德国陶云超海瑞克土压平衡盾构机主驱动系统及其故障原因的分析.doc

德国海瑞克土压平衡盾构机主驱动系统
及其故障原因的分析和排除

中铁十五局集团有限公司城市轨道交通公司

陶云超

【摘 要】 本文结合广州地铁2/8线5标盾构机调试时出现的刀盘故障原因分析和排除为例，从液压方面、电路方面、机械方面、S7-PLC等方面，阐述了盾构机刀盘主驱动系统的工作原理。

【关键词】 盾构机 主驱动系统 液压 电路 S7-PLC 故障

德国海瑞克公司土压平衡盾构机主驱动系统是集机、电、液、气、光多方面知识于一体的机械，自动化程度很高。现以我公司在调试盾构机时出现的刀盘驱动系统故障的排除为例对盾构机主驱动系统工作原理及其故障原因进行分析。
1 故障现象
盾构机在调试刀盘驱动系统时发现，刀盘转速怎么也达不到厂家规定的调试转速即4.5rpm。刀盘转速最大调到1.5rpm再也调不上去 。
2 刀盘液压驱动系统工作原理
刀盘旋转系统在液压方面可分为补油回路、主工作回路、外部控制供油泵、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。

图1 刀盘液压系统补油回路

图2 刀盘液压主驱动液压图

2.1 补油回路
因为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，同时也对该系统进行了补油。图1为刀盘液压系统补油回路。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。
2.2 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服油缸及双向伺服控制阀，伺服阀由外部控制回路调压控制，以便实现换向和无机调速。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（1Z003）返回油箱。载荷溢流阀当载荷过大时是过高的压力油泄致低压侧，以达到系统不受损坏。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（1Z003）是保证排放出的压力油与油箱之间形成约20bar的压力差。
2.3 主泵控制回路
用于控制其斜盘的正反转角度，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（1V012）到达伺服阀的左右端，使伺服油缸的无杆腔尽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。
2.4 马达回路
含有伺服油缸，伺服阀及低压排放阀，伺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，高压有经过单向阀，一路到达伺服阀左端，使伺服阀右移，一路到达伺服阀P口径经减压阀进入伺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，伺服阀右移，使马达处于低速档，从而实现了两速控制。

图3 主泵马达回路

图4 外部控制供油泵

2.5 外部控制供油泵（2P001）
控制油泵是一台5.5KW的恒压变量泵，泵中的两个伺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。一路去螺旋主泵回路的控制阀，一路去螺旋主泵回路的控制阀，一路去螺旋马达控制阀，另两路去两台螺旋输送机的主泵控制阀。

图5 刀盘主泵控制阀

进入螺旋主泵控制阀的油经节流和减压后在经电液溢流阀（B006）向旋转主泵伺服阀提供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）并汇聚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度降低刀盘转速。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。

图6 刀盘旋转马达控制阀
3 刀盘电路系统工作原理
3.1 主电路系统如图7示、图8示
有一台315KW的主电机，采用星角启动，K2为启动继电器。K5、K6、K7为星角起动、转换继电器。

图7 刀盘主电路

图8 刀盘主电路图

3.2 主驱动电动机控制电路图
如图9示，图中9-39D2是S7-PLC的数字式信号输出卡，其端口10的输出代表S7-PLC的输出A101.12,13-2K2是主驱动电机1运转继电器，该继电器安装在主驱动电机1的启动回路中，如图9示，当9-39D2的端口12（即A101.12）输出电信号给继电器13-2K2时，该继电器触点接通，主驱动电动机运转；当9-39D2的端口12没有电信号输出给继电器13-2K2时，该继电器触点断开，主驱动电机断电停止运转。

9-39D2—S7PLC的数字式信号输出卡9-33D1 —S7-PLC的数字信号输入卡
13-2K2—主驱动电机1运转继电器
13-1K6—主驱动电机1起动继电器
13-1Q1—主驱动电机1断电开关

图9 主驱动电机控制电路图

3.3 刀盘转动的控制电路如图10示
图中数字式信号输出卡9—13D2的端口39的输出卡，代表S7—PLC的输出A7.0，当9-13D2的端口39输出电信号给继电器13-60K2时，此继电器的触点11和14接通，使得电磁阀13-60Y3通电即液压图中的电磁阀B033通电，先导压力油就通过此阀解除刀盘制动。同理S7-PLC还可以通过输出A7.2、A7.3、A66和A6.7分别控制液压图中的换向阀B007、B008、加载电磁阀B040、两位四通阀B032，使刀盘逆时针方向旋转、刀盘顺势针方向旋转、先导油泵提供先导油、控制刀盘旋转马达的高低速度。
4 故障分析
对刀盘驱动系统故障分析来说主要从以下几个方面入手
4.1 机械方面
检查齿轮箱、减速机、轴承等。

