盾構(gòu)機(jī)HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)6頁

1、盾構(gòu)HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)王國義（中鐵十三局集團(tuán)有限公司成都地鐵項目經(jīng)理部 四川成都 610015）摘 要 盾構(gòu)作為地鐵隧道施工的主要設(shè)備在中國迅速發(fā)展，為了保證隧道施工的安全性，盾構(gòu)諸多系統(tǒng)中的HBW密封系統(tǒng)有著重要的作用。本文從盾構(gòu)的三種密封開始敘述，進(jìn)而提出原HBW密封系統(tǒng)的設(shè)計原理和PLC控制原理，分析原設(shè)計由于沒有控制分流器脈沖數(shù)的上限，致使實際HBW注入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論范圍，造成施工方成本的增加與浪費。為了能夠降低施工成本在理論范圍，提出在HBW密封系統(tǒng)設(shè)備的分流器前增加一氣動球閥，設(shè)計一集成電路板對其進(jìn)行控制，此集中電路板控制電磁閥兩次通電間隔時間(099秒)和每次的脈沖數(shù)(099)

2、都是可以調(diào)節(jié)的，從而保證HBW注入量可以調(diào)節(jié)到理論范圍內(nèi)。此系統(tǒng)改進(jìn)后，經(jīng)過實際應(yīng)用，效果良好，能夠達(dá)到節(jié)省盾構(gòu)施工消耗成本的目的，同時也對其它盾構(gòu)的HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)有所借鑒。關(guān)鍵詞 HBW密封系統(tǒng)；設(shè)計原理；改進(jìn)；成本Improvement of the labyrinth seal system for shield machineAbstract As the major tunnelling equipment for metro construction, shield machine develops rapidly in China. To ensure the safety

3、 of shield tunnelling, labyrinth seal system plays an important role in the construction. Beginning with the statement of three types of seal, then the principles of original HBW seal system and PLC control are brought out. Due to the lack of upper limit of diverter impulse, the volume of injection

4、of HBW is far more theoretical volume which result in wasting of HBW and high cost. For reducing the cost of project, an air-powered valve is suggested to be added before diverter. And an IC board is designed to control the valve. The interval of activating(099) and each impulse(099) can be adjusted

5、. These ensure the HBW volume can be adjusted to theoretical volume. The application of the improvement proves a better result and reduction of cost, and can be a reference of other project. Key words labyrinth seal system；design principle；improvement；cost1 盾構(gòu)的密封盾構(gòu)是一種既能支承地層的壓力、又能在地層中掘進(jìn)的施工機(jī)具。城市地鐵使用盾構(gòu)

6、法施工是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)一定距離(一般為1.2米或1.5米)后使用拼裝機(jī)將預(yù)制好的管片拼裝到盾構(gòu)盾尾內(nèi)，然后繼續(xù)掘進(jìn)再拼裝，周而復(fù)始。為了保證盾構(gòu)內(nèi)與盾構(gòu)殼體外完全封閉、保證盾構(gòu)施工人員的安全，盾構(gòu)一般有三種密封：盾尾密封、鉸接密封和主軸承密封。盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水、背后注入漿液、掘削面上的泥水、泥土從盾尾與管片之間的間隙流向盾構(gòu)內(nèi)而設(shè)置的封裝措施。盾尾密封通常使用三排不銹鋼鋼絲刷，并且在鋼絲刷之間注入盾尾密封脂進(jìn)行實時填充，以達(dá)到良好密封效果。為了能夠在小曲率半徑下施工，盾構(gòu)一般做成2節(jié)的形式。中盾與盾尾之間以鉸接的形式存在。鉸接密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水等從中盾與

