盾构机液压系统原理
一.液压系统原理
盾构机的绝大部分工作机构主要由液压系统驱动来完成，液压系统可以说是盾构机的心脏，起着非常重要的作用。这些系统按其机构的工作性质可分为：
1. 盾构机液压推进及铰接系统
2. 刀盘切割旋转液压系统
3. 管片拼装机液压系统
4. 管片小车及辅助液压系统
5. 螺旋输送机液压系统
6. 液压油主油箱及冷却过滤系统
7. 同步注浆泵液压系统
8. 超挖刀液压系统
以上8个系统除同步注浆泵液压系统在1号拖车、超挖刀液压系统在盾壳前体为两个独立的系统外，其余6个液压系统都共用一个油箱，并安装在2号拖车上组成一个液压泵站。有的系统还相互有联系。下面就分别介绍一下以上8个液压系统的作用及工作原理。
(一)盾构机液压推进及铰接系统
1. 盾构机液压推进
（1）盾构机液压推进系统的组成
盾构机液压推进系统由液压泵站，调速、调压机构，换向控制阀组及推进油缸组成，30个油缸分20组均布的安装在盾构中体内圆壁上（见图），并分为上、下、左、右四个可调整液压压力的区域，为盾构机前进提供推进力、推进速度，通过调整四个区域的压力差来实现盾构机的
转弯调向及
纠偏功能。铰接系统的主要作用是减小盾构机转弯或纠偏时的曲率半径上的直线段，从而减少盾尾与管片、盾体与围岩间的摩擦阻力。
（2）推进系统液压泵站：
推进系统的液压泵站是由一恒压变量泵（1P001）和一定量泵（1P002）组成的双联泵，功率为75KW，恒压变量泵为盾构的前进提供恒定的动力。恒压泵的压力可通过油泵上的电液比例溢流阀（A300）调整，流量在0-q ma x范围内变化时，调整后的泵供油压力保持恒定。恒压式变量泵常用于阀控系统的恒压油源以避免溢流损失。
由恒压变量泵输出的高压油分别送达A、B、C、D四组并联的推进方向控制阀组，经过阀组的流量、压力调整和换向后再去控制推进油缸，从而使推进油缸的推进速度、推力大小及方向得到准确控制。因每组油缸的控制原理都一样，下面就以B组中的第一个油缸控制为例，介绍其作用和工作原理。
油泵输出的高压油经高压管路由B组的P口进入，一路径F1（过滤）→A111（流量调整）→A101（压力调整）→经电液换向阀进入推进油缸。缸的快进快退，提高工作效率。A783控制的插装阀。A403为推进油缸底端预卸荷阀。阀组中还有液控单向阀、载荷溢流阀，以及A256压力传感器和油缸行程传感器。四组阀组中的电液换向阀的液控油由定量泵（1P002）经减压阀（1V034）提供。
2. 铰接装置工作模式分三种：
铰接装置的动力来源于推进系统的液压泵站中的定量泵（1P002），铰接装置的加载和卸载由（A349）
两位两通电液阀控制。
（1）铰接回收（PULL或
RETRACTION）模式(减小铰接间
隙)，定量泵输送来的高压油从阀
快（2C001）P口进入，此时（H001）
不得电截止，（H002）得电导通，
高压油进入铰接油缸的有杆腔使
铰接油缸回收。
（2）铰接保持（HOLD或FREE）模式（浮动模式），该模式下（H001、H002）都不得电截止。铰接油缸有杆腔的油被封闭，油量保持不变，被
封闭的油在所有相互并联的有杆腔内互相补偿，直线推进时保持铰接间隙，转弯时处于浮动状态。
（3）铰接释放（RELEASE或LOOSE）模式（伸长模式），当（H001）得电导通，（H002）无电截止时，铰接油缸有杆腔的油接通低压，在盾构机推进时，因盾尾的阻力使铰接油缸被拉长，达到增大铰接间隙的目的。该油路中还设有负载溢流阀（V2）、压力传感器（H005）及铰接间隙长度传感器。另外可以通过（2V003、2V004、）的导通和截止达到铰接保持和铰接释放功能。但当（2V003、2V004）两个阀的截止，在铰接油缸有杆腔的压力过高时(盾构机推进时，盾尾如果被卡住)，因无压力传感器的压力显示和载荷溢流阀的溢流，可能会使铰接油缸损坏或油管爆裂。
