淺談盾構機液壓系統(tǒng)的油液污染及相關典型事例分析

【摘 要】盾構機在大型隧道、城市地下軌道交通等施工中占據(jù)著越來越舉足輕重的作用，其液壓系統(tǒng)相當于人的心臟、血液和肌肉組織，是盾構機的重要組成部分。本文對盾構機液壓系統(tǒng)油液污染的主要形式和通常危害進行了闡述，并對盾構機施工過程中液壓系統(tǒng)所遇到的典型故障事例進行了相應的介紹與分析，對盾構機現(xiàn)場施工和設備的科學維護有一定指導借鑒意義。

【關鍵詞】污染 盾構機 液壓系統(tǒng) 故障

隨著國內外地下軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展和隧道工程項目的大量上馬，盾構機的應用變得越來越普遍。大量盾構機的投入使用給工程施工帶來了巨大方便的同時，其復雜而龐大的系統(tǒng)維護也給現(xiàn)場施工帶來諸多難題。在現(xiàn)場施工中，機器往往會因為這樣或是那樣的故障而不得不被迫停機維護。據(jù)不完全統(tǒng)計，在盾構機施工現(xiàn)場遇到的大多數(shù)停機故障中電氣故障所占比重最多，大約占75%；液壓問題約20%；剩下的就是機械問題。雖然電氣故障頻發(fā)，但解決起來一般都相對費時較短。而液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題一般現(xiàn)場解決起來都非常麻煩，往往會造成長時間的停機。探究其本質原因基本都是液壓系統(tǒng)中油品污染直接或間接所致。本文主要就盾構機液壓系統(tǒng)的油品控制及一些相關典型問題的處理經(jīng)驗進行闡述。

盾構機液壓系統(tǒng)一般包括下面幾部分：推進及鉸接系統(tǒng)、拼裝機系統(tǒng)、螺旋機及輔助系統(tǒng)、砂漿動力系統(tǒng)、撐緊及支撐系統(tǒng)和刀盤驅動系統(tǒng)等。由于施工環(huán)境惡劣、人為操作不當?shù)仍颍簤河鸵菏艿轿廴荆е乱簤合到y(tǒng)發(fā)生故障，甚至停機，影響施工的正常進行，所以研究盾構機油液污染控制很有實際意義。

1 污染物來源

液壓系統(tǒng)的污染是指液壓油中出現(xiàn)了對系統(tǒng)的可靠性和元件壽命有害的物質和化學成分。對于盾構機而言，污染物有外界侵入的污染物、系統(tǒng)內殘留的污染物和系統(tǒng)生成的污染物3種。

1.1 外界侵入污染物

液壓系統(tǒng)在工作過程中經(jīng)常會受到外界污染物的侵入，由于盾構機工作在地下，施工環(huán)境差，有時施工地層中還含有豐富的水份和顆粒，設備在施工過程中難免要更換一線易損件，如濾芯、損壞的閥件、損壞的管路等，操作過程中由于工人經(jīng)驗和現(xiàn)場條件限制，清潔工作往往無法保障，致使液壓系統(tǒng)混如顆粒物。所以顆粒侵入是主要的污染來源之一。

1.2 系統(tǒng)內殘留的污染物

液壓系統(tǒng)及元件在加工、裝配、儲運中將污染物混入系統(tǒng)中，沒有得到及時有效的清理，如金屬切屑、焊渣、固體顆粒塵埃及清洗溶劑等。

1.3 系統(tǒng)生成的污染物

液壓系統(tǒng)各運動副相互摩擦產(chǎn)生的磨屑以及內表面銹蝕產(chǎn)生的銹片。據(jù)統(tǒng)計液壓系統(tǒng)故障有70%～80%是由液壓油污染造成的，而且事后維修發(fā)現(xiàn)由于油液中含有顆粒，導致各液壓元件摩擦加劇，從而引起各部件工作不正常，因此檢測液壓油的清潔度（污染度）顯得很有必要。

2 油液污染的危害

固體顆粒污染物的主要危害如下：容易卡住液壓閥芯，使液壓閥動作失靈，嚴重時會造成停機；易使過濾器堵塞，導致泵吸油困難而吸入空氣，使液壓泵發(fā)熱，產(chǎn)生噪聲，堵塞嚴重時因阻力大會將濾網(wǎng)擊穿；污染物進入液壓泵會堵塞泄漏通道、造成密封圈甚至壓蓋在運轉時被沖出，加速液壓泵的磨損，導致內泄漏加劇，降低液壓泵的容積效率，縮短元件壽命，并導致執(zhí)行元件運動減慢；其產(chǎn)生的磨料磨損會加劇液壓油的污染，造成液壓泵、油馬達、油缸、液壓閥的大面積過早磨損，以致失效。

