黃 凱（上海城建隧道裝備有限公司，上海 200137）

0 引 言

液壓馬達是液壓系統(tǒng)中一種重要的執(zhí)行元件，它是將液壓泵提供的液壓壓力能轉(zhuǎn)變成輸出旋轉(zhuǎn)運動的機械能[1]。液壓馬達按照輸出轉(zhuǎn)速可分為低速馬達和高速馬達，按照結(jié)構(gòu)形式可分為葉片馬達、齒輪馬達、柱塞馬達和其他馬達[2-3]，其中，柱塞馬達又可分為徑向柱塞馬達和軸向柱塞馬達。內(nèi)曲線液壓馬達屬于低速徑向柱塞馬達，具有工作壓力高、排量大、低速性能好、輸出扭矩大等特點，因此被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)機和頂管機中。雖然內(nèi)曲線液壓馬達具有種種優(yōu)點，但是在使用過程中也存在種種問題，如在做回轉(zhuǎn)運動時，由于回油壓力的缺失，柱塞和滾子因慣性力的作用會脫離滾道環(huán)曲面，這就是脫空現(xiàn)象。筆者從內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達的脫空現(xiàn)象造成的危害探討，對某項目內(nèi)曲線液壓馬達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部控制原理進行分析，對脫空現(xiàn)象的原因進行解釋并提出解決方案。

1 故障概述

某項目盾構(gòu)刀盤驅(qū)動的2個內(nèi)曲線液壓馬達發(fā)生了損壞，一個馬達配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環(huán)損毀，2個軸承全部磨損。另一個馬達的泄露油口發(fā)現(xiàn)鐵塊，并且在回油濾芯處發(fā)現(xiàn)大量鐵屑。維修人員在現(xiàn)場拆解馬達控制閥組時發(fā)現(xiàn)，在閥組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長度約15 mm的長條狀鐵屑。

2 馬達結(jié)構(gòu)分析和控制原理分析

2.1 馬達結(jié)構(gòu)

該項目刀盤驅(qū)動使用的液壓馬達為內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達，該系列馬達的核心部件是滾道環(huán)、缸體、柱塞滾子副和配流體。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

由圖1可知，滾道環(huán)內(nèi)表面輪廓由形狀相同的若干曲線段構(gòu)成，每一曲線段上均分布著1個凹點和1個凸點，當(dāng)柱塞滾子副沿著凸點向凹點運動時，此區(qū)段稱為上升區(qū)段（工作區(qū)段），當(dāng)柱塞滾子副沿著凹點向凸點運動時，此區(qū)段稱為下降區(qū)段（回油區(qū)段）。上升區(qū)段所聯(lián)柱塞滾子副與高壓油腔接通，下降區(qū)段所聯(lián)柱塞滾子副與回油腔接通，當(dāng)柱塞滾子副運動到底部接通高壓油的上升區(qū)段時，滾子與滾道環(huán)曲面接觸，受到法向力F的作用。F可分解為徑向力Fr和切向力Ft，其中，F(xiàn)r平衡了液壓力，F(xiàn)t則經(jīng)過柱塞傳遞至缸體。此時，缸體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)滾子進入下降區(qū)段時，滾子沿滾道環(huán)下降，柱塞底部與回油腔接通，液壓油被壓進回油腔[4]。當(dāng)馬達需要做反轉(zhuǎn)運動時，只需將外部控制換向閥換向，使馬達的進回油口互換，此時，高壓油腔變?yōu)榛赜颓?，回油腔變?yōu)楦邏河颓唬仙齾^(qū)段變?yōu)橄陆祬^(qū)段，下降區(qū)段變?yōu)樯仙齾^(qū)段，馬達則在切向力Ft的作用下做反轉(zhuǎn)運動。

由于內(nèi)曲線馬達回轉(zhuǎn)的作用力直接來自滾子與滾道環(huán)之間接觸產(chǎn)生的力，因此在使用該馬達時，必須要保證滾子始終與滾道環(huán)接觸。當(dāng)滾子與滾道環(huán)脫離時，就是所謂的脫空現(xiàn)象。若滾子與滾道環(huán)脫空，當(dāng)柱塞滾子副進入上升區(qū)段后，在高壓油的作用下，滾子會瞬間撞擊到滾道環(huán)上，可能會導(dǎo)致滾道環(huán)嚴重磨損或開裂、滾子磨損或脫落、柱塞與缸體卡滯等現(xiàn)象。因此，回油腔不能直接接回油箱，且必須具有一定的回油背壓[5-6]。

