超挖刀系统是盾构机的重要组成部件，是为盾 构机曲线掘进、转弯、纠偏而设计，通过超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏[1]。

 

1　超挖刀装置概况

超挖刀安装在刀盘的边缘 (见图 1)，通过液压缸来控制超挖刀的伸缩。盾构机在转向掘进时，可操作液压缸使超挖刀沿刀盘的径向伸出，扩大开挖直径，以便于盾构机的转向。

 

如果盾构机刀盘外周全体超挖，不对伸出量进行控制，盾构机转向容易，但方向难以控制，且对土体扰动大，会造成较大的土体沉降[2-3]。常用的盾构机大多具有超挖刀伸出量控制功能，并且超挖刀系统设置有位移检测装置，超挖刀能够根据需要将切削刀头突出刀盘外周一定长度，使旋转刀盘在局部范围完成超挖 (见图 2)，满足盾构机转向的需要。

 

2　液压控制系统原理及分析

目前盾构机超挖刀位移检测装置分为 2 种，直接检测和间接检测。直接测量是在超挖刀液压缸上安装位移传感器，如铁建重工生产的盾构机，但信号需要通过旋转接头传递，存在信号衰减和干扰问题，难以保证测量准确度，因此很少采用[4]。间接测量主要有 2 种设计方案。一种是在超挖刀液压缸其中一个油路上串联流量计，如日本小松生产的盾构机，通过检测液压油的流量和时间，计算油液体积变化，间接检测超挖刀液压缸的伸出量，检测原理如图 3 所示。换向阀 1 实现液压缸的伸缩控制，当超挖刀伸出/ 缩回时，右/ 左位接入系统。单向节流阀 2 调节液压缸的伸缩速度，液压锁 3 实现液压缸位移的锁定。流量计 4 与超挖刀液压缸 6 有杆腔串联，超挖刀液压缸伸出/ 缩回时，通过流量计测得进入液压缸的流量，计算出液压缸有杆腔体积变化，除以有杆腔有效面积，即可间接计算出超挖刀的位移量。

 

另一种方案是在超挖刀液压缸油路有杆腔串联一个检测液压缸，利用超挖刀液压缸和串联的检测液压缸之间流量相等的原理，间接测量超挖刀液压缸的位移。中铁装备和德国海瑞克生产的盾构机多采用该方案，其检测原理如图 4 所示。

 

当超挖刀伸出时，电磁换向阀 1 右位接入系统，同时电磁换向阀 8 得电。油液经主电磁换向阀 1、单向节流阀 2、平衡阀 3、旋转接头 4 进入超挖刀液压缸无杆腔。超挖刀液压缸有杆腔的油液经旋转接头 4、平衡阀 3、换向阀 8 右位，进入检测液压缸无杆腔，将超挖刀液压缸的有杆腔和检测液压缸的无杆腔之间串联起来。检测液压缸有杆腔的油液经单向阀和主电磁换向阀 1 或电磁换向阀 8 回油箱。当超挖刀缩回时，主电磁换向阀 1 左位接入系统，同时电磁换向阀 8 失电。油液经主电磁换向阀 1 左位、电磁换向阀 8 左位、平衡阀 3、旋转接头 4 进入超挖刀液压缸的有杆腔。超挖刀液压缸无杆腔的油液，经旋转接头 4、平衡阀 3、主电磁换向阀1回油箱。当超挖刀液压缸完全缩回后，超挖刀液压缸有杆腔油压升高，顺序阀 9 打开，油液进入检测液压缸小腔；检测液压缸