盾构机HBW密封系统的改进

盾构HBW密封系统的改进王国义（中铁十三局集团有限公司成都地铁项目经理部四川成都610015）摘要盾构作为地铁隧道施工的主要设备在中国迅速发展，为了保证隧道施工的安全性，盾构诸多系统中的HBW密封系统有着重要的作用。本文从盾构的三种密封开始叙述，进而提出原HBW密封系统的设计原理和PLC控制原理，分析原设计由于没有控制分流器脉冲数的上限，致使实际HBW注入量远远超出理论范围，造成施工方成本的增加与浪费。为了能够降低施工成本在理论范围，提出在HBW密封系统设备的分流器前增加一气动球阀，设计一集成电路板对其进行控制，此集中电路板控制电磁阀两次通电间隔时间(0～99秒)和每次的脉冲数(0～99)都是可以调节的，从而保证HBW注入量可以调节到理论范围内。此系统改进后，经过实际应用，效果良好，能够达到节省盾构施工消耗成本的目的，同时也对其它盾构的HBW密封系统的改进有所借鉴。关键词HBW密封系统；设计原理；改进；成本ImprovementofthelabyrinthsealsystemforshieldmachineAbstractAsthemajortunnellingequipmentformetroconstruction,shieldmachinedevelopsrapidlyinChina.Toensurethesafetyofshieldtunnelling,labyrinthsealsystemplaysanimportantroleintheconstruction.Beginningwiththestatementofthreetypesofseal,thentheprinciplesoforiginalHBWsealsystemandPLCcontrolarebroughtout.Duetothelackofupperlimitofdiverterimpulse,thevolumeofinjectionofHBWisfarmoretheoreticalvolumewhichresultinwastingofHBWandhighcost.Forreducingthecostofproject,anair-poweredvalveissuggestedtobeaddedbeforediverter.AndanICboardisdesignedtocontrolthevalve.Theintervalofactivating(0~99)andeachimpulse(0~99)canbeadjusted.TheseensuretheHBWvolumecanbeadjustedtotheoreticalvolume.Theapplicationoftheimprovementprovesabetterresultandreductionofcost,andcanbeareferenceofotherproject.Keywordslabyrinthsealsystem；designprinciple；improvement；cost1盾构的密封盾构是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具。城市地铁使用盾构法施工是随着盾构掘进一定距离(一般为1.2米或1.5米)后使用拼装机将预制好的管片拼装到盾构盾尾内，然后继续掘进再拼装，周而复始。为了保证盾构内与盾构壳体外完全封闭、保证盾构施工人员的安全，盾构一般有三种密封：盾尾密封、铰接密封和主轴承密封。盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水、背后注入浆液、掘削面上的泥水、泥土从盾尾与管片之间的间隙流向盾构内而设置的封装措施。盾尾密封通常使用三排不锈钢钢丝刷，并且在钢丝刷之间注入盾尾密封脂进行实时填充，以达到良好密封效果。为了能够在小曲率半径下施工，盾构一般做成2节的形式。中盾与盾尾之间以铰接的形式存在。