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【摘要】根据原有盾构机的冷却系统设计参数，结合现场设备的实际使用情况和工作环境，对设备检查分析后，提出了盾构机冷却系统存在的问题，在进行冷却系统计算校核后给出了改进措施及要求，对盾构机冷却系统进行改进，提高了施工效率。

【关键词】冷却系统;散热量;发热功率;冷却泵;热交换器

在城市地铁隧道施工中，盾构法得到广泛的推广使用，盾构机的发展也越来越迅速，盾构设备的技术越来越成熟。本文以广州地铁十八号线两台泥水盾构机为依托，结合现场施工时设备的实际使用情况，对设备现场存在的问题进行检查分析，通过计算后提出了改进措施和注意事项。

一、泥水盾构机简介

泥水盾构机集机、电、液、传感、信息技术于一体，根据部件功能可以分为盾构机支护系统、刀盘切削系统及驱动系统、盾构机推进系统、管片衬砌系统、同步注浆系统、泥浆环流系统、油脂密封润滑系统、水循环冷却系统、压缩空气系统、导向系统、电气控制等多种系统。采用泥水盾构机施工具有开挖速度快、自动化程度高、安全性高、综合效益高的特点。

盾构机水循环冷却系统

2.1 盾构机水循环冷却系统简介

盾构机冷却系统的冷却功能主要是通过水冷式油冷却器对液压、润滑系统的油温进行强制性降温。热交换器管内通冷却水，把油液中的热量带走，起到降温的作用。盾构机上的冷却系统分为外循环冷却系统和内循环冷却系统：

（1）冷却器通过两条管路与隧道外冷却水池形成外循环冷却系统，冷却水池通过冷却塔在空气自然散热，外循环系统主要冷却内循环系统;

（2）内循环系统安装在盾构机上，产生的高温靠外循环系统冷却，内循环系统主要冷却的部位有刀盘电机、主驱动内外密封、液压油箱、齿轮油、空压机等。

盾构机冷却系统存在的问题

3.1盾构机液压系统具体情况

两台泥水盾构机是由铁建重工改造原海瑞克S623/S624，在改造过程中对液压系统各部件进行拆解清洗，包括液压管路和阀组、过滤器等，液压泵和电机委托原厂家进行检测维修。原有过滤器滤芯在装机时进行更换，施工现场组装调试时进行了液压油、滤芯的第二次更换。

3.2盾构机液压系统存在问题

在盾构机之后的使用过程中液压系统出现了问题：

（1）液压主油箱温度传感器发出高温报警;

（2）变频柜刀盘电机变频器跳停并显示高温报警;

（3）空压机一直发出高温报警;

3.3液压油温升高的危害

盾构机在正常使用过程中，液压、润滑系统在压力与机械能转化过程中的功率损失大部分转变为热量，从而引起油温升高，液压系统油温一般不宜超过65 ℃，润滑系统油温一般不宜超过60 ℃，当温度超过60℃以后，会严重影响机器的正常使用、降低液压元件的使用寿命，并增加工程机械的维修成本。

液压油温度过高一般会给液压系统造成严重危害[1]：

（1）油温增高后，液压油粘度降低，泄露增加，液压容积效率降低;

（2）油温增高后，导致油膜强度降低，润滑性能下降，摩擦力增加，导致系统发热，并形成恶性循环;

（3）高温使油液加速氧化，性能变坏，油液寿命降低;

（4）高温时液压元件发热变形，使热膨胀系数不同的运动副产生间隙变化，甚至出现“卡死”现象;

3.4现场处理过程

3.4.1停机检修

考虑到可能是连续推进时间较长的原因，现场停机检修[2]：

（1）先去检查外循环水进水压力、温度及外循环水过滤器压差，发现并无问题，为了保证安全，更换了滤袋;

（2）检查了冷却过滤器压差开关，发现无问题，更换滤芯;

（3）检查油箱液位，并将油箱出油滤芯全部更换;

（4）随后机修检查内循环水储水罐，发现水量充足，温度偏高;

