总第136期2012年第2期
文章编号：1672-1152（2012）02-0011-02
山西冶金
SHANXI M ETALLURGY Total 136No.2，2012
盾构机液压系统及其热平衡计算★
朱平1，王
君2
六盘水553525；太原030024）
（1. 贵州首黔资源开发有限公司，贵州2. 太原科技大学机电工程学院，山西
摘要：介绍了盾构机液压系统的组成部分以及各部分的重要职能，并对某盾构机的热平衡进行了计算。盾构机
地铁工程等，是城市是一种挖掘隧道的工程机械，由于它可以在艰难的环境下安全工作而被广泛用于隧道挖掘、
建设的重要工具，而液压系统是盾构机的主要驱动的方式，液压系统的优劣直接影响着盾构机的工作性能。关键词：盾构机液压系统热平衡中图分类号：TU621文献标识码：B 收稿日期：2012-02-03
盾构机是盾构挖掘机的简称，是盾构施工中的主要施工机械，主要用于挖掘隧道。传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿
［1］
车外运，紧接着对挖空的隧道进行支护。这种方法
度高，安装空间小。而液压系统的优点恰恰是体积小，重量轻，使用功率范围广，操纵控制方便，传动响应快，动态特性好等。由于这些优势就使液压系统成了盾构机动力传递和控制的首选。1
盾构机液压系统
盾构机的液压系统可以分成六大主要部分，分别是主驱动液压系统、推进油缸液压系统、管片拼装液压系统、螺旋输送机液压系统、注浆切换装置液压超挖刀液压系统。系统、1.1
主驱动液压系统
主驱动机构是向刀盘提供旋转扭矩的机构，由电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和6个斜轴式变量柱塞马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动马达旋转，液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转。1.2
推进油缸液压系统
推进机构顾名思义就是可以使盾构机在土层中向前推进的机构，是盾构机的关键部分，主要靠32个安装在盾构机外壳内侧环形中梁上的液压缸来实现盾构的向前推进。推进油缸有推进模式和管片拼装模式两种模式。推进油缸处于推进模式时，液压缸分四个区，分别由比例减压阀实现压力分区的控制，以便实现盾构机姿态调节和转弯，当推进一个行程后，推进模式结束，这时推进油缸保压，以免压力作用将其缩回。进入管片拼装模式后，对应拼装管片的3对油缸首先缩回，待拼装管片后，3对油缸伸出，顶在管片上。1.3
管片拼装液压系统
管片拼装机构设置在盾构机的尾部，主要负责把管片安装到刚刚挖好的隧道表面，使隧道一次成型。管片拼装机要完成管片的抓取、平衡、微调、旋转、提升、平移等动作，是盾构机的重要组成部分。
当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到及时支护，隧道极易坍塌，会造成大面积的地面塌陷，而盾构机是在地下掘进，可以有效地防止软基开挖面崩塌和保持开挖面稳定，在护盾内完成隧洞的挖掘、出土、隧道支护等工作，这样可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与明挖相比，盾构机由于其安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低的特点而被广泛地用于水底交通隧道、城市地下铁道、供排水隧洞和电缆隧道等工程，在一些发达国家如日本、德国，盾构机技术得到了快速发展。盾构机还具有一次成洞，不受气候影响，开挖时可控制地面沉降，减小对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。目前，我国经济处于高速发展时期，一些基础设施的修建正在大量进行中，许多重大项目如在建和拟建的多个城市的地铁工程，规划设计中的南水北调中线穿黄工程以及其他一些市政、交通、通信及水利项目都要用盾构机进行施工。这必将促进盾构机技术在我国的快速发展。
盾构掘进机传递功率大，运动复杂，要求控制精
