng)設計，內(nèi)循環(huán)主要用于冷卻盾構關鍵零部件，如液壓泵站、主驅(qū)動電機減速機、主軸承、空壓機、變頻器等。內(nèi)循環(huán)水采用純水為主要冷卻介質(zhì)，避免了由于溫度變化導致的結(jié)垢現(xiàn)象，降低散熱部件損壞幾率。外循環(huán)采用以自來水為冷卻介質(zhì)的開式系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)水的熱量通過換熱器傳遞給外循環(huán)水，由外循環(huán)水帶出洞外，內(nèi)循環(huán)水與外循環(huán)水冷卻介質(zhì)無交集，保證了內(nèi)循環(huán)冷卻介質(zhì)的純凈。

1 系統(tǒng)設計介紹

1.1 理論依據(jù)

盾構在工作過程中，傳動部件的效率無法達到100%，其損失的效率將轉(zhuǎn)化為熱量，該熱量若無法及時散去，將會導致傳動部件的溫度持續(xù)升高，最終導致元件的損壞。散熱系統(tǒng)的目的是帶走傳動部件的發(fā)熱量，使盾構傳動部件維持在合適的工作溫度內(nèi)。

散熱分為輻射散熱、傳導散熱、對流散熱3種形式，工作環(huán)境不同、元器件工作形式不同，這3 種散熱方式占據(jù)總散熱量的比例也不同。

本文介紹的內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)屬于對流散熱。盾構內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)利用了熱對流的原理，一般設計中在計算內(nèi)循環(huán)水流量時，取內(nèi)水溫升為6℃，即內(nèi)循環(huán)水在單位時間內(nèi)溫度升高6℃需要的熱量與內(nèi)水系統(tǒng)冷卻部件在單位時間內(nèi)的發(fā)熱量相等。

式中Q水——循環(huán)水帶走的熱量；

Q發(fā)熱——元器件發(fā)熱量；

η——元器件工作效率；

C水——水的比熱容，取4 200J/（kg℃）；

qv水——水的流量，m3/h；

ΔT水——水的溫升，ΔT水=6℃。

1.2 流量計算

根據(jù)式（1），我們將水冷元件的功率、發(fā)熱量以及需要的冷卻水流量進行了匯總，如表1所示。

表1 盾構水冷設備需要冷卻水流量統(tǒng)計

該表中，空壓機將常壓空氣壓縮為高壓空氣，空氣壓縮過程中釋放大量的熱量，該熱量完全由循環(huán)水帶走，因此空壓機的效率取0；盾構在設計中，各元器件在計算能力時會取一定的安全余量，在使用過程中，各元器件不會以100%的功率運行，因此計算水流量時會把元器件負荷系數(shù)考慮進去；盾構掘進過程中，拼裝與推進不同時進行，計算液壓泵站功率排除了拼裝機泵功率；推進油缸、鉸接油缸、螺旋輸送馬達、液壓控制閥等液壓元件工作時會有一定的效率損失，該部分元件的功率在液壓泵站總功率中體現(xiàn)。為保證每個元器件有足夠的冷卻水，因此在設計中內(nèi)循環(huán)水留10%的余量。

1.3 壓力計算

1.3.1 管徑計算

根據(jù)管道內(nèi)流速常用值表，冷水管中水流速V=3～4m/s，主干管可以取大值。

式中d——管道內(nèi)徑。

由式（3）計算可得主管路通徑為103mm，根據(jù)現(xiàn)有的管路規(guī)格主干路使用?114×5mm 鍍鋅焊接鋼管，系統(tǒng)運行過程中主管路的流量逐級減少，在液壓泵站后，主管路改為DN80，管路規(guī)格為?89×4mm。

1.3.2 壓力損失

由于系統(tǒng)中分支較多，在計算泵理論揚程時，僅考慮主管道壓力損失，在主管路壓力損失的基礎上預留一定的安全余量，即為選泵的壓力。

如圖1 所示，將主管路分為LAB、LBC、LCD、LDE、LEF、LFG、LGH、LHA8 段。

圖1 盾構內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)

管路總阻力損失為H。圖中LAB、LBC、LCD、LDE、LEF、LFG、LGH、LHA為串聯(lián)關系，總阻力損失為各段阻力損失之和，即

根據(jù)管路特性曲線

式中K——阻力綜合系數(shù)。

式中γ——沿程阻力系數(shù)，與管路中流體雷諾數(shù)、管路相對粗糙度有關，可通過莫迪圖得出γ=0.024；

l——管路長路；

Σle——局部阻力當量管路長度。

根據(jù)式（5），列出各段的阻力損失如表2所示。

表2 內(nèi)循環(huán)水各段管路長度與流量

表2 中，LHA段包含板式換熱器，根據(jù)換熱的壓力流量曲線，在流量為117m3/h 時，壓力損失為0.5bar，內(nèi)水泵進口配置內(nèi)水罐，為防止水泵吸空，要求內(nèi)水罐的液位不低于0.3m，在計算LHA段的壓力損失時也考慮在內(nèi)。LDE段為主驅(qū)動電機減速機冷卻水，該段包含14 組類似并聯(lián)冷卻水段，并聯(lián)管路中壓損處處相等，因此在計算該段壓力損失時取單組電機減速機進行分析計算。

單組電機減速機冷卻水流量為30L/min，使用DN15 管路，內(nèi)徑為0.015m，管長15m，在管路上配置了進回水球閥與穩(wěn)流阻尼孔，孔徑為?7.5mm。