3 具體故障事例及原因分析

3.1 油液污染顆粒導致油缸內泄漏

遼西北引水工程施工的TBM推進系統(tǒng)壓力經(jīng)常出現(xiàn)加不去壓力的現(xiàn)象，正常推進壓力在300bar左右、卻只能加壓的90bar左右，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是推進油缸活內泄漏所致。對推進油缸進行拆卸檢查，附著在活塞表面及缸桶內壁的固體顆粒清晰可見，活塞外表面（見圖3.1和圖3.2）與缸桶內壁（見圖3.3）均有磨損（大概為1/3圓周，為實際安裝空間的下方），活塞上的格萊圈有不同程度的磨損缺陷，并且全部龜縮在鑲銅表面下方，失去了密封作用。

分析其磨損機理如下：工作中先是油液混進固體小顆粒，在活塞與缸桶內表面的相對運動中磨壞了格萊圈，格萊圈出現(xiàn)小的凹坑后，造成局部泄漏，進而形成局部高溫（超過80℃），導致格萊圈下方的丁青橡膠密封圈在局部高溫中失效，并失去彈性不能對格萊圈提供向上的彈性支持，從而導致活塞處密封的失效并造成內泄。

3.2 油液污染顆粒致使液壓柱塞泵嚴重壞

在沈陽某型盾構機刀盤驅動液壓系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)兩臺閉式液壓泵擺盤能擺動，該系統(tǒng)由兩臺力士樂公司生產(chǎn)的A4CSG500排量閉式泵并聯(lián)驅動6臺林德液壓馬達。現(xiàn)場測量系統(tǒng)補油壓力20bar及控制壓力18bar均屬正常，但是強制動作泵頭比例閥芯后控制壓力油不足以推動變量活塞動作，主泵沒有流量輸出，經(jīng)過對主泵變量活塞兩個測量油堵更換測壓接頭后對其進行壓力測試發(fā)現(xiàn)其在比例滑閥在中位時，變量活塞缸大小腔體一個有壓力一個無壓力，與原理不符，分析可能是兩腔之間有阻尼孔發(fā)生阻塞所致。現(xiàn)場拆解泵的后端蓋發(fā)現(xiàn)后方內捏合補油泵齒輪幾乎徹底打碎（見圖3.4，圖3.5），并從內部發(fā)現(xiàn)有大量鐵屑。

在東莞地鐵施工的某型土壓設備，刀盤驅動是有三組液壓泵和馬達構成的閉式系統(tǒng)。在施工中聽見液壓泵傳出異常響聲。對柱塞泵隨后進行停機拆解后發(fā)現(xiàn)其內部滑靴全部脫落，磨損十分嚴重。原因分析：液壓泵內部阻尼孔被油液中的污染物堵死，滑靴接觸表面不能形成靜壓油膜，以至于發(fā)生兩金屬表面的直接高速摩擦磨損，最終該泵報廢。

3.3 液壓馬達活塞損壞

在北京施工的某土壓設備，螺旋機液壓系統(tǒng)壓力只能加壓到60bar左右，螺旋沒動作，經(jīng)過對相關可能的電氣元件及液壓泵的問題排除，最后對液壓柱塞馬達進行了拆解，發(fā)現(xiàn)其活塞嚴重磨損，并發(fā)現(xiàn)很多鐵削，液壓油中發(fā)現(xiàn)嚴重乳化，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)在熱交換器處隧道循環(huán)水與液壓油發(fā)生混合，污染物侵入并致使后來油液發(fā)生嚴重乳化。

4 結語

液壓系統(tǒng)的油液污染給整個系統(tǒng)的正常使用造成了極其嚴重的危害，在盾構機行業(yè)尤其突出。所以，在盾構施工中，如何制定行之有效而又科學合理的防污染措施變得尤為重要。這樣不僅可以減少因故停機，保證工期進度，也能很好地節(jié)約成本。

參考文獻：

[1]童偉，劉樹道.工程機械液壓系統(tǒng)油液的污染控制[J].同濟大學學報，2001（12）：1507-1509.

[2]劉云飛.柱塞泵滑靴磨損原因分析[R].中國工程機械工業(yè)協(xié)會維修及再制造分會，2012年技術峰會.2012.

[3]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].機械工業(yè)出版社，2005.8.