★基金项目：973计划前期研究专项（2011CB612204）；国家自然基金项目（51105264，51104104）
第一作者简介：朱平（1968—），男，于贵州首黔资源开发[1**********]，E －有限公司从事设备管理工作，工程师。Tel ：mail ：xiaoxiangzi_wj@
sina.com
1.4
螺旋输送机液压系统
E-mail:[email protected]
散热量H 散＝Q 循环泵×C p ×0.42×（T 1－T 2）＝
27000×0.9×0.42×10=102060kcal/h=118.67kW
式中：C p 为循环功能效率。显然H 散＞H 发，满足要求。
2.2冷却器的选择
根据以上系统发热与散热的计算进一步计算选择冷却器的型号。2.2.1
水量计算
/T 3－T 4）＝20412L/h=340.2L/minQ 水＝H 散（
2.2.2对数温度计算
t m =（T 1－T 4）-（T 2－T 3）=10.3℃
ln 14T 2T 32.2.3
热交换面积计算
A =1.3×H 散≈18.4m 2
erf m
式中：取700。K erf 为散热系数，
选择热交换器的热交换面积大于18.4m 2就可以满足系统的散热要求。
因此选择板式冷却器：BR0.2-120/1.6-21。所选热交换器散热面积为21m 2完全可以满足散热的需求。3结语
由于我国城市建设的快速发展，地铁工程在我国兴起，盾构机作为挖掘隧道的有利工具而被人们所重视，其液压系统的设计和改进更是成为目前的热点。由于盾构机在地下作业，对它的维修检测都不方便，所以我们应该探索稳定性好的、可靠的液压系统，而液压传动的固有的特性很适合盾构掘进机动力传递。因此，采用先进的液压传动及控制技术将是
［6］盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向。
螺旋输送机的功能就是把土仓内挖掘的土运出，经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备。1.5
注浆切换装置液压系统
注浆切换装置主要完成向掘削泥土中注入添加材料，以便改变泥土的流塑性、抗渗性，使其达到排土
［2］
。机构的排放条件
1.6超挖刀液压系统
盾构机一般有两把超挖刀（一用一备），布置在
刀盘的边缘上，其伸出和缩回量可以调节，超挖刀液压系统有独立的小油箱，安装在盾体里。2
盾构机液压系统的热平衡计算
盾构机的传动主要依靠液压系统。对于液压系统，介质温度将直接影响系统的正常工作，如果液压油温度升高，将出现油液黏度降低，润滑部位的油膜被破坏，油液泄漏增加，密封材料加速老化，油液饱和蒸气压升高而引起气蚀等现象，这将直接导致液压系统性能和可靠性的降低。因此对液压系统的热
［3］
平衡的控制效果将直接影响整个系统的性能。
油箱、管路和液压元件外表面系统的发热散失到周围的大气中，一部分被油液和液压元件所吸收，使其温度升高，最后达到某个平衡温度。但是，盾构机由于受其结构条件的限制，油箱往往设计得较小，因而散热面积小，单靠自然散热冷却不足以使油温保持在55℃以下，因此应在液压系统中设置冷却器对油液进行强制冷却。2.1
系统发热与散热的计算
液压系统的压力、容积和机械损失构成系统总的能量损失，这些能量损失转化为热量，使系统油温升高，由此产生一系列不良的影响。为此，必须对系统进行发热计算，以便对系统温升加以控制。
以某盾构机液压系统为例，用恒压变量泵代替恒功率泵计算其热平衡。
油箱容积为6000L 。设定循环泵15min 循环一次（大多比例伺服系统都要求15~30min循环一次），
［4］
参考文献
［1］胡胜利，乔世珊. 盾构机概论［J ］. 建筑机械，1999（11）：16-20. ［2］杨华勇，龚国芳. 盾构掘进机及其液压技术的应用［J ］. 液压气
动与密封，2004（1）：27-29.
［3］唐文红，游善兰. 行走机械的液压冷却系统［J ］. 工程机械，
2001（6）：36-37.
［4］张东辉，张啸男. 液压系统的热衡计算与分析［J ］. 一重技术,
2009（3）:12-14.
