盾構閉式液壓系統補油量分析

李微先，劉永磊

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南鄭州 450016)

0 引言

目前，地鐵項目主要采用盾構法施工。就液驅盾構而言，其主驅動系統廣泛采用閉式液壓系統。閉式液壓系統的優點主要是換向沖擊小，變量控制方便，并且能以較小的體積和重量輸出較大的功率［1－4］，這對于緊湊的盾構空間而言是很重要的。

同時，閉式液壓系統需要專門的補油泵來為之補油［5－6］。補油的原因主要有3點:一是油液在循環過程中溫度不斷上升，需要將部分涼油補入閉式液壓系統中，置換掉部分熱油，以達到散熱的目的，使閉式液壓系統的工作溫度保持在合適的范圍內;二是閉式泵的軸承需要涼油沖洗冷卻和潤滑;三是閉式液壓系統存在泄漏現象。

那么，補油量為多少才算合適呢?若補油量太小，會導致散熱不足和油溫升高［7］，進而損壞閉式液壓系統;若補油量過大，則補油泵的成本升高，體積增大，且盾構狹小的空間又會制約著補油泵的體積。

近年來針對閉式液壓系統的研究，主要集中在故障分析［8］、特性分析［9－10］、系統分析［11］等方面，關于其補油量參數的分析與計算則相對較少。

本文以某地鐵盾構的主驅動閉式液壓系統為研究對象，針對該系統的補油量展開分析計算，推導并建立補油量的數學公式，確定出具體參數。

1 閉式液壓系統原理

閉式液壓系統原理如圖1所示。圖中左邊部分用點劃線框起來的是閉式泵集成，包括閉式泵1，單向閥3，4，5，安全溢流閥6，7(設定壓力約 35 MPa)，沖洗閥8。泵2是補油泵。閉式泵有2個壓力油口A，B，若A口輸出壓力油，驅動馬達旋轉，則回油自B口流回泵體，泵再將油液從A口輸出，循環往復;反之，若B口出油，則A口回油。因為省去了換向閥口的節流損失，故閉式系統的效率高于開式系統。假設泵1的A口是壓力油口，B口是回油口，則油液從泵1的A口流出，驅動馬達10旋轉，然后從B口流回泵1中，形成閉式循環回路。此時，沖洗閥8在A口油液的壓力下向右移，使B與C相通。當壓力達到溢流閥9的設定壓力后(該壓力小于補油壓力)，溢流閥9自動溢流，將部分熱油釋放，這是換油的主要途徑。同時，閉式液壓系統的泄漏也帶走一部分熱油，主要是泵和馬達的泄漏。

圖1 閉式液壓系統原理圖Fig.1 Principle of closed hydraulic system

補油泵2出口壓力的設定主要取決于閉式泵，常見的補油泵壓力設定為2～4 MPa，此壓力既要保證不損壞閉式泵，又要保證將溢流閥9打開，以實現順利換油。補油泵2提供的涼油到達閉式泵1后分為2路，一路經U口進入泵內，沖洗軸承，然后從泵的泄油口流出(不需要專門從泄油口給閉式泵的殼體加油);另一路經E口進入泵內，頂開單向閥4，與B口流回的熱油混合后進入閉式循環。此時，單向閥3被A口高壓油壓住而處于關閉狀態，單向閥5在其較高的開啟壓力和B口回油壓力的共同作用下也處于關閉狀態。

2 發熱功率Pt的計算

盾構主驅閉式液壓系統采用3個排量為750 mL/r的閉式泵共同驅動9個排量為500 mL/r的軸向柱塞馬達;3臺驅動電機的功率均為315 kW;由1個流量為940 L/min的補油泵同時給3個閉式泵補油，然后進入整個閉式液壓系統。

考慮到泵在運轉時可能會出現超負荷的情況，故電機的配置功率應大于額定功率。設電機功率配置的冗余量為10%，則額定工況下電機的有效輸出功率

由于閉式液壓系統沒有換向閥，去掉了閥口的壓力損失，故效率較高，經驗認為閉式液壓系統的效率為70%左右。

在額定工況下，閉式液壓系統的損失功率

損失的約30%的功率轉化為熱量、振動和噪聲。其中，絕大多數轉化為熱量，該熱量包括泵損失所產生的熱量、油液流過閥所產生的熱量、管路和其他損失所產生的熱量以及馬達損失所產生的熱量。設在損失的功率中熱量所占比例為98%，則發熱功率