2.2 控制原理

該項目刀盤驅(qū)動液壓馬達控制原理簡圖如圖2所示。

圖2 刀盤驅(qū)動液壓馬達控制原理

該系統(tǒng)中的液壓元件代號、名稱和功能對應(yīng)說明如下。

T為液壓油箱，用于儲存系統(tǒng)所需的液壓油，并具有散熱、沉淀過濾雜質(zhì)、分離油液中的氣泡等作用[7]。油箱上裝有冷卻器、液位計、溫度傳感器、空氣過濾器等元件。

M1為液壓泵組，可提供工作壓力油（原系統(tǒng)為比例變量柱塞泵，此處將功能簡化）。

CV1為單向閥，具有單向?qū)üδ?，防止壓力油倒流進液壓泵內(nèi)而損壞液壓泵。

HF1為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），由閥芯、閥套、彈簧、密封圈、蓋板（帶阻尼孔）組成，與先導(dǎo)元件配合使用，控制液流的通斷、壓力的高低、流量的大小。此處與RV1配合使用，組成一個大流量的溢流閥。

RV1為溢流閥，設(shè)定壓力為32 MPa，作為HF1的先導(dǎo)閥，與HF1配合使用。系統(tǒng)工作時，液壓泵輸送出的油液進入HF1的閥芯底部和彈簧腔，彈簧腔與RV1連接，當(dāng)泵輸出壓力較低時，不足以打開RV1，由于彈簧腔與HF1閥芯底部導(dǎo)通，壓力相同，但彈簧腔的面積大于閥芯底部的面積，所以彈簧腔的作用力要大于閥芯底部的面積，閥芯無法打開。當(dāng)壓力達到32 MPa時，溢流閥RV1打開，彈簧腔中的壓力油就可以通過蓋板中的阻尼孔，經(jīng)過RV1進入油箱，由于阻尼孔的作用使彈簧腔的壓力小于閥芯底部的壓力，此壓力差產(chǎn)生的作用力大于彈簧腔的彈簧力，HF1的閥芯打開，油液從HF1進入油箱，實現(xiàn)溢流[8]，將系統(tǒng)壓力維持在32 MPa。

FT1為帶壓差發(fā)信器的回油過濾器，可過濾回到油箱中的油液，保持液壓系統(tǒng)的清潔度。當(dāng)油液被污染時，通過FT1濾芯的前后壓差會升高，當(dāng)壓力達到發(fā)信器的設(shè)定值時會自動報警[9]。

HF2為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV2、RV2、RV3配合使用。

SV2為電磁閥，與溢流閥RV2、RV3配合使用，以切換HF2的開啟壓力。當(dāng)馬達正轉(zhuǎn)時，SV2失電，RV3開始發(fā)揮作用，此時HF2的開啟壓力為2 MPa，馬達的回油經(jīng)過HF2進入油箱，回油背壓被RV3限定為2 MPa；馬達反轉(zhuǎn)時SV2得電，RV2開始發(fā)揮作用，此時HF2的開啟壓力為35 MPa，大于系統(tǒng)最大壓力，以保證系統(tǒng)的正常運行。

RV2為溢流閥，它作為HF2的先導(dǎo)閥，與SV2配合使用，馬達正轉(zhuǎn)時，SV2失電，RV2開始發(fā)揮作用，限定馬達進油口的壓力為32 MPa。

RV3為溢流閥，作為HF2的先導(dǎo)閥，與SV2配合使用，馬達反轉(zhuǎn)時，SV2得電，RV3開始發(fā)揮作用，限定馬達回油背壓為32 MPa。