［5］赵占宏.120型掘进机液压油温冷却系统改造设计［J ］. 煤，
2010（2）：49-58.
［6］Claus Becher,Wayss,Freytag. Zimmerberg Tunnel ［J ］,Tunnels and
Tunneling International,1999,31（10）：31-34.
所选循环泵流量则循环泵的流量大概为400L/min，
为450L/min。电机总的安装功率P ＝315kW ，则系
［5］统的发热大约为电机功率的30%，所以H 发＝30％
P ＝94.5kW 。通过冷却器的流量Q 循环泵＝450L /min＝27000L/h。
进油温度T 1≥50℃，出油温度T 2≤40℃；进水温度T 3≤32℃，出水温度T 4≥37℃。
（编辑：胡玉香）
（下转第38页）
E-mail:[email protected]
10支Φ400mm P11试验产品矫直后的垂直度见表3。
（650±20）℃（保温7h ）
表310支Φ400mm P11试验产品矫直后的垂直度
Ⅰ3
Ⅱ2
Ⅲ2
Ⅳ5
Ⅴ2
Ⅵ4
Ⅶ2
Ⅷ4
1/1000mm
Ⅹ3
Ⅺ3
温度/℃
加温
速度
60
℃/h
5按此矫直工艺进行热矫直后的结果
2009年11月6日，将余下的30支P11和P22
时间/h
运到北方重工集团热处理厂，一周后全部矫直完毕，经过双方厂质检部门现场检测和物理化检测，结果
1/1000mm
Ⅹ30
Ⅺ31
图1P11和P22加温工艺曲线
表210支Φ400mm P11试验产品矫直前的垂直度
Ⅰ23
Ⅱ26
Ⅲ27
Ⅳ25
Ⅴ22
Ⅵ21
Ⅶ29
Ⅷ24
显示和试验产品一样，完全达到JS （020）/DYZG-540-1-2008圆管坯技术标准，尤其是垂直度达到YB4149－2006标准。6结语
当连铸坯垂直度不能达到标准要求时，完全可以进行热矫，但要根据不同材质，制定不同的加热温度曲线和保温时间，以防止连铸坯过烧或没有透（心部有黑心），造成连铸坯高低金相组织不合格，或造成连铸坯热矫时产生表面裂纹及断裂现象。
（编辑：胡玉香）
火炉（650±20）℃下保温7h ，连铸坯的开矫温度为650℃，终矫温度为600℃
经过双方厂质检部门检测，矫直后P11产品表面平滑无裂纹，垂直度平均在3/1000mm ，无论是（020）机械性能还是高低倍金相检验, 完符合JS /DYZG-540-1-2008圆管坯技术标准。
Discussion on the Straightening Process of Φ400mm Continuous Casting Billet
LIU Baodong, WEN Bingwen
（Hanking Group Shenyang Toyo Steel Co.,Ltd., Shenyang 110026, Chian ）
Abstract:Based on the principle of arc continuous casting, this paper calculated the maximum
curvature of the round billet allowed. By repeated experiments, author concluded Φ400mm billet hot straightening process.
