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土压平衡盾构液压传动控制系统浅析

——刀盘驱动液压传动控制系统

摘要：论述了土压平衡盾构刀盘驱动液压传动控制系统的重要性和国外先进

的成套技术。结合典型的系统回路，详细介绍了该系统的工作特点、关键比例元

件及系统成套路线。作者强调：认真学习与研究国外先进的技术产品，消化吸收

其核心技术内容，是发展我国盾构设备集成制造，做好维护、维修工作的必由之

路。

关键词：盾构；刀盘驱动；液压传动与控制；闭式回路；电液比例控制技术

盾构是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施

工机械，刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽

然土压平衡盾构的刀盘工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，

要求刀盘的驱动系统需具备：大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调、

在满足使用要求的前提下减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘的驱动系统

必须具有高可靠性和良好的操作性能。

随着电液比例控制技术的快速发展，特别是超高压、大功率、大排量、闭式

电液比例变量泵的成熟与推广应用，盾构的刀盘驱动液压传动控制系统进人了一

个新的时代。德国REXROTH公司的必威体育精装版产品A4CSG-EPG系列的闭式比例变量泵，

以优越的性能和完善的功能，已为国外先进的盾构制造公司大量用于盾构的刀盘

驱动液压系统中，它在系统中的重要性好比是人体的心脏。

典型的盾构刀盘驱动液压传动控制系统，通常采用闭式回路(参见图1)，它

的主要特点有：

①大功率、超高压、闭式传动，结构简单、传动效率高，采用电液比例控制

技术，数台电液比例变量泵和液压马达并联使用，便于选型和组合，适用面很宽，

可以满足不同工况的使用要求；

②通过比例放大器控制比例方向阀，可以很方便地调整变量泵的输出流量与

方向，实现对液压马达的双向无级调速；

③根据变量泵高压端压力传感器的实时检测值，限定比例放大器外部控制电

压的给定值，可以实现系统的恒功率控制，控制精度根据使用要求由PLC程序设

定，调整方便。恒功率传动控制系统有利于减小装机功率，适应复杂的地质变化，

充分发挥盾构设备的潜力，增大作业范围，提高作业效率；

④远程控制压力切断功能防止系统超压作业，响应速度快，调节方便，有效

降低了压力冲击，提高系统的可靠性。可以为系统双向作业提供良好的安全保护

措施；

⑤具有稳定的零位工作区域(参见图2)。盾构的刀盘运动系统惯量很大，要

求比例变量泵的控制电压与泵的输出流量，在零位附近有一个稳定的死区。即只

有当比例变量泵的控制电压达到一定数值时，变量泵才有流量输出，避免刀盘转

动突然反向，产生巨大的惯性冲击；

⑥主泵与补油泵同轴连接，结构紧凑、易于控制；

⑦具有较强的抗油液污染能力，系统清洁度要求与常规液压系统相同，达到

NAS9级即可；

⑧液压马达的选用目前主要有两种配置形式，其一是高速液压马达加齿轮减

速装置，其二是直接采用低速大扭矩液压马达驱动。

德国REXROTH公司的A4GSG-EPG系列闭式比例变量泵，标称压力为35MPa，

尖峰压力可达40MPa，标称排量有：250ml/r，355ml/r，500mL/r，750mL/r

四挡，目前主打产品是排量为，500mL/r的变量泵。以刀盘直径为6.2m的土压

平衡盾构为例，通常配备2~3台A4CSG500EPG型比例变量泵，装机功率一般为

600~900kW。

德国REXROTH公司的A6VM系列高速轴向柱塞变量液压马达，标称压力为40MPa，

尖峰压力可达45MPa，最高转速为3000~5000r/min，与三级行星齿轮减速装置

配套使用，特别适用于复杂地质条件对盾构刀盘驱动的特殊要求。

法国POCLAIN公司的MS系列低速大扭矩定量液压马达，在同类产品中有安

装尺寸较小的特点，标称压力为27.5MPa，尖峰压力可达38MPa，最高转速为

40，合理选用亦可收到较好效果。

盾构刀盘作业的典型工况为低速大转矩，盾壳内部功能复杂，安装空间十分

紧张，以刀盘直径为6.2m的土压平衡盾构为例，通常配备8~10台液压马达。

盾构的刀盘驱动液压传动控制系统，因其复杂恶劣的作业条件和在设备中的

重要地位，为世界各盾构设备制造商所普遍重视。高可靠性、良好的操作性能，

及维护、维修的方便性，是设计者考虑的首要问题