3.4.2检查问题

对内循环水进行了置换，置换后内循环水温度降低，开机推进，推进后不久液压系统依旧出现高温。鉴于之前检查出的问题，立即先后采取以下三方面措施[3]：

（1）使用红外测温枪分别检测热交换器进油口温度、出油口温度、进水口温度、出水口温度;

（2）检测完第一项后，进行液压油取样;

（3）将热交换器拆掉进行拆解;

3.4.3检测结果

（1）经检测，主油箱液压油油质检测合格，碎石机油箱液压油油质检测合格;

（2）主油箱热交换器进油口温度89℃、出油口温度82℃、进水口温度59℃、出水口温度68℃，温度普遍偏高;

（3）碎石机油箱热交换器进油口温度81℃、出油口温度78℃、进水口温度58℃、出水口温度63℃，温度普遍偏高;

（4）内循环水热交换器内水进水口温度58℃、内水出水口温度50℃、外水进水口温度28℃、外水出水口温度48℃;

（5）热交换器内部密封无问题，管路稍微有锈渍;

冷却系统热平衡计算

4.1 液压冷却系统相关设备及参数

（1）主油箱及碎石机油箱热交换器参数：

型号：GCD-016PI66PLATTEN

面积：A=10.24㎡（32板）

热交换系数：K=458w/（㎡*℃）

冷却水流量：Qw=180 l/min   （由冷却水泵参数得知）

水的密度：ρw=994kg/m³

水的热容量：Cw=4186J/（kg*℃）

油的流量：Qoil=127L/min    （由冷却泵参数得知）

（2）内循环水热交换器参数：

型号：GCD-016PI66PLATTEN

面积：A=31.68㎡（66板）

热交换系数：K=458w/（㎡*℃）

热交换器进水口温度：tw进=30℃

却水流量：Qw=380 l/min   （由内循环水泵参数得知）

水的密度：ρw=994kg/m³

水的热容量：Cw=4186J/（kg*℃）

油的流量：Qoil=268L/min    （由冷却泵参数得知）

（3）液压油及相关参数

盾构机采用壳牌46号液压油，液压油及相关参数如下：

油的密度：ρoil=852kg/m³

油的热容量：Coil=1980J/（kg*℃）

4.2 发热功率计算

液压系统发热功率计算公式如下[4]：

注： ：液压油泵电机的功率利用率，一般取0.8-0.9，参数取 =0.8

液压油泵的总效率，一般取0.7-0.8，参数取 =0.7*100%=70%

（1）液压系统主泵站发热功率计算

推进泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf1=132*0.8*（1-70%）=31.68kw

辅助泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf2=55*0.8*（1-70%）=13.20kw

拼装泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf3=132*0.8*（1-70%）=31.68kw

辅助应急泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf4=7.5*0.8*（1-70%）=1.80kw

拼装应急泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf5=11*0.8*（1-70%）=2.64kw