7、盾尾之間的間隙流向盾構(gòu)內(nèi)而設(shè)置的封裝措施。鉸接密封的主要材料一般采用盤根或特制的彈性橡膠。主軸承是盾構(gòu)的最重要部件之一，它主要通過液壓或電力為刀盤提供必要的旋轉(zhuǎn)扭矩。主軸承密封分為內(nèi)部密封系統(tǒng)和外部密封系統(tǒng)（如圖1）。內(nèi)部密封系統(tǒng)由雙唇形密封系統(tǒng)組成，雙唇形密封系統(tǒng)與軸承座圈成X型排列，這樣可以保護(hù)主軸承的小齒輪空間，不會受到來自盾構(gòu)內(nèi)的污染。另外，潤滑油手動注入到兩唇形密封件之間，可以提高密封效果，減少磨損。外部密封系統(tǒng)由三排唇形密封系統(tǒng)組成，這樣可以防止盾構(gòu)土倉內(nèi)的渣土、地下水等進(jìn)入主軸承內(nèi)，提高主軸承的使用壽命。第一排與第二排唇形密封件之間自動注入潤滑脂，可以提高密封和潤滑效果。第二排與

8、第三排唇形密封件之間是泄漏室，可以檢查主軸承的密封是否失效。為了盡最大可能防止盾構(gòu)土倉內(nèi)的渣土、地下水等外部雜質(zhì)侵入三排唇形密封，在第一排唇形密封前部填加密封油脂HBW。填加HBW密封油脂的系統(tǒng)就稱為HBW密封系統(tǒng)。圖1 主軸承密封系統(tǒng)圖2 盾構(gòu)的HBW密封系統(tǒng)2.1 HBW密封系統(tǒng)的設(shè)計原理當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時，HBW密封脂通過盾構(gòu)臺車上的氣動注脂泵輸送到盾構(gòu)主軸承外部密封系統(tǒng)第一排唇形密封前圓周均勻分布的8個注入點，將其環(huán)形空間填滿，可以有效防止土倉內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入三排唇形密封，進(jìn)而防止進(jìn)入主軸承內(nèi)，提高主軸承的壽命。2.2 HBW密封系統(tǒng)的工作原理與電氣控制某盾構(gòu)的HBW密封系統(tǒng)(如圖2)工作原理如

9、下：當(dāng)V5電磁閥處于通電狀態(tài)下，空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)三聯(lián)體Z1中的冷凝器、氣體減壓閥、油霧器、安全單向閥V3進(jìn)入氣動注脂泵P2，氣動注脂泵在有壓氣體作用下工作，從氣動注脂泵的下口吸入無壓HBW密封脂，從出口泵出高壓力的密封脂，高壓密封脂經(jīng)截止閥1V002輸送到分流器1V001中，高壓密封脂推動分流器中的8個齒輪馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，同時分成8等份密封脂分別注入到第一排唇形密封前的8個注入點內(nèi)。通過手動調(diào)節(jié)z1中的氣體減壓閥的氣體壓力可以控制氣動注脂泵的泵送壓力(每增加1bar氣壓氣動注脂泵可以增加50bar的泵送HBW脂壓力)，從而控制分流器的齒輪轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制HBW注脂量的目的。使用三位五通閥1P00

10、1可以實現(xiàn)HBW密封脂桶的更換。此HBW密封系統(tǒng)的電氣控制原理：氣動注脂泵啟動分為自動啟動模式和手動啟動模式。自動啟動模式是當(dāng)?shù)侗P開始旋轉(zhuǎn)時，盾構(gòu)上的PLC控制系統(tǒng)自動使二位三通閥V5通電，氣動注脂泵工作，刀盤停止旋轉(zhuǎn)后V5自動斷電，氣動注脂泵停止工作。手動啟動模式是盾構(gòu)司機(jī)將氣動注脂泵啟動按鈕按下，盾構(gòu)上的PLC控制系統(tǒng)使二位三通閥V5通電，氣動注脂泵工作，當(dāng)氣動注脂泵停機(jī)按鈕按下后，氣動注脂泵停止工作。開關(guān)S4斷電后盾構(gòu)PLC系統(tǒng)在主控制室的操作屏幕上顯示HBW桶空的錯誤信息，指導(dǎo)施工人員更換HBW。PLC程序通過接近開關(guān)S2的脈沖信號可以計算出盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)時氣動注脂泵的泵送次數(shù)。 分流器