(二)刀盘旋转液压系统
刀盘旋转系统可分为补油回路、主工作回路、外部控制供油泵、主泵外部控制回路、马达外部控制回路。刀盘旋转系统是为刀盘切割岩石或土壤时提供转速和扭矩，要求根据岩石地质的变化转速能够方便的调整。为了得到较大的功率和扭矩，该系统采用3台315KW的双向变量液压泵并联，带动8台双向两速低速大扭矩液压马达。下面分别介绍各回路的作用及工作原理。
补油回路：因主工
作回路是闭式回路，加
之系统功率大，需要进
行补油和散热，所以设
置了一套补油回路对
其进行补油和散热。为
增大散热效率，补油回
路采用了55KW低压
大流量的定量泵来带
走闭式回路中的大量
热量，同时也对其进行
了补油。补油泵从油箱
泵出的油经两个滤清
器（1F001、1F002）
进入3个主泵的E口，
并通过两个单向阀分
别对闭式回路的低压端进行补油，然后经主泵的高压端为液压马达提供动力油。从马达返回的携带热量的低压油又回到主泵，一部分又进入主泵的高压端，一部分经排放阀从主泵的K1口流出，并经一节流阀流回油箱进行冷却。补油回路中还设有蓄能器和压力传感器，蓄能器是保证回路的压力平稳。主工作回路由主泵和液压马达组成，主泵是一315KW 的双向变量泵，在主泵的主回路中有补油单向阀、载荷溢流阀、及低压排放阀，主泵的控制回路有主泵斜盘伺服油缸及双向伺服控制阀，司服
阀由外部控制回路调压控制，以便实现换向和无级调速。两个补油单向
阀分别向低压侧进行补油，另一个带弹簧符号的单向阀是当两侧回路都较高或相等时（如：主泵斜盘角度为0时），补油直接通过它，并经节流阀（1Z017）返回油箱。载荷溢流阀当载荷过大时使过高的压力油泄至低压侧，以达到保护系统不受损坏。排放阀用于闭式系统多余的热油经低压侧排放回油箱。节流阀（1Z017）是保证排放出的压力油与油箱之间形成约20bar的压差。
主泵控制回路用于控制其斜盘的±角度，以实现刀盘的正反转及转速的无级调整。外来控制油经换向阀（1V002）到达司服阀的左右端，使司服油缸的无杆腔进油和排油来实现活塞杆的左右移动，从而完成斜
盘角度的控制。外来控制油是通过外部控制回路中的电比例溢流阀（B006）提供，调整范围0-45bar。
马达回路含有司服油缸、司服阀及低压排放阀，司服阀由主回路压力及外部控制回路控
制，当马达外载荷增
大时，主回路高压侧
的油压随之升高，高
压油经过单向阀，一
路到达司服阀左端，
使司服阀右移，一路
到达司服阀P口经减
压阀进入司服油缸
无杆腔使斜盘角度
增大，从而降低转速
增加扭矩，外部控制
回路由控制油泵提
供控制油压，当无控
制油压时，马达处于
高速档，当外部提供
油压时，司服阀右移，
使马达处于低速档，
从而实现了两速控
制。
外部控制供油泵
（2P001）：控制油泵
是一台 5.5KW的恒
压变量泵，泵中的两
个司服阀上面一个与
溢流阀联合控制泵的
压力，下面一个以控
制流量为主。（B040）为加载电磁阀。该泵的油通过滤清器（2F001）向刀盘旋转系统的主泵和液压马达以及螺旋输送机的控制回路供油。一路去旋转主泵回路的控制阀，一路去旋转马达控制阀，另两路去两台螺旋输送机的主泵控制阀。
进入旋转主泵控制阀的油经节流和减压后在经电液比例溢流阀（B006）向旋转主泵司服阀提供0-45bar的可变压控制油压，以实现转速的无级调整。另外从主泵P口(H88)和梭阀（V030、H92）反馈到控制
阀（2C003）并汇集到
两组溢流阀和载荷感
知阀，两组溢流阀由手
动两位四通阀转换，正
常工作时使用左边溢
流阀，增大扭矩时使用
右边溢流阀（只能短时
间使用），手动阀自动