Key words:casting billet, straightening, curvature crookedness, verticality
（上接第12页）
Hydraulic System of the Shield and its Heat Balance Calculation
ZHU Ping 1，WANG Jun 2
（1. Guizhou Shouqian Resources Development Co., Ltd., Liupanshui 553525, China;
2. Electro -mechanics Eneineering College, Science and Technology of Taiyuan University ，Taiyuan 030024, China ）Abstract:This passage introduces the hydraulic system of the shield and their functions, checks its heat balance. Shield is the construction machinery used in tunnel digging. For it can work safely in hard environment, the shield is popular for tunnel digging and metro engineering. Hydraulic system is the main driving way of the shield. So it ′s quality affects the shield ′s performances. Key words:shield, hydraulic system, heat balance
总第136期2012年第2期
文章编号：1672-1152（2012）02-0011-02
山西冶金
SHANXI M ETALLURGY Total 136No.2，2012
盾构机液压系统及其热平衡计算★
朱平1，王
君2
六盘水553525；太原030024）
（1. 贵州首黔资源开发有限公司，贵州2. 太原科技大学机电工程学院，山西
摘要：介绍了盾构机液压系统的组成部分以及各部分的重要职能，并对某盾构机的热平衡进行了计算。盾构机
地铁工程等，是城市是一种挖掘隧道的工程机械，由于它可以在艰难的环境下安全工作而被广泛用于隧道挖掘、
建设的重要工具，而液压系统是盾构机的主要驱动的方式，液压系统的优劣直接影响着盾构机的工作性能。关键词：盾构机液压系统热平衡中图分类号：TU621文献标识码：B 收稿日期：2012-02-03
盾构机是盾构挖掘机的简称，是盾构施工中的主要施工机械，主要用于挖掘隧道。传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿
［1］
车外运，紧接着对挖空的隧道进行支护。这种方法
度高，安装空间小。而液压系统的优点恰恰是体积小，重量轻，使用功率范围广，操纵控制方便，传动响应快，动态特性好等。由于这些优势就使液压系统成了盾构机动力传递和控制的首选。1
盾构机液压系统
盾构机的液压系统可以分成六大主要部分，分别是主驱动液压系统、推进油缸液压系统、管片拼装液压系统、螺旋输送机液压系统、注浆切换装置液压超挖刀液压系统。系统、1.1
主驱动液压系统
主驱动机构是向刀盘提供旋转扭矩的机构，由电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和6个斜轴式变量柱塞马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动马达旋转，液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转。1.2
推进油缸液压系统
推进机构顾名思义就是可以使盾构机在土层中向前推进的机构，是盾构机的关键部分，主要靠32个安装在盾构机外壳内侧环形中梁上的液压缸来实现盾构的向前推进。推进油缸有推进模式和管片拼装模式两种模式。推进油缸处于推进模式时，液压缸分四个区，分别由比例减压阀实现压力分区的控制，以便实现盾构机姿态调节和转弯，当推进一个行程后，推进模式结束，这时推进油缸保压，以免压力作用将其缩回。进入管片拼装模式后，对应拼装管片的3对油缸首先缩回，待拼装管片后，3对油缸伸出，顶在管片上。1.3
管片拼装液压系统
管片拼装机构设置在盾构机的尾部，主要负责把管片安装到刚刚挖好的隧道表面，使隧道一次成型。管片拼装机要完成管片的抓取、平衡、微调、旋转、提升、平移等动作，是盾构机的重要组成部分。