式(3)中取用“≤”，是因為盾構主驅閉式液壓系統采用恒功率控制，系統在工作中的實際功率總是小于或等于額定功率。

恒功率工作曲線如圖2所示。A點是恒功率的起始點，B點是恒功率的結束點。在到達A點之前，系統的實際功率小于額定功率850.5 kW，故發熱功率小于250 kW。從A點開始，系統處于恒功率狀態，實際功率等于額定功率，故發熱功率等于250 kW。

功率等于壓力和流量之積。閉式泵一開始處在最大排量，在到達A點之前，壓力較低，實際功率小于額定功率;當壓力升高到A點時，實際功率等于額定功率，即達到系統設定的最大功率，此時受功率所限，升高壓力必須降低流量，故閉式泵的斜盤傾角變小;直到壓力升高到B點、泵自動跳停的限定值(約30 MPa)時，恒功率結束。

圖2 恒功率曲線圖Fig.2 Curve of constant power

3 補油量計算

3.1 穩定狀態的油液溫升ΔT1

已知電機的轉速n=1 500 r/min，閉式泵的排量V=750 mL/r，液壓油液的比熱容C=2 010 J/(kg·℃)，液壓油液的密度ρ=900 kg/m3。

取閉式系統的一個循環周期來考慮。設閉式液壓系統循環一周所需的時間為t，則閉式液壓系統循環一周的油液流量

系統循環一周油液的溫升

將數據代入，可計算出ΔT1≤2.5℃。

3.2 置換涼油的溫升ΔT2

設閉式系統合適的穩定工作溫度為T0，補入閉式系統的涼油溫度為T2，則混合后涼油的溫升

參照圖3所示的油液溫度范圍圖，結合工程實際，一般取T0=50℃，T2=40℃;則ΔT2=T0－T2=10℃。

圖3 油液溫度范圍圖Fig.3 Range of oil temperature

3.3 換油量ΔQ和換油系數τ

閉式液壓系統一個循環周期的換油量為ΔQ(ΔQ等于所有自循環過程中流出的熱油總量，主要是泵馬達的泄油和從溢流閥9換掉的油)，則閉式系統剩下的熱油量為Q－ΔQ。涼油和熱油混合后達到穩定工作溫度為T0，該過程中熱油放出的熱量等于涼油吸收的熱量。即

由式(7)可解得換油量

由式(8)可解得換油系數

3.4 補油量Q補和補油系數k

正常工況下，安全溢流閥6和7關閉，補油泵補入的涼油總量等于閉式系統換油量和閉式泵沖洗油液流量之和，即

查樣本知，每臺閉式泵的油液沖洗量為Q沖=30 L/min，則

則補油系數

可解得 k≤22.7%。

設系統的實際補油系數為k'，則

經比較可知，實際補油量超出了理論計算的最大補油量。在實際施工中，觸握補油泵的溢流回油管有明顯的回油脈動，說明補油泵提供的涼油并未全部進入閉式系統，這間接證明了本文分析計算的正確性。

4 結論與討論

1)建立了換油公式，推導出換油量和補油量的數學表達式，求解出換油系數 τ≤20%，補油系數k≤22.7%。

2)以往關于閉式液壓系統的論文和著作中在提到補油系數時，直接給出15% ～25%這一經驗值，并無分析計算。泵的生產廠家推薦的補油系數是20%(該值是泵廠家多年實踐的經驗值)，盾構制造廠家實際選取的補油系數是27.8%。由于二者都沒有提供理論分析與計算的數據，盾構的購買者借此提出增加補油量的要求;而增加補油量意味著增大泵的排量，泵的體積也隨之增大，但是盾構的空間緊湊而狹小，更大排量的補油泵很難布置。

3)通過分析計算，為閉式液壓系統的補油參數提供理論依據。計算結果表明，實際選用的補油泵能夠滿足盾構主驅閉式液壓系統工作所需要的補油量。

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