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盾构机刀盘驱动液压系统设计探索

文章主要分析了盾构机刀盘驱动液压系统的设计要求，阐述其具体的工作设

计原理及特点。针对目前盾构机刀盘驱动液压系统存在的问题，设计出结构相对

更加简单、性能更加优越的盾构机刀盘驱动液压系统。

标签：盾构机；刀盘驱动；液压系统；设计

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、

传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导

向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门

学科技术，其专业从事工程隧道的挖掘工作，具有挖掘效率高、施工影响小、高

质量的安全性能以及对于周边环境的影响小等特点。目前我国在这一大型工程设

备的设计制造工作仍然处于起步阶段，因此进行相关的科学技术研究对于打破国

外的技术垄断，推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国

产品向中国品牌转变具有十分重要的意义。据此文章将针对盾构机刀盘驱动液压

系统的设计展开相关的探索，具体的设计思路及过程详见下文。

1盾构刀盘的驱动方式

在盾构机的组成部件中，刀盘是掘进工作的主要工作机构，对于盾构机而言

是核心工作部分。对于盾构机中的刀盘来说，其具体的作用有：隧道岩土破碎切

削功能、固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。刀盘的驱动方式能够实现

效率高、范围广的要求，同时刀盘的推进速度也会随着具体掌子面的实际地质情

况而有所变化，例如在针对硬岩层与软土层所用到的动力及刀盘运转速度会有巨

大的差别。

在目前盾构刀盘的主流驱动方式中，主要有变频电机驱动及液压驱动。变频

电机驱动主要存在以下特点，适应不同工况条件下的频繁变速；采用电磁设计，

减少了定子和转子的阻值；在一定程度上能够节省能耗。而文章主要探讨、设计

的是刀盘的液压驱动方式，其主要的构成部件有液压泵、阀组、液压管路、液压

驱动马达、减速缓冲部件、大小规格不一的齿轮、主轴承以及相应的密封件构成，

通过液压马达所提供的动力来带动刀盘的运转，刀盘的旋转速度由液压马达及其

相应动力传动装置来进行调节控制，液压驱动刀盘的盾构机具有环境适应性强、

维护修理较为简便和结构可靠、刀盘旋转速度易掌控并且具有过载保护的能力。

2刀盘驱动液压系统原理设计

刀盘驱动液压系统原理设计如图1所示。液压驱动系统的设计一般为开放回

路，能够普遍适应以下两类施工工况：即软土地层，一般采用增大刀盘旋转速度

降低刀盘扭矩的方案；而硬岩地层下的施工工况，一般采用降低刀盘旋转速度加

大刀盘扭矩的方案。此两类工况下的施工转换能够使用电磁换向阀5.3来完成，

若电磁铁C出现失电情况时，可通过设置溢流阀5.1来确保液压驱动系统的最大

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压力，此刻，将液压驱动系统的压力值调整到25MPa，刀盘的扭矩就会增大，

而因为液压动力不足，刀盘的实际旋转速度就会降低。对于液压系统的刀盘旋转

速度而言，只需调节液压变量泵6的压力即可完成对于刀盘旋转速度的实际控

制，对于液压系统的动力来源马达而言，通过对于压力传感器3的调节控制，即

可完成测量进油口压力的工作，将测得到的进油口压力通过信息系统的计算处理

之后，将其运用到液压变量泵6的比例阀之上，最终形成对于刀盘旋转速度的整

体内部系统控制。

通过对于变量调节机构的控制，实现了变量泵能够在整个刀盘液压系统中进

行无级调节，并且能够通过比例电磁阀，形成对电流大小的调节；恒功率的系统

功率控制要在变量调节控制之前，即为若刀盘转动速度的实际需求未达到相应的