HF3為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV1配合使用，組合成一個開關(guān)閥。

SV1為電磁閥，控制HF3的開啟與關(guān)閉，馬達正轉(zhuǎn)時SV1失電，馬達反轉(zhuǎn)時，SV1得電。

HF4為二通插裝閥（面積比為1∶1.1），與SV4、RV4、RV5配合使用。

SV4為電磁閥，與溢流閥RV4、RV5配合使用，切換HF4的開啟壓力。當(dāng)馬達正轉(zhuǎn)時，SV4得電，RV4開始發(fā)揮作用，此時HF4的開啟壓力為35 MPa，大于系統(tǒng)最大壓力，以保證系統(tǒng)的正常運行；馬達反轉(zhuǎn)時，SV4失電，RV5開始發(fā)揮作用，此時HF4的開啟壓力為2 MPa，馬達的回油經(jīng)過HF4進入油箱，回油背壓被RV5限定為2 MPa。

RV4為溢流閥，作為HF4的先導(dǎo)閥，與SV4配合使用，馬達正轉(zhuǎn)時，SV4得電，RV4開始發(fā)揮作用，限定馬達進油口的壓力為32 MPa。

RV5為溢流閥，作為HF4的先導(dǎo)閥，與SV4配合使用，馬達反轉(zhuǎn)時，SV4失電，RV5開始發(fā)揮作用，限定馬達回油背壓為2 MPa。

HF5為二通插裝閥（面積比為1∶1.5），與SV3配合使用，組成一個開關(guān)閥。

SV3為電磁閥，它控制著HF5的開啟與關(guān)閉，馬達正轉(zhuǎn)時SV3得電，馬達反轉(zhuǎn)時，SV3失電。

RV6為溢流閥，起緩沖作用，當(dāng)馬達正轉(zhuǎn)時，若負載突然增大，或者馬達堵轉(zhuǎn)，馬達的A口壓力會突然上升，會導(dǎo)致馬達損毀。RV6在此處限定了馬達A口的最大壓力為32 MPa。當(dāng)負載突然增大，或者馬達堵轉(zhuǎn)時，馬達A口壓力上升至32 MPa后RV6打開，A口壓力無法再繼續(xù)上升，從而發(fā)揮緩沖保護作用。

RV7為溢流閥，起緩沖作用，當(dāng)馬達反轉(zhuǎn)時，若負載突然增大，或者馬達堵轉(zhuǎn)，馬達的B口壓力會突然上升，會導(dǎo)致馬達損毀。RV7在此處限定了馬達B口的最大壓力為32 MPa。當(dāng)負載突然增大，或者馬達堵轉(zhuǎn)時，馬達B口壓力上升至32 MPa后RV7打開，B口壓力無法再繼續(xù)上升，從而發(fā)揮緩沖保護作用。

MS為液壓馬達，它是執(zhí)行元件，輸出扭矩通過減速器增大后帶動刀盤轉(zhuǎn)動，切削土體。A口進油則馬達正轉(zhuǎn)，B口進油則馬達反轉(zhuǎn)。

3 馬達損壞原因分析

“馬達配流體與密封活塞完全卡死，柱塞杠體全部損毀，滾道環(huán)損毀”，這說明馬達發(fā)生了脫空現(xiàn)象，并且脫空后在高壓油的沖擊下，滾子與滾道環(huán)發(fā)生撞擊，導(dǎo)致滾道環(huán)損毀，滾子與滾道環(huán)撞擊后導(dǎo)致柱塞和缸體產(chǎn)生變形，柱塞與配流體卡死。“油馬達的泄露油口發(fā)現(xiàn)鐵塊，并且在回油濾芯處發(fā)現(xiàn)大量鐵屑”，這可能是滾子與滾道環(huán)發(fā)生撞擊后，導(dǎo)致滾子脫落，滾道環(huán)和缸體破裂產(chǎn)生了大量的碎屑。“在閥組中的二通插裝閥的閥芯與閥套之間存在1塊直徑約10 mm的圓形扁狀鐵屑和2塊長度約15 mm的長條狀鐵屑”，這些鐵屑可再次表明其是由脫空現(xiàn)象產(chǎn)生的，圓形扁狀鐵屑和長條狀鐵屑是滾子、滾道環(huán)和缸體碎裂后的產(chǎn)物。