铰接密封是为了防止周围地层的土砂、地下水等从中盾与盾尾之间的间隙流向盾构内而设置的封装措施。铰接密封的主要材料一般采用盘根或特制的弹性橡胶。主轴承是盾构的最重要部件之一，它主要通过液压或电力为刀盘提供必要的旋转扭矩。主轴承密封分为内部密封系统和外部密封系统（如图1）。内部密封系统由双唇形密封系统组成，双唇形密封系统与轴承座圈成X型排列，这样可以保护主轴承的小齿轮空间，不会受到来自盾构内的污染。另外，润滑油手动注入到两唇形密封件之间，可以提高密封效果，减少磨损。外部密封系统由三排唇形密封系统组成，这样可以防止盾构土仓内的渣土、地下水等进入主轴承内，提高主轴承的使用寿命。第一排与第二排唇形密封件之间自动注入润滑脂，可以提高密封和润滑效果。第二排与第三排唇形密封件之间是泄漏室，可以检查主轴承的密封是否失效。为了尽最大可能防止盾构土仓内的渣土、地下水等外部杂质侵入三排唇形密封，在第一排唇形密封前部填加密封油脂HBW。填加HBW密封油脂的系统就称为HBW密封系统。主轴承中心方向主轴承滚柱主轴承与盾体固定部分主轴承旋转部分渣土和水压方向注润滑脂外部密封系统内部密封系统与盾体固定与刀盘固定，旋转与盾体固定注脂注润滑油泄漏室盾构内侧盾构外侧图1主轴承密封系统图2盾构的HBW密封系统2.1HBW密封系统的设计原理当刀盘旋转时，HBW密封脂通过盾构台车上的气动注脂泵输送到盾构主轴承外部密封系统第一排唇形密封前圆周均匀分布的8个注入点，将其环形空间填满，可以有效防止土仓内的杂质进入三排唇形密封，进而防止进入主轴承内，提高主轴承的寿命。2.2HBW密封系统的工作原理与电气控制某盾构的HBW密封系统(如图2)工作原理如下：当V5电磁阀处于通电状态下，空压机产生的高压气体经三联体Z1中的冷凝器、气体减压阀、油雾器、安全单向阀V3进入气动注脂泵P2，气动注脂泵在有压气体作用下工作，从气动注脂泵的下口吸入无压HBW密封脂，从出口泵出高压力的密封脂，高压密封脂经截止阀1V002输送到分流器1V001中，高压密封脂推动分流器中的8个齿轮马达旋转，同时分成8等份密封脂分别注入到第一排唇形密封前的8个注入点内。通过手动调节z1中的气体减压阀的气体压力可以控制气动注脂泵的泵送压力(每增加1bar气压气动注脂泵可以增加50bar的泵送HBW脂压力)，从而控制分流器的齿轮转速，达到控制HBW注脂量的目的。使用三位五通阀1P001可以实现HBW密封脂桶的更换。此HBW密封系统的电气控制原理：气动注脂泵启动分为自动启动模式和手动启动模式。自动启动模式是当刀盘开始旋转时，盾构上的PLC控制系统自动使二位三通阀V5通电，气动注脂泵工作，刀盘停止旋转后V5自动断电，气动注脂泵停止工作。手动启动模式是盾构司机将气动注脂泵启动按钮按下，盾构上的PLC控制系统使二位三通阀V5通电，气动注脂泵工作，当气动注脂泵停机按钮按下后，气动注脂泵停止工作。开关S4断电后盾构PLC系统在主控制室的操作屏幕上显示HBW桶空的错误信息，指导施工人员更换HBW。PLC程序通过接近开关S2的脉冲信号可以计算出盾构掘进一环时气动注脂泵的泵送次数。分流器上的8个齿轮马达每旋转一周接近开关S1通电一次。盾构HBW理论用量S1每分钟脉冲数等于5，即每分钟注入HBW脂0.0496升。为了能够保证HBW在刀盘旋转时的注入量，PLC程序设定如下：当接近开关S1每分钟的脉冲数大于或等于5时刀盘正常旋转，当小于5时刀盘停止旋转。图2HBW密封系统原理图2.3HBW密封系统的缺点HBW密封脂属于消耗性产品，作为施工方要求唇形密封效果好，HBW的消耗也要最少(每分钟0.0496升)，即经济又合理。根据HBW密封系统的工作控制原理可知，为了能够保证盾构刀盘的正常旋转必须要保证接近开关S1每分钟的脉冲数大于或等于5(使用者最希望的是每分钟的脉冲数等于5)，而脉冲数的多少取决于Z1中的气体减压阀的气体压力大小。由于气动注脂泵的泵送能力大，气体压力很小变化就会造成HBW脂的泵送量变化很大，同时温度不同，HBW脂的粘度不同，在相同气体压力下泵送速度也不同，因此造成气体减压阀的调节十分困难。