11、上的8個齒輪馬達(dá)每旋轉(zhuǎn)一周接近開關(guān)S1通電一次。盾構(gòu)HBW理論用量S1每分鐘脈沖數(shù)等于5，即每分鐘注入HBW脂0.0496升。為了能夠保證HBW在刀盤旋轉(zhuǎn)時的注入量，PLC程序設(shè)定如下：當(dāng)接近開關(guān)S1每分鐘的脈沖數(shù)大于或等于5時刀盤正常旋轉(zhuǎn)，當(dāng)小于5時刀盤停止旋轉(zhuǎn)。圖2 HBW密封系統(tǒng)原理圖2.3 HBW密封系統(tǒng)的缺點 HBW密封脂屬于消耗性產(chǎn)品，作為施工方要求唇形密封效果好，HBW的消耗也要最少(每分鐘0.0496升)，即經(jīng)濟(jì)又合理。根據(jù)HBW密封系統(tǒng)的工作控制原理可知，為了能夠保證盾構(gòu)刀盤的正常旋轉(zhuǎn)必須要保證接近開關(guān)S1每分鐘的脈沖數(shù)大于或等于5(使用者最希望的是每分鐘的脈沖數(shù)等于5)，而

12、脈沖數(shù)的多少取決于Z1中的氣體減壓閥的氣體壓力大小。由于氣動注脂泵的泵送能力大，氣體壓力很小變化就會造成HBW脂的泵送量變化很大，同時溫度不同，HBW脂的粘度不同，在相同氣體壓力下泵送速度也不同，因此造成氣體減壓閥的調(diào)節(jié)十分困難。使用者只能通過調(diào)節(jié)氣體壓力使S1每分鐘的脈沖數(shù)大于5，才能保證刀盤的正常旋轉(zhuǎn)。這就造成HBW脂的消耗量過大。經(jīng)過統(tǒng)計，成都地鐵1號線盾構(gòu)二標(biāo)掘進(jìn)40環(huán)，氣動注脂泵工作50小時，實際消耗HBW脂327.36升，理論消耗148.8升，實際消耗是理論消耗的2.2倍。如果按此計算整個項目3000環(huán)，HBW要多消耗13392升，折合人民幣78.12萬元。HBW脂的過量消耗要求盡

13、快找出一個解決辦法，將HBW脂的用量控制在理論范圍內(nèi)。3 HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn) HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)主要是使分流器接近開關(guān)S1每分鐘的脈沖數(shù)等于5，這樣即滿足了盾構(gòu)HBW密封系統(tǒng)的理論用量，又不會浪費。3.1 HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)方案根據(jù)HBW密封系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備的配置，進(jìn)行了多種方案研究、比較和論證。第一種方案是HBW密封系統(tǒng)的設(shè)備不變，將盾構(gòu)PLC程序作如下改動：氣動注脂泵開始工作即閥V5通電，在一分鐘范圍內(nèi)當(dāng)接近開關(guān)S1脈沖數(shù)等于5時閥V5斷電，自從閥V5通電開始計時，一分鐘后閥V5再次通電，在一分鐘范圍內(nèi)當(dāng)接近開關(guān)S1脈沖數(shù)等于5時閥V5再次斷電，自從閥V5上次通電開始計時，一分鐘后閥V5

14、再次通電，周而復(fù)始，保證分流器接近開關(guān)S1的脈沖數(shù)等于5，即HBW使用用量在理論范圍內(nèi)。當(dāng)一分鐘內(nèi)接近開關(guān)S1脈沖數(shù)小于5時PLC控制刀盤停止旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過增加氣體壓力可以使一分鐘大于或等于5個脈沖。經(jīng)過討論認(rèn)為此種方案不可行。因為氣動注脂泵距離分流器的距離約為40至50米，閥V5斷電后分流器內(nèi)HBW的壓力逐漸降低，當(dāng)閥V5開始通電到分流器前有足夠壓力的HBW脂推動8個齒輪馬達(dá)開始工作至少需要幾十秒，因此閥V5經(jīng)常通電、斷電，會造成分流器接近開關(guān)S1脈沖數(shù)在一分鐘內(nèi)無法達(dá)到5，也就是刀盤無法正常旋轉(zhuǎn)。第二種方案是在原有HBW密封系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，在分流器的前面增加一個由電磁閥控制的氣動球閥，氣動球