該項目中液壓馬達的回油背壓僅依靠RV3和RV5這2個溢流閥建立，當(dāng)元件老化或者人為操作失誤時，RV3和RV5就有可能失效，馬達回油腔的背壓將無法建立，很可能會使馬達脫空并將其損壞。另外，這種設(shè)計必須在馬達有回油時才能產(chǎn)生背壓，假如馬達因某些原因需要拆卸或維修時，馬達A口和B口的管路被拆下，當(dāng)再次把管路安裝好之后，馬達的回油腔中并沒有液壓油，滾子和滾道環(huán)可能已經(jīng)脫離，此時若直接啟動馬達，那么在高壓油的沖擊下，馬達的使用壽命很有可能會縮短，嚴重時則會損壞。

通過以上分析可知，脫空現(xiàn)象是造成內(nèi)曲線液壓馬達損壞的重要原因。

4 整改措施

為了保證馬達的安全性和可靠性，必須主動給馬達的回油腔建立背壓，在馬達運轉(zhuǎn)前保證滾子被頂出，貼合到滾道環(huán)曲面上。因此，在原系統(tǒng)中增加了一臺補油泵，為馬達的回油腔主動建立壓力，同時，將RV3和RV5的開啟壓力調(diào)節(jié)至5 MPa，提高馬達回油腔的背壓。修改后的刀盤驅(qū)動液壓馬達控制原理如圖3所示。系統(tǒng)中新增的液壓元件代號、名稱和功能說明如下。

圖3 修改后的刀盤驅(qū)動液壓馬達控制原理

M2為補油泵，可為馬達回油腔主動建立壓力，防止馬達脫空。

CV2為單向閥，具有單向?qū)üδ?，可防止壓力油倒流進補油泵內(nèi)，損壞補油泵。

RV8為溢流閥，可將補油回路的最大壓力限定在5 MPa。

CV3為單向閥，可防止馬達高壓管路中的油進入補油回路。馬達正轉(zhuǎn)時，A口壓力較高，B口壓力較低，由于補油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV3被動關(guān)閉，CV4打開，油液進入馬達B口，為回油腔建立5 MPa背壓。

CV4為單向閥，可防止馬達高壓管路中的油液進入補油回路。馬達反轉(zhuǎn)時，B口壓力較高，A口壓力較低，由于補油回路中的壓力只有5 MPa，所以CV4被動關(guān)閉，CV3打開，油液進入馬達A口，為回油腔建立5 MPa背壓。

馬達工作時，須先開啟補油泵M2，主動為馬達建立回油背壓，將馬達內(nèi)的柱塞滾子頂出，使其與滾道環(huán)曲面貼合，補油泵M2開啟5 s后再開啟液壓泵M1；馬達停止時，須先關(guān)閉液壓泵M1，當(dāng)檢測到刀盤轉(zhuǎn)速為0后再關(guān)閉補油泵M2。當(dāng)需要改變刀盤轉(zhuǎn)向時，須先等刀盤轉(zhuǎn)速為0后再進行反轉(zhuǎn)動作，補油泵M2在此過程中始終處于工作狀態(tài)。如此，可以保證內(nèi)曲線馬達的滾子與滾道環(huán)始終貼合，防止馬達脫空而導(dǎo)致?lián)p毀。此外，這種設(shè)計還有一個好處，當(dāng)馬達需要停轉(zhuǎn)時，正常操作是將電磁閥SV1或SV3直接失電，不再往馬達A口或B口供油，但此時馬達會在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，可能會因此造成吸空[10]，這對馬達的使用壽命是相當(dāng)不利的，補油泵的存在就是為了避免這種情況的發(fā)生，因此刀盤停轉(zhuǎn)時需要先停液壓泵M1，后停補油泵M2。

5 結(jié) 語

筆者通過內(nèi)曲線液壓馬達損壞后的現(xiàn)象分析其損壞的原因，并深入分析內(nèi)曲線液壓馬達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部控制油路和控制方法，通過改進控制油路和控制方法避免盾構(gòu)機在后續(xù)推進過程中液壓馬達因脫空現(xiàn)象而導(dǎo)致?lián)p毀。本研究對今后的項目應(yīng)用具有重要的借鑒意義，在以后的項目中無論是由刀盤驅(qū)動還是由螺旋機驅(qū)動的盾構(gòu)機等，若使用內(nèi)曲線液壓馬達，均建議增加馬達補油功能，避免發(fā)生馬達脫空的情況。