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土压平衡式盾构机的组成及工作原理
作者：韩兴超
来源：《科技资讯》2012年第07期
摘要：本文详细论述了各系统基本控制原理和系统之间的联系。盾构中PLC起了很关键性的作用，每个电机的启动，各个控制柜内PLC模块的通讯和每个放大板的正常工作，都离不开PLC。挖掘切削功能的刀盘是整台盾构的主体，刀盘决定了盾构机掘进的快慢。螺旋输送机决定了盾构机的排渣能力。管片安装机性能决定了安装能力。推进系统是要给刀盘一个推进力，是直接影响掘进速度的一个因素，油脂系统的作用是润滑主轴承，盾尾密封，轴承密封。每个系统都是相互联系的。
关键词：土压平衡PLC放大板 掘进速度
中图分类号：TU66文献标志码：A 文章编号：1672-3791(2012)03(a)-0000-01
随着科学技术日新月异的发展，新事物不断涌现，盾构机的出现虽然有一定时间，但是，盾构机集成了很多现代科技。大型PLC,各种性能优良的液压泵，各种先进的控制理念都体现在了盾构机上。我们要去学习和了解它，从而去创新和改造它。
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、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。
盾构机挖掘主要靠刀盘切削来完成，不同地质刀盘通常配备有不同数量的切刀或滚刀。为了确保切刀的耐久性，要选择与土质相适应的切刀形状。刀刃材料通常是以钨碳化合物为主烧结超硬合金。切刀要合理排列以达到能切削整个掌子面的目的。地层为岩石或地层中存在大块卵石情况下，安装滚刀是必不可少的，盾构机掘进时刀盘旋转的同时启动推进千斤顶将刀盘压紧岩层，刀盘上的滚刀一边滚动一边破岩，刀盘旋转推力使得滚刀不断滚动前进，从而对整个掌子面的岩石开挖。刀盘上有仿形刀装置，此装置为液压缸驱动，由切削刀，液压油缸构成，在必要时（如纠偏，转弯）进行盾体外周超挖或余掘。主驱动系统有两个变量柱塞泵（分别有两个315KW电机，电机分别由两个软启动器驱动），8个液压马达（用来驱动刀盘），补油泵（75KW电机驱动），控制泵，恒功率阀块，HBW油脂系统，轴承润滑系统，冷却水系统组成。1.启动控制泵，缓慢调节控制泵的切断阀（顺时针增大压力），泵输出压力逐步升高，控制泵的安全压力设定为8.0Mpa。2.启动补油泵，再缓慢调节溢流阀，溢流阀压力升至2.0Mpa。锁紧补油泵旁路溢流阀和换油流量调节溢流阀锁紧螺母；3.启动冷却水泵（主驱动有8个液压马达，每个液压马达带一个减速器，用来冷却减速器，）。4.启动润滑油脂系统，HBW系统，齿轮油系统）4.硬件上强制给PLC一个启动信号(不需要启主驱泵)。选择刀盘旋转方向（即主泵上三位四通换向阀得电情况两个泵需一致），观察两个主泵斜盘变化，变化正常后再按正常程序启动主泵。5.调节主驱动恒功率控制模块比例溢流阀(该比例溢流阀是一个型号为VT3000力士乐放大板，放大板使能端接了一个中间继电器常开触点，刀盘启动条件满足
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完全满足时，这个PLC有相应的Q点输出，中间继电器常开触点闭合，放大板正常工作，通过电位计（0-10v直流电压）来控制放大板的输出从而控制斜盘斜率，控制泵的排量。 螺旋输送机作用是出渣和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，将渣土输送到输送机后腹部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，推进速度一定时，通过调节出土闸门开启度和螺旋机转速变化来实现对土仓内土仓压力的调节，保证隧道开挖面的稳定性。螺旋输送机排土口有两个由液压缸控制的出土闸门，通过它控制螺旋输送机排土量，开启油缸上安装有行程传感器，根据掘进速度在操作盘上任意控制闸门开启度，随时调节排土量实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力作用。螺旋轴采用驱动端固定，一端浮动支撑形式，取土端外壳焊接耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受渣土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹。动力有200KW电机，一个变量柱塞泵，比例换向阀，液压马达。在主控制室启动润滑油脂系统，HBW系统，启动螺旋输送机电机（由软启动器驱动），分别启动左右转，旋转调速旋扭（0-10V）,比例换向阀（该比例换向阀的阀芯位移由VT3000力士乐比例放大板驱动），当给放大板的给定越大时，放大板输出越大，阀芯位移越大，泵出口流量越大。
管片拼装机具有6个自由度，包括前后移动，旋转运动，伸举运动和绕管片自身旋转运动。管片拼装机回转由液压马达驱动，拼装机有以下特点：1.拼装机的动力装置安装在拼装机的结构件上。2.拼装机前进后退，旋转可以做到无级调速。3.管片拼装机具有无线操作功能。拼装管片作业时可以在安全的地方进行操作。启动管片安装机泵，两个比例放大板（驱动前进后退旋转的比例阀），抓举头抓紧前倾后倾旋转都靠换向阀控制。管片机上有两个电气限位开关（左右旋转限位）。
推进系统，推进油缸共分为四组，每组推进油缸的压力可通过操纵控制台上的电位计手工调整（推进掘进模式时，通过电位计的给定，给定通过PLC给放大板，放大板再把信号给推进阀组的比例溢流阀，从而控制每组的工作压力，从而改变盾构机的姿态）。每个推进油缸可单独选择。4组推力油缸都配备有位移传感器，速度可通过控制台连续调整。每个推力油缸末端都有装在球窝接头上的垫块，上面覆盖一层聚亚安酯，确保与环均匀平滑接触。推进轴线和管片轴线共线，目的是防止产生管片混凝土中任何应力。管片安装模式时（管片安装机泵的旁边有一带位移传感器的比例溢流阀，电气上有一个型号为VT-VRPA1-1X/V0/0哈威放大板，当位移信号反馈到放大板时，放大板有给定时，这个给定是在上位机上设置的,放大板才能输出，泵才会有相应出口压力），可通过管片安装机遥控器或固定操作面板单独控制任何一对油缸，以满足封顶块安装在不同的点位上。
注浆系统，开挖土体和管片之间的间隙在盾构机掘进过程中需要持续不断地注入砂浆。后背注浆主要功能是:1.避免地面下沉.2.维持管片衬砌环脱离盾尾后的形状，维持衬砌环之间的密封压力。
油脂系统：1.盾尾油脂注入系统，这种油脂能止水，防止注浆材料流入的作用，也有防止盾尾钢丝刷磨损的作用。盾构机推进过程中根据需要向盾尾钢丝刷中注入油脂。盾构机推进过
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程中需不断地向盾尾钢丝刷中注入具有一定压力的油脂。由于油脂的不断充填，可以获得充足的止水效果。2.润滑油脂系统，润滑油脂系统由一个气动泵和一个多点泵组成。工作原理是当多点泵油脂桶的超声波液位开关感应到低液位信号时，气泵开始动作往多点泵油脂桶注油脂，当超声波液位开关感应到高液位信号时，气泵停止注油脂，多点泵开始动作，往轴承里面注油脂。3.HBW系统，HBW主要作用是刀盘前面的泥浆进入到轴承里面，起到保护轴承的作用。 随着科学技术的进一步发展，新材料新工艺的出现必然会给盾构这个产业带来更大的发展空间。 参考文献
[1] 许福玲.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,2004. [2] 胡厚田，白志勇。土木工程地质[M].北京:高等教育出版社,2003.