当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到及时支护，隧道极易坍塌，会造成大面积的地面塌陷，而盾构机是在地下掘进，可以有效地防止软基开挖面崩塌和保持开挖面稳定，在护盾内完成隧洞的挖掘、出土、隧道支护等工作，这样可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与明挖相比，盾构机由于其安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低的特点而被广泛地用于水底交通隧道、城市地下铁道、供排水隧洞和电缆隧道等工程，在一些发达国家如日本、德国，盾构机技术得到了快速发展。盾构机还具有一次成洞，不受气候影响，开挖时可控制地面沉降，减小对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。目前，我国经济处于高速发展时期，一些基础设施的修建正在大量进行中，许多重大项目如在建和拟建的多个城市的地铁工程，规划设计中的南水北调中线穿黄工程以及其他一些市政、交通、通信及水利项目都要用盾构机进行施工。这必将促进盾构机技术在我国的快速发展。
盾构掘进机传递功率大，运动复杂，要求控制精
★基金项目：973计划前期研究专项（2011CB612204）；国家自然基金项目（51105264，51104104）
第一作者简介：朱平（1968—），男，于贵州首黔资源开发[1**********]，E －有限公司从事设备管理工作，工程师。Tel ：mail ：xiaoxiangzi_wj@
sina.com
1.4
螺旋输送机液压系统
E-mail:[email protected]
散热量H 散＝Q 循环泵×C p ×0.42×（T 1－T 2）＝
27000×0.9×0.42×10=102060kcal/h=118.67kW
式中：C p 为循环功能效率。显然H 散＞H 发，满足要求。
2.2冷却器的选择
根据以上系统发热与散热的计算进一步计算选择冷却器的型号。2.2.1
水量计算
/T 3－T 4）＝20412L/h=340.2L/minQ 水＝H 散（
2.2.2对数温度计算
t m =（T 1－T 4）-（T 2－T 3）=10.3℃
ln 14T 2T 32.2.3
热交换面积计算
A =1.3×H 散≈18.4m 2
erf m
式中：取700。K erf 为散热系数，
选择热交换器的热交换面积大于18.4m 2就可以满足系统的散热要求。
因此选择板式冷却器：BR0.2-120/1.6-21。所选热交换器散热面积为21m 2完全可以满足散热的需求。3结语
由于我国城市建设的快速发展，地铁工程在我国兴起，盾构机作为挖掘隧道的有利工具而被人们所重视，其液压系统的设计和改进更是成为目前的热点。由于盾构机在地下作业，对它的维修检测都不方便，所以我们应该探索稳定性好的、可靠的液压系统，而液压传动的固有的特性很适合盾构掘进机动力传递。因此，采用先进的液压传动及控制技术将是
［6］盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向。
螺旋输送机的功能就是把土仓内挖掘的土运出，经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备。1.5
注浆切换装置液压系统
注浆切换装置主要完成向掘削泥土中注入添加材料，以便改变泥土的流塑性、抗渗性，使其达到排土
［2］
。机构的排放条件
1.6超挖刀液压系统
盾构机一般有两把超挖刀（一用一备），布置在
刀盘的边缘上，其伸出和缩回量可以调节，超挖刀液压系统有独立的小油箱，安装在盾体里。2
盾构机液压系统的热平衡计算
盾构机的传动主要依靠液压系统。对于液压系统，介质温度将直接影响系统的正常工作，如果液压油温度升高，将出现油液黏度降低，润滑部位的油膜被破坏，油液泄漏增加，密封材料加速老化，油液饱和蒸气压升高而引起气蚀等现象，这将直接导致液压系统性能和可靠性的降低。因此对液压系统的热
［3］
平衡的控制效果将直接影响整个系统的性能。
油箱、管路和液压元件外表面系统的发热散失到周围的大气中，一部分被油液和液压元件所吸收，使其温度升高，最后达到某个平衡温度。但是，盾构机由于受其结构条件的限制，油箱往往设计得较小，因而散热面积小，单靠自然散热冷却不足以使油温保持在55℃以下，因此应在液压系统中设置冷却器对油液进行强制冷却。2.1
系统发热与散热的计算
液压系统的压力、容积和机械损失构成系统总的能量损失，这些能量损失转化为热量，使系统油温升高，由此产生一系列不良的影响。为此，必须对系统进行发热计算，以便对系统温升加以控制。
以某盾构机液压系统为例，用恒压变量泵代替恒功率泵计算其热平衡。
油箱容积为6000L 。设定循环泵15min 循环一次（大多比例伺服系统都要求15~30min循环一次），
［4］
参考文献
［1］胡胜利，乔世珊. 盾构机概论［J ］. 建筑机械，1999（11）：16-20. ［2］杨华勇，龚国芳. 盾构掘进机及其液压技术的应用［J ］. 液压气
动与密封，2004（1）：27-29.
［3］唐文红，游善兰. 行走机械的液压冷却系统［J ］. 工程机械，
2001（6）：36-37.
［4］张东辉，张啸男. 液压系统的热衡计算与分析［J ］. 一重技术,
2009（3）:12-14.