9-13D2—S7-PLC的数字式信号输出卡；
13-68K4—主驱动1驱动刀盘顺时针旋转信号输出控制继电器；
13-68Y5—主驱动油泵1驱动刀盘顺时针旋转控制电磁阀；
13-51K2—先导油泵供油信号输出控制继电器；
13-51Y3—先导油泵供油控制电磁阀；
13-58K2—刀盘第二阶段转速信号输出控制继电器；
13-58Y3—刀盘第二阶段转速控制电磁阀；
13-60K2—刀盘制动解除信号输出控制继电器；
13-60Y3—刀盘制动解除控制电磁阀；

图10 刀盘转动控制电路图

4.2 液压方面
4.2.1系统滤清器或相关管路堵塞。
4.2.2刀盘速度控制阀出现故障。
4.2.3刀盘液压系统有管道接错。
4.2.4刀盘液压系统泵有故障。
4.2.4控制刀盘电路系统有故障或线路接错
即控制速度控制阀的S7-PLC自动控制系统或电路系统出现故障或线路接错。
5 故障排除
5.1 检查刀盘驱动系统机械部分
检查刀盘驱动机械部分的减速箱、轴承、齿轮箱等部分没有发现故障现象，而且此盾构机是刚出厂组装的，可以排除机械故障的可能性。
5.2 检查刀盘驱动部分滤清器及管路
对刀盘驱动液压系统的滤清器及管路进行检查，没有发现堵塞或接错管路现象。5.3 检查刀盘驱动部分液压泵、液压马达补油泵和先导油泵
检测3个315KW的刀盘驱动液压泵输出压力正常；检测8个刀盘驱动液压马达工作压力比额定值小只有16bar，达不到出厂调试压力23bar值；检查55KW刀盘驱动系统液压补油泵压力正常；检查5.5KW刀盘驱动系统先导油泵工作压力正常。
5.4 对刀盘电路系统的检查
5.4.1 刀盘主电路的检查
如图7、图8和图9，K2、K5、K6、K7为主驱动启动继电器；主驱动控制电路中的 9-39D2为S7-PLC的数字式信号输出卡；9-33D1 为S7-PLC的数字信号输入卡；13-2K2为主驱动电机1运转继电器；13-1K6为主驱动电机1起动继电器；13-1Q1为主驱动电机1断电开关。 如图检查这些继电器以及S7-PLC的输出输入卡的通断性，都属正常。
5.4.2 刀盘驱动控制电路的检查
如图10，9-13D2为S7-PLC的数字式信号输出卡；13-68K1为主驱动刀盘逆时针旋转信号输出控制继电器；13-68K4为主驱动1驱动刀盘顺时针旋转信号输出控制继电器；13-68Y3为主驱动油泵1驱动油泵逆时针旋转控制继电器13-68Y5为主驱动油泵1驱动刀盘顺时针旋转控制电磁阀；13-51K2为先导油泵供油信号输出控制继电器；13-51Y3为先导油泵供油控制电磁阀；13-58K2为刀盘第二阶段转速信号输出控制继电器；13-58Y3为刀盘第二阶段转速控制电磁阀；13-60K2为刀盘制动解除信号输出控制继电器；13-60Y3为刀盘制动解除控制电磁阀；如图检查PLC输出卡9-13D2到13-68Y3、13-68Y5、13-58Y3、13-60Y3、13-13-58Y3、13-51Y3的通断性发现，刀盘主驱动液压泵1的顺势针旋转和逆时针旋转的电磁阀13-68Y3和13-68Y5接反即在液压图中控制主驱动电机1的液压泵逆时针旋转和顺时针旋转的电磁阀B007和B008的控制线接反。使其他两个刀盘主驱动液压泵顺势针旋转时，该刀盘主驱动液压泵逆时针旋转，导致了所有主驱动液压马达的液压油压力不足，使刀盘的转速无法达到额定值。对调13-68Y3和13-68Y5后刀盘转速正常，故障排除。
6 结束语
从上面的故障分析和故障排除的过程可以知道，只有对盾构机刀盘主驱动系统的工作原理非常熟悉，系统掌握机械、液压、电路、S7-PLC及操作方面的知识,而且采取正确的故障排除方法，有步骤有顺序的去逐个排除引起故障的的各个原因。才能快捷准确的判断和解决盾构机出现的故障。避免了一有故障到处盲目拆卸即浪费时间又容易拆坏东西从而造成不必要的损失。