阻尼孔阻力損失分析：阻尼孔長度L=29mm，孔徑d=7.5mm，L=3.8d，屬于后壁孔口（外伸管嘴），查表可知孔口的阻力系數(shù)z=0.5，阻尼孔產(chǎn)生的壓力損失Δp1，由局部阻力公式

計算可以得出Δp1=0.42bar

管路阻力損失

管路當量長度l=15m，取沿程阻力系數(shù)λ=0.024，將數(shù)值帶入式（8），計算得出沿程阻力損失為1.8bar。

總阻力損失Δp為阻尼孔阻力損失與管路沿程損失之和，計算得Δp=2.22bar。

根據(jù)表1 和表2 計算結(jié)果，選取某品牌SHS80-200/300 臥式離心泵水泵，該水泵壓力流量曲線如圖2 所示。

圖2 水泵壓力流量曲線圖

2 現(xiàn)場內(nèi)水系統(tǒng)使用情況分析

針對內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)，對現(xiàn)場使用情況進了數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場統(tǒng)計的參數(shù)如表3 所示。

表3 設備運行過程中的參數(shù)統(tǒng)計

2.1 內(nèi)循環(huán)水流量分配

1）水泵流量 水泵出口的壓力為6.2bar，在水泵壓力流量曲線上取點可以得出水泵出口的流量近似為80m3/h。內(nèi)循環(huán)是閉式系統(tǒng)，根據(jù)流量守恒，排除內(nèi)循環(huán)水因為溫度變化以及排氣口氣化引起的水流量檢測值變化，則分配到空壓機、螺旋輸送機的總流量為31.3m3/h。

2）空壓機冷卻水流量 現(xiàn)場2 臺空壓機，其中1 臺加載運行，1 臺卸載運行，加載運行的空壓機進水溫度38℃，出水溫度42℃，使用功率表測得空壓機實際功率為69kW，用Q空表示，內(nèi)水帶走的熱量用Q水表示。將Q空帶入式（2）計算可以得出，單臺空壓機的冷卻水流量qv水=14.8m3/h。

3）螺機冷卻水流量計算 根據(jù)流量守恒的原則，可以計算出螺機的冷卻水流量為1.7m3/h。螺旋輸送機冷卻水管采用DN15 管路，內(nèi)徑15mm，當量長度8m，將流量帶入式（3），可計算出螺機冷卻水壓差為0.86bar。

4）電機減速機卻水流量計算 螺旋輸送機至主驅(qū)動減速冷卻水采用內(nèi)徑80mm 橡膠管，當量長度25m，由式（7）可計算得出管損為0.03bar，主驅(qū)動減速冷卻水壓力實測值1.9bar，由式（4）可計算得出減速機出水壓力為1.08bar，則減速機進出水壓差為0.8bar，將該壓差帶入減速機壓損式（7）和式（8）中，可反推出減速機冷卻水流量為20L/min。根據(jù)如上理論列出實際水流量分配如下：電機減速機16.8m3/h，超挖刀1.2m3/h；主軸承5.3m3/h；螺旋輸送機1.7m3/h；液壓泵站22.5m3/h；變頻器2.9m3/h；空壓機29.6m3/h；水泵流量80m3/h。

2.2 應用分析

在實測數(shù)據(jù)中，水泵出口壓力6.2bar，遠高于理論估算的5bar。根據(jù)水泵的壓力流量曲線，水泵出口壓力為6.2bar 時，流量只有80m3/h，遠低于理論值120m3/h。通過前面的計算，主驅(qū)動回水壓力為1.1bar，回水壓力可近似判斷為管路中阻力損失，通過式（4）計算可得出水泵出口壓力損失為3bar，此處壓損較理論值相差較大。在實際安裝中水泵位于系統(tǒng)最末端，其出口配置變徑大小頭、手動蝶閥、90°彎頭，90°彎頭位于管路最頂部，管網(wǎng)中的空氣盤踞在90°彎頭出，形成氣堵現(xiàn)象，導致水泵出口實際流徑收窄，從而引起水泵出口壓力異常升高。

空壓機冷卻水流量29.6m3/h 遠大于理論需求值22.8m3/h，經(jīng)分析在實際安裝中空壓機距離水泵出口距離近，其進出水壓差遠大于其他冷卻部件進出水壓差，因此會有更多的水流經(jīng)空壓機。

變頻器冷卻水流量遠低于理論值，經(jīng)分析變頻器散熱系統(tǒng)中冷卻水進水管路上配置了電動調(diào)節(jié)閥，此電動調(diào)節(jié)閥會根據(jù)變頻柜內(nèi)部溫度傳感器檢測溫度自動調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥的開度大小，系統(tǒng)運行的過程中，變頻柜的溫度較低，電動調(diào)節(jié)閥的開度很小，因此該段管路的流量低于設計值。

液壓泵站冷卻水流量低于設置值，主要原因為水泵流量與理論值相差較大，空壓機端分配的流量超出理論值，從而導致液壓泵站冷卻水流量減少。

主驅(qū)動冷卻水流量實測值23.3m3/h 與理論需求46.4m3/h 相差巨大，一方面是因為水泵流量降低導致，另一方面主驅(qū)動位于冷卻水系統(tǒng)最前端，理論計算中主驅(qū)動冷卻水進出水壓差需要達到2.2bar 才能夠滿足流量需求，在實際應用中內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)分支多，前端很難建立2.2bar 的壓差。通過前面的分析可知，主驅(qū)動端管路的壓力損失為1.8bar，是產(chǎn)生壓損的主要原因。

3 結(jié)語

本文介紹了內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)設計準則并針對實際案例對內(nèi)循環(huán)水的應用情況進行了分析，為盾構內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)設計與優(yōu)化提供了參考依據(jù)，并對盾構內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障提供了排查方向。