15、閥電磁閥的控制由一個集成電路板控制。集成電路板具有如下功能：當(dāng)閥V5開始工作后，氣動球閥電磁閥通電，開始注入HBW密封脂，接近開關(guān)S1脈沖數(shù)等于5時氣動球閥電磁閥斷電，停止注HBW密封脂。氣動球閥電磁閥通電一分鐘后閥再次通電，周而復(fù)始。氣動注脂泵一直處于工作狀態(tài)，氣動球閥前HBW密封脂一直處于高壓狀態(tài)，只要氣動球閥電磁閥通電，接近開關(guān)S1的脈沖數(shù)會在一分鐘內(nèi)等于5，氣動球閥電磁閥斷電，HBW密封脂停止注入。最后大家認(rèn)為第二種方案是可行的，即控制了HBW的成本，又不會增加費用。3.2 HBW密封系統(tǒng)的改進(jìn)HBW密封系統(tǒng)增加的設(shè)備采用盾構(gòu)盾尾注脂使用的氣動球閥（如圖3）。為了保證刀盤的正常旋轉(zhuǎn)，H

16、BW密封系統(tǒng)Z1中的氣體減壓閥調(diào)節(jié)進(jìn)入氣動注脂的氣體壓力要高一些，保證氣動球閥電磁閥一直通電條件下每分鐘接近開關(guān)S1脈沖數(shù)大于5。當(dāng)Z1中氣體壓力調(diào)節(jié)過高時注入HBW密封脂壓力高，分流器接近開關(guān)S1脈沖數(shù)在一分鐘內(nèi)的幾秒或十幾秒就達(dá)到5，然后氣動球閥電磁斷電，幾十秒HBW密封脂停止注入，這就造成HBW密封脂注入不均勻。為了保證HBW脂注入的均勻性，在第二種方案的基礎(chǔ)上，要求通電的相隔時間和此時間段內(nèi)接近開關(guān)S1的脈沖數(shù)都是可以調(diào)節(jié)的。 HBW密封系統(tǒng)可以為集成電路板提供以下條件：24V直流電源；接近開關(guān)S1的信號；需要集成電路板工作的信號(即閥V5的信號)；集成電路板需要具有如下功能：當(dāng)氣動注

17、脂泵啟動閥V5工作時，電路板輸出信號氣動球閥開始工作，當(dāng)接近開關(guān)S1達(dá)到設(shè)定脈沖后氣動球閥停止工作，相隔一定時間后氣動球閥再次工作。為了保證HBW注入的均勻性，要求時間(0至99秒)和接近開關(guān)S1脈沖數(shù)(0-99) 在此范圍內(nèi)是可以任意調(diào)節(jié)的。 集成電路板制造商完成了以上的設(shè)計(如圖4)后，將氣動球閥和集成電路板安裝在盾體分流器附近，又按圖5進(jìn)行了配線。在盾構(gòu)掘進(jìn)時，將時間和脈沖分別設(shè)定為12秒和1 次，即每隔12秒要求接近開關(guān)S1脈 圖3 HBW密封系統(tǒng)改進(jìn)簡圖 沖數(shù)等于1，分流器8個齒輪馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周，HBW密封脂分成8等份注一次，即達(dá)到理論用量(每分鐘接近開關(guān)S1脈沖數(shù)為5，注HBW密封脂0.0496升)，保證盾構(gòu)HBW消耗量在合理范圍。時間和脈沖可以根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。同時為了保證HBW密封脂注入更加均勻，氣動注脂泵的控制氣壓不宜過大，保證氣動球閥電磁閥通電時每分鐘接近開關(guān)S1脈沖數(shù)在68之間，這樣氣動球閥電磁閥的斷電時間少，通電時間長，HBW密封系統(tǒng)大部分時間處于注脂狀態(tài)。經(jīng)過掘進(jìn)180環(huán)觀察，HBW密封系統(tǒng)改進(jìn)后運行正常，刀盤能夠正常旋轉(zhuǎn)，HBW的消耗量控制在理論范圍內(nèi)，降低了盾