日立盾构机螺旋机驱动液压系统改造方案设计

倪鹏 马俊江 张林 马世佳

（秦皇岛天工重工有限公司，河北秦皇岛 066000）

0.引言

随着现代交通运输、地下工程、水利工程以及市政建设等的需要，土压平衡式盾构机已成为隧道施工过程中不可或缺的掘进设备。地底固化石块、泥沙经刀盘切削后，通过刀盘开口，被压进土舱，推进油缸持续推进，使土舱内土压增高，土压到达一个稳定系数后，为保证设备持续掘进，需要将多余泥土外排，螺旋输送机即为盾构设备内的排土装置。为满足不同隧道管径施工要求，节约盾构机新机制造成本，盾构机扩径、缩径改造，已成为盾构行业内的技术热点。扩径后的盾构机在保证掘进速度不变条件下，导致螺旋机出土量增大，螺旋机旋转为液压驱动，本文重点介绍日立φ6150mm盾构机扩径至φ6550mm后，螺旋机驱动液压系统设计方案。

1.原φ6150mm螺旋机驱动液压系统原理及参数

（1）φ6150mm螺驱液压原理，如图1所示。

图1 φ6150mm螺驱液压原理

（2）φ6150mm主要技术参数，如表1所示。

表1 φ6150mm主要技术参数

2.φ6550mm螺旋机驱动液压系统设计选型

2.1 马达参数计算及选型

结合扩径后现场施工工况及螺旋机出土排量，在达到最大出土量时，螺旋机额定转速：20r/min，额定扭矩T1：210kN·M。

传动比I=6.9保持不变，计算可得，马达额定转速：nm=20×6.9=138r/min，马达额定扭矩：Tm=210/(6.9×0.95)=32kN·M，0.95为齿轮机械效率。

根据马达额定扭矩、额定转速、额定压力要求，选用2台赫格隆马达，CA70，单台性能参数：满排量：4400ml/r，扭矩：70Nm/bar，即系统压力达到23MPa时，输出扭矩：16.1kN•M，额定转速：180r/min，额定压力：35MPa。该马达自带全排量/半排量切换功能，电气系统可根据螺旋机系统工作压力，手自切换全排量/半排量，用于控制螺旋机转速，即螺驱低工作压力（低扭矩）运行时，使用半排量控制，实现高转速（大排量）运行，螺驱高工作压力（高扭矩）运行时，使用满排量控制，转为低转速（小排量）运行，选择此马达控制方式，可在保证盾构机正常掘进条件下，节约设备制造成本和设备安装空间。

2.2 液压泵参数计算及选型

因2台马达以额定转速运行时，为半排量控制，经公式计算，得出液压系统最大工作流量：Qm=(nm×q半)/ηm×2=(138×2.2)/0.95×2=639L/min；

式中：ηm―马达容积效率，ηm=0.95；q半―马达半排量，q半=2.2L/r。

螺驱液压系统选用双泵供油，电机选用4P，转速：nm1=1450r/min，原机液压泵型号为伊顿PVWS-250，额定排量qp=250ml/r，额定输出流量：

Qp=nm1×qp×ηp×2=1450×0.25×0.95×2=688L/min ；

式中ηp―液压泵容积效率，ηp=0.95；PVW2-250双泵供油可满足马达额定转速流量需求。

2.3 电机参数计算及选型

单台泵所需最大输出流量：Qm1=320L/min，系统最高工作压力Pm=23MPa，液压泵实际输出功率：N=(Qm1×Pm)/60=(320×23)/60=122.7kW；

电机输出功率：Nd=N/(ηp×ηj)=122.7/(0.95×0.95)=136kW；

式中ηj―液压泵机械效率，ηj=0.95；

因实际使用过程中，通过电气程序约束，控制液压泵不能同时达到最高工作压力23MPa和最大流量320L/min，故选取电机功率：132kW。

2.4 液压阀组重新设计制作

因液压系统额定流量由原487L/min增至640L/min，原液压阀组通流量已不能满足系统使用需求，液压阀组选用插装式集成阀组，重新设计制作，并在回油口增加顺序阀，保证马达回油产生3MPa背压。

新增电磁控制减压阀组，通过控制电磁球阀得失电，实现马达全排量/半排量转换功能。

3.φ6550mm螺旋机驱动液压系统原理及参数

（1）φ6550mm螺驱液压原理，如图2所示。

图2 φ6550mm螺驱液压原理

（2）φ6550mm主要技术参数，如表2所示。

表2 φ6550mm主要技术参数

4.结语

此台盾构机经工厂扩径改造后，已顺利完成预定标段的掘进目标，螺旋机系统在施工过程中运行稳定，未出现因传动扭矩低导致卡滞、旋转异常等情况。