回位。感知阀是在扭矩
突然增大时，反馈的油
压将减低其溢流压力，
使控制主泵伺服的压
力降低，从而减小主泵
斜盘角降低刀盘转速。
进入旋转马达控制阀P口的油经节流阀（M10）又分两路，一路经减压阀、两位四通电磁阀（B032）到（H86）旋转马达控制马达的高低速。另一路经减压阀、两位四通阀（B033）、单向节流阀去控制马达（1A002）的刹车（1G002）。在（1A002）马达上装有旋转方向传感器（1S026、B035）、马达高低速传感器（1S025、B038）和油温传感器（1S023、B050）。在刹车回路中设有蓄能器（2C002），与单向节流阀一起保证了刹车时的快杀慢放。
(三)管片拼装机液压系统
为了提高管片的拼装效率及避免拼装中的管片损坏，要求系统要有一定的速度、准确的移动位置精度、足够的活动自由度及可靠的安全度。速度由一55KW的双联恒压变量泵提高的流量控制，精度靠电液比例司服阀控制，自由度
有：管片的左右旋
转、提升（可左右
分别提升及同时
提升）、前后水平
六个自由度，并有
管片的抓紧及绕
抓举头水平微转、
前后微倾的微调
功能。
55KW的双联
恒压变量泵为拼
装机提供动力。当
用快速档时，双泵
同时工作。低速档
时，只（1P002）
工作。加载阀（C003、C004）由PLC控制，根据拼装机的工作速度可对其进行分别控制或同时控制。
旋转控制：油泵输出的高压油一路经减压阀（DM）减至30bar到达电液比例阀然后控制司服阀以达到控制流量来控制马达旋转速度。各阀的功能如下，DM为控制油减压阀，DBV2为控制油溢流阀，DBV1与插装阀组成主溢流阀，进入司服阀前的减压阀经DUE4、DUE7节流阀后的反馈油控制，以达到动作启动时的平稳。D1、D4为反馈油溢流阀，F1、DUE2是停止动作时起泄油的作用。
经控制阀控制后压力油分别进入两个并联的回转马达，高压侧的油一路经减压阀（1V001）减压后去控制刹车，减压阀旁的单向阀起回转停止时刹车的泄油回路。进入马达的油先经平衡阀（此阀进油时不起作用），驱动马达旋转，马达出来的油进入下一个平衡阀，该阀在进油有
一定压力后经X口其慢慢打开回油通路，并保证一定的背压，避免马达因惯性吸空，当旋转惯性过大时平衡阀右边的压力会增加，使阀芯左移以减少回油来减小惯性产生的转速，当回油压力增大到最大设定值时平衡阀中的溢流阀工作，避免了液压元件被损坏。
水平移动的控制与回转控制
一样，从控制阀出来的油经平衡
阀（1C004）进入水平移动油缸，
控制油缸的前后移动。
提升控制：控制阀原理与回
转控制相同，但在司服阀反馈油
出口处只在提升回路中设置了节
流阀，下降反馈口没有设置，其
目的是为了较快的提高司服阀进
口处减压阀的减压压力以增加下
降时的反应速度，同时也反映一
个功率平衡问题。两个提升油缸
即可以单控，也可以同时控制，
所以有两套单独得司服控制阀，。
从控制阀出来的压力油先通过一个两位两通随动阀进入提升油缸，当达到一定压力后，油缸出油口的两位两通随动阀在进口压力的推动下打开，导通回油通道形成回路。反之亦然。
管片抓紧控制：压力油经减压阀减压，在经三位四通电磁换向阀换向，经液压锁、单向节流阀、B口端还有
溢流阀。抓紧时，从A1口出来的油经过
抓举油缸进口处的液压锁进入抓举缸的
有杆腔，当达到设定的抓紧力时油缸旁的
溢流阀溢流，并使油缸旁的两位两通阀换
向，切断通往压力开关（1S001）的油压，
使压力开关信号改变。只有当压力开关的
信号改变后，拼装机才有其他动作。否则
视为管片没有抓紧不安全，管片机不能动
作。松管片时B1口的压力油进入抓举缸
的无杆腔，一路打开油缸边上的液压锁，
使活塞下行。控制阀中的液压锁是保持活
塞位置的，单向节流阀是调整活塞动作速