［5］赵占宏.120型掘进机液压油温冷却系统改造设计［J ］. 煤，
2010（2）：49-58.
［6］Claus Becher,Wayss,Freytag. Zimmerberg Tunnel ［J ］,Tunnels and
Tunneling International,1999,31（10）：31-34.
所选循环泵流量则循环泵的流量大概为400L/min，
为450L/min。电机总的安装功率P ＝315kW ，则系
［5］统的发热大约为电机功率的30%，所以H 发＝30％
P ＝94.5kW 。通过冷却器的流量Q 循环泵＝450L /min＝27000L/h。
进油温度T 1≥50℃，出油温度T 2≤40℃；进水温度T 3≤32℃，出水温度T 4≥37℃。
（编辑：胡玉香）
（下转第38页）
E-mail:[email protected]
10支Φ400mm P11试验产品矫直后的垂直度见表3。
（650±20）℃（保温7h ）
表310支Φ400mm P11试验产品矫直后的垂直度
Ⅰ3
Ⅱ2
Ⅲ2
Ⅳ5
Ⅴ2
Ⅵ4
Ⅶ2
Ⅷ4
1/1000mm
Ⅹ3
Ⅺ3
温度/℃
加温
速度
60
℃/h
5按此矫直工艺进行热矫直后的结果
2009年11月6日，将余下的30支P11和P22
时间/h
运到北方重工集团热处理厂，一周后全部矫直完毕，经过双方厂质检部门现场检测和物理化检测，结果
1/1000mm
Ⅹ30
Ⅺ31
图1P11和P22加温工艺曲线
表210支Φ400mm P11试验产品矫直前的垂直度
Ⅰ23
Ⅱ26
Ⅲ27
Ⅳ25
Ⅴ22
Ⅵ21
Ⅶ29
Ⅷ24
显示和试验产品一样，完全达到JS （020）/DYZG-540-1-2008圆管坯技术标准，尤其是垂直度达到YB4149－2006标准。6结语
当连铸坯垂直度不能达到标准要求时，完全可以进行热矫，但要根据不同材质，制定不同的加热温度曲线和保温时间，以防止连铸坯过烧或没有透（心部有黑心），造成连铸坯高低金相组织不合格，或造成连铸坯热矫时产生表面裂纹及断裂现象。
（编辑：胡玉香）
火炉（650±20）℃下保温7h ，连铸坯的开矫温度为650℃，终矫温度为600℃
经过双方厂质检部门检测，矫直后P11产品表面平滑无裂纹，垂直度平均在3/1000mm ，无论是（020）机械性能还是高低倍金相检验, 完符合JS /DYZG-540-1-2008圆管坯技术标准。
Discussion on the Straightening Process of Φ400mm Continuous Casting Billet
LIU Baodong, WEN Bingwen
（Hanking Group Shenyang Toyo Steel Co.,Ltd., Shenyang 110026, Chian ）
Abstract:Based on the principle of arc continuous casting, this paper calculated the maximum
curvature of the round billet allowed. By repeated experiments, author concluded Φ400mm billet hot straightening process.
Key words:casting billet, straightening, curvature crookedness, verticality
（上接第12页）
Hydraulic System of the Shield and its Heat Balance Calculation
ZHU Ping 1，WANG Jun 2
（1. Guizhou Shouqian Resources Development Co., Ltd., Liupanshui 553525, China;
2. Electro -mechanics Eneineering College, Science and Technology of Taiyuan University ，Taiyuan 030024, China ）Abstract:This passage introduces the hydraulic system of the shield and their functions, checks its heat balance. Shield is the construction machinery used in tunnel digging. For it can work safely in hard environment, the shield is popular for tunnel digging and metro engineering. Hydraulic system is the main driving way of the shield. So it ′s quality affects the shield ′s performances. Key words:shield, hydraulic system, heat balance