注浆泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf6=11*0.8*（1-70%）=2.64kw

（2）液压系统碎石机泵站发热功率计算

碎石机泵发热功率计算：

由式1计算可得：Pf7=2*75*0.8*（1-70%）=40.5kw

（3）主驱动减速机发热功率计算

主驱动减速机发热功率计算：

由式1计算可得：Pf8=350*6*0.8*（1-70%）=504kw

（4）主驱动齿轮发热功率计算：

主驱动齿轮摩擦发热，由齿轮油润滑降温，经查摩擦系数表可得，钢-钢动摩擦系数在有润滑的情况下，取值为 =0.05-0.1。

由式1计算可得：Pf9=350*6*0.1*（1-70%）=63KW

4.3 热交换器散热的确定

由物理学中以比热容来计算热量的公式：

Q=Cm∆t=CρV∆t

根据实际计算情况变形得：

注：P-表示单位时间产生的热量

C-表示比热容

ρ-表示密度

Q-表示单位时间内液体流过的体积

∆t-表示单位时间内的温度变化

1、热交换器出水口温度计算

（1）主油箱热交换器出水口温度计算（ ）

3、冷却系统各部位温度参数汇总对比表

4、平均温差计算

根据资料查的平均温差计算公式如下（各温度参数以实际测量温度值为计算参数）：

（1）主油箱热交换器

经公式计算得： =22℃

（2）碎石机油箱热交换器

经公式计算得： =19℃

（3）碎石机油箱热交换器

经公式计算得： =16℃

5、换热面积的计算

通过资料查找得传热方程式：

Q=KF∆t

注：Q-表示单位时间产生的热量

K-表示整个传热面上的平均传热系数

F-表示传热面积

∆t-表示两种流体的平均温差

根据传热方程式结合实际计算变形可得换热面积计算公式如下：

主油箱热交换器

经过公式计算得 m2<10.24m2，满足主油箱温度冷却使用要求。

（2）碎石机油箱热交换器

经过公式计算得 m2<10.24m2，满足碎石机油箱温度冷却使用要求。

（3）内循环热交换器

经过公式计算得 m2>31.68m2，不满足内循环水温度冷却使用要求。

6、热交换器换热板计算

经过计算内循环热交换器的散热面积不足，不能满足散热使用，因此需增大散热面积，本着经济的原则，决定在原有热交换器的基础上增加散热板数量，来达到增加散热面积的目的。散热板数目为N，新增散热板数目为N增：

结论

经过对冷却系统热交换器进出水口温度和进出油口温度对比，得出以下结论：

（1）碎石机油箱热交换器出水口温度实际测量值比理论设计计算值稍高，说明碎石机液压系统发热量比设计参考值增加，考虑到本机是属于旧机改造，判断是由于液压系统各部件有所老化，导致发热量增加;出油口温度比理论设计值稍高，说明热交换器散热能力稍微不足;

（2）发现主油箱热交换器进水口温度实际测量值比理论设计计算值稍高，说明整机液压系统发热量比设计参考值增加，考虑到本机是属于旧机改造，判断是由于液压系统及电气控制系统各部件有所老化，导致发热量增加;出油口温度比理论设计值稍高，说明热交换器散热能力稍微不足;

（3）发现内循环水热交换器内水进水口温度实际测量值比理论设计计算值偏高，说明整机液压系统发热量比设计参考值增加，考虑到本机是属于旧机改造，判断是由于液压系统各部件有所老化，尤其是主驱动和减速机发热量较大，导致发热量增加;内水出水口温度较高，远远超出理论设计值，证明内循环水热交换器散热能力严重不足，不能到达设计目标值;

对液压系统改进的建议

1、结合计算以及得出结论，为解决现场液压系统高温问题提出几点建议：

（1）增加碎石机油箱热交换器的散热能力，在原有的基础上增加20板散热板;

（2）增加主油箱热交换器的散热能力，在原有的基础上增加20板散热板;

（3）增加内循环水热交换器的散热能力，在原有的基础上增加89板散热板;

（4）增加隧道风机，加强隧道空气循环，达到整体降温的效果[5];

（5）加强主驱动及电机、减速机、空压机、液压泵保养，减小设备发热效率;

（6）增大循环水泵功率和流量，增强外水的携带热量的效率;

2、根据对液压系统的改进意见，结合现场条件，将三台热交换器委外改造，增加散热板，对热交换器针对增加轴流风机散热，加强空气流动。改动后完成组装，盾构机恢复推进，液压油及冷却水温度恢复正常。

七、参考文献

[1] 栾新立栾文博《液压系统热平衡计算和冷却方式的设计》1006-0006（2008）01-0059-02

[2] 赵海雲《盾构机循环水系统换热效率的探讨》 10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.023

[3] 徐霞瑞杨凌霄李红钢《盾构机冷却系统问题研究》 1672-3971（2013）11（b）-0101-02

[4] 牟映洁胡广权柳艳清《盾构机工业水循环系统设计》 [J]. 隧道建设，2012，32（06）：907-910

[5]曹成兵《双模盾构机通风和冷却系统的改进方法与实践》100-4655（2020）05-0016-04