度的，溢流阀是起安全作用的。
水平微动和倾斜微动控制与抓举控制原理
相同。
(四)管片小车及辅助液压系统
辅助油泵为一22KW的恒压变量泵，原理
与刀盘旋转系统得控制油泵相同。输出的压力
油分别控制管片小车链条涨紧油缸、管片小车
上的前送油缸、管片输送举升油缸、后配套拖
车牵引油缸及螺旋输送机闸门。
链条涨紧控制：压力油从P口进入控制阀，经减压阀、三位四通电磁换向阀、液压锁达到油缸。
管片前送控制阀：与管片抓举控制
阀相同。但回路中多一组流量再生阀
（1C004），注：据说此阀实际中不能使
用。
输送举升控制阀：控制阀原理与抓
举控制阀相同。为使四个举升缸同步，
回路中设置了一组流量分配器，该分配
器原理其实就是齿轮泵工作原理，四个
型号参数一样的泵并联在一起同轴旋
转，因转速也一样，所以四个泵排出的流量一样，使进入四个举升缸的流量保持一样，活塞的行程也相同。四个回路采用一个负载溢流阀。
后配套牵引控制阀：控制阀原理同抓举控制阀。只是牵引缸无杆腔的油不通过控制阀，直接回油箱。有杆腔回路中装有压力传感器。
螺旋机闸门设置与螺旋机配置的数量有关但差别不大，都有两个闸门，一级螺旋机出口的闸门控制结构和原理都一样，单螺旋机有前闸门，双螺旋机没有。但双螺旋机的二级螺旋机有出口闸门。
一级螺旋机出口闸门：来自辅助泵的压力油经减压阀、三位四通电磁换向阀液压锁到达闸门油缸，控制闸门的开闭。闸门开闭的大小由长度传感器（K011）给出信号，开口最大和关闭由两个位置传感器（K012、K013）提供信号。回路中装有一液压蓄能器，当出现紧急情况时（如停电时），靠蓄能器里的压力自动关闭闸门（当然要在左边的球阀开启时，右边的球阀是卸压时打开）。
二前闸门和二级螺旋机出口闸门相同，其控制原理都与管片抓举控制阀一样。
(五)螺旋输送机液压系统
螺旋输送机分单螺旋输送和双螺旋输送，无论是单还是双，其系统原理都一样，双螺旋采用的还是两套独立的控制系统，下面就介绍一套系统。
螺旋输送机主泵回路和液压马达回路与刀盘回路原理一样，只是补油泵为内置式，除给系统补油外，还给泵控回路提供控制油压，并设有一补油顺序阀来保证控制油的压力，另有一梭阀给压力传感器（K005）提供高压侧的油压。液压马达回路减速器（1G001、1G002）由55KW 的刀盘旋转补油
泵提供的液压油
对其进行冷却。马
达上装有转速传
感器和油温传感
器。
螺旋机主泵控制回路由伺服阀、伺服油缸及调压阀组成，伺服阀由外部控制阀（1C005）控制，调压阀分A、B两路经梭阀（1V017）汇集到溢流阀（1V018）进行调整。伺服阀动作时带动伺服油缸活塞移动，从而使斜盘角增大，泵流量增加，当外载荷大时系统压力就会随之增大，
当系统压力超过调定值时，相对于高压侧的两位三通随动阀上移，如：当伺服阀X1端供油时，伺服阀移至右
位，伺服缸有杆腔进油，无杆腔回油至
低压，伺服活塞右移泵斜盘角增大，A
路为高压侧，当A路压力超过调定值
时，此时左边一个随动阀上移，控制油
压与伺服油缸无杆腔接通，因有杆腔和
无杆腔的压差关系，使伺服活塞左移，
泵斜盘角减小，A路压力下降至回路压
力调定值。当X2端供油时，伺服阀移
至左位，控制油经两个随动阀后进入伺服缸的无杆腔（有杆腔为常压油），因压差关系，伺服活塞左移泵斜盘角反方向加大，B路为高压侧，当压力超高时右边一个随动阀上移，伺服缸无杆腔与低压回路接通，伺服活塞右移，泵斜盘角减小，B回路降至设定压力值。