使用者只能通过调节气体压力使S1每分钟的脉冲数大于5，才能保证刀盘的正常旋转。这就造成HBW脂的消耗量过大。经过统计，成都地铁1号线盾构二标掘进40环，气动注脂泵工作50小时，实际消耗HBW脂327.36升，理论消耗148.8升，实际消耗是理论消耗的2.2倍。如果按此计算整个项目3000环，HBW要多消耗13392升，折合人民币78.12万元。HBW脂的过量消耗要求尽快找出一个解决办法，将HBW脂的用量控制在理论范围内。3HBW密封系统的改进HBW密封系统的改进主要是使分流器接近开关S1每分钟的脉冲数等于5，这样即满足了盾构HBW密封系统的理论用量，又不会浪费。3.1HBW密封系统的改进方案根据HBW密封系统现有设备的配置，进行了多种方案研究、比较和论证。第一种方案是HBW密封系统的设备不变，将盾构PLC程序作如下改动：气动注脂泵开始工作即阀V5通电，在一分钟范围内当接近开关S1脉冲数等于5时阀V5断电，自从阀V5通电开始计时，一分钟后阀V5再次通电，在一分钟范围内当接近开关S1脉冲数等于5时阀V5再次断电，自从阀V5上次通电开始计时，一分钟后阀V5再次通电，周而复始，保证分流器接近开关S1的脉冲数等于5，即HBW使用用量在理论范围内。当一分钟内接近开关S1脉冲数小于5时PLC控制刀盘停止旋转，经过增加气体压力可以使一分钟大于或等于5个脉冲。经过讨论认为此种方案不可行。因为气动注脂泵距离分流器的距离约为40至50米，阀V5断电后分流器内HBW的压力逐渐降低，当阀V5开始通电到分流器前有足够压力的HBW脂推动8个齿轮马达开始工作至少需要几十秒，因此阀V5经常通电、断电，会造成分流器接近开关S1脉冲数在一分钟内无法达到5，也就是刀盘无法正常旋转。第二种方案是在原有HBW密封系统设备的基础上，在分流器的前面增加一个由电磁阀控制的气动球阀，气动球阀电磁阀的控制由一个集成电路板控制。集成电路板具有如下功能：当阀V5开始工作后，气动球阀电磁阀通电，开始注入HBW密封脂，接近开关S1脉冲数等于5时气动球阀电磁阀断电，停止注HBW密封脂。气动球阀电磁阀通电一分钟后阀再次通电，周而复始。气动注脂泵一直处于工作状态，气动球阀前HBW密封脂一直处于高压状态，只要气动球阀电磁阀通电，接近开关S1的脉冲数会在一分钟内等于5，气动球阀电磁阀断电，HBW密封脂停止注入。最后大家认为第二种方案是可行的，即控制了HBW的成本，又不会增加费用。3.2HBW密封系统的改进HBW密封系统增加的设备采用盾构盾尾注脂使用的气动球阀（如图3）。为了保证刀盘的正常旋转，HBW密封系统Z1中的气体减压阀调节进入气动注脂的气体压力要高一些，保证气动球阀电磁阀一直通电条件下每分钟接近开关S1脉冲数大于5。当Z1中气体压力调节过高时注入HBW密封脂压力高，分流器接近开关S1脉冲数在一分钟内的几秒或十几秒就达到5，然后气动球阀电磁断电，几十秒HBW密封脂停止注入，这就造成HBW密封脂注入不均匀。为了保证HBW脂注入的均匀性，在第二种方案的基础上，要求通电的相隔时间和此时间段内接近开关S1的脉冲数都是可以调节的。HBW密封系统可以为集成电路板提供以下条件：24V直流电源；接近开关S1的信号；需要集成电路板工作的信号(即阀V5的信号)；集成电路板需要具有如下功能：当气动注脂泵启动阀V5工作时，电路板输出信号气动球阀开始工作，当接近开关S1达到设定脉冲后气动球阀停止工作，相隔一定时间后气动球阀再次工作。为了保证HBW注入的均匀性，要求时间(0至99秒)和接近开关S1脉冲数(0-99)在此范围内是可以任意调节的。集成电路板制造商完成了以上的设计(如图4)后，将气动球阀和集成电路板安装在盾体分流器附近，又按图5进行了配线。在盾构掘进时，将时间和脉冲分别设定为12秒和1次，即每隔12秒要求接近开关S1脉图3HBW密封系统改进简图冲数等于1，分流器8个齿轮马达旋转一周，HBW密封脂分成8等份注一次，即达到理论用量(每分钟接近开关S1脉冲数为5，注HBW密封脂