控制回路：控制油由5.5KW控制泵提供，来至控制泵的控制油从控制阀P口进入经溢流阀限压后，再由电磁比例调压阀调压，给油泵伺服阀提供可变的压力油，来控制主泵的流量，从而达到无级控制马达转速的目的。控制阀中还设有一载荷感知阀，回路中随载荷变化的压力经梭阀（1V024）送到控制阀的RHD口调整感知阀上控制油的溢流压力，当载荷增大时感知阀的溢流压力降低，从而使控制伺服阀的控制压力经梭阀（1V019）至感知阀降低，随之减小斜盘角、流量、转速，使载荷得到控制。
(六)主油箱回路
主油箱包含5000L油箱、供油接口、回油接口、泄油接口、溢流接口、冷却过滤回路、油位传感器，油温传感器。
供油接口10个：
（1）推进油泵H01；
（2）铰接油泵H002；
（3）旋转补油泵H02；
（4）旋转控制油泵H03；
（5）管片拼装机1#油泵H04；
（6）管片拼装机2#油泵H05；
（7）管片小车及辅助油泵H08；
（8）螺旋输送机一级油泵H07；
（9）螺旋输送机二级油泵H016；
（10）注浆系统油泵H003。
以上每路都有进油滤网。
回油接口6个：
（1）推进系统H136；
（2）旋转系统H09；
（3）管片拼装系统；
（4）管片小车及辅助系统H03；
（5）注浆系统H001；
（6）螺旋输送机系统H02。
以上6路集中至3个滤清器过滤后回油箱，滤清器中装有堵塞传感器。
泄油接口6个：
（1）推进系统H137；
（2）旋转系统H15；
（3）管片拼装系统H20；
（4）管片小车及辅助系统H04；
（5）螺旋输送机系统H01；
（6）注浆系统H002。
以上6路集中后直接回油箱。
溢流接口3个：
（1）旋转补油泵H71；
（2）旋转泵控阀H07；
（3）螺旋输送机泵控阀H028。
以上3路独立回油箱。
冷却过滤回路：由一11KW定量泵将油箱里的油泵出，经两套滤清
器过滤，再经过水冷式热交换器冷却后返回油箱。回路中有加载电磁阀（M006）、压力表、滤清堵塞传感器、温度计。
油位传感器有：高油位开关、低油位警报开关、低油位停止开关、油箱油温传感器。
(七)注浆液压系统
注浆泵由液压泵、换向冲击波反馈旁路、速度控制回路（电磁比例节流阀）、液控自动换向回路、泵送油缸组成，并在调速控制前分四路控制四套独立的注浆泵。
液压泵为30KW恒压变量泵，工作原理与旋转控制泵相同。泵出的油经滤清器送往四路调速比例电磁阀，滤清器旁边的回路是冲击波反馈回路，经节流阀减弱的冲击波返回到泵的控制回路，在泵控回路的调节下吸收部分冲击压力，使系统得以稳定。
经比例电磁阀调整后的液压油分别进入四个独立的泵送系统，下面
以1P002中的A1系统为例介绍其泵送工作原理。
在进入调速阀前一路到泵闸阀不需要调速的油进入A1系统的P1.1口，一路经调速后由A1系统得P1口进入。正打时，手动换向阀置于右位，压力油经手动阀、推进自动换向阀到达推进油缸无杆腔，活塞右行，进入P1.1的压力油经液控正反打换向阀、泵闸门换向阀、一路到达料斗进口油缸无杆腔，使之关闭，一路到达泵出口油缸有杆腔，使之打开，完成正打过程。当推进活塞走到右端头时，油缸右端的信号阀打开，信号油到达泵闸门换向阀上端，换向阀下移，压力油一路到料斗进口缸的有杆腔，使之打开，一路到达泵出口缸的无杆腔，使之关闭，另一路控制油经节流阀到达推进换向阀的上端，换向阀下移，P1的压力油经推进换向阀换向后进入推进缸的有杆腔，使推进活塞左移，完成正打的进料过程。当推进活塞走到左端头时，推进缸左端的信号阀打开，信号油到达泵闸门换向阀的下端，换向阀上移，闸门油缸换向，同时推进换向阀也上移，重复正打过程。
注浆泵的反打是将手动换向阀置于左位，压力油被换向，同时使液控正反打换向阀换向。分析方法与正打相同。
(八)超挖刀系统
超挖刀系统是独立的系统，包含油箱、回油散热器、主油泵、电磁换向阀、平衡阀、油缸。主泵与旋转控制泵原理相同，为一7.5KW恒压变量泵，泵出的压力油经电磁换向阀、平衡阀达到油缸，通过油缸的运动来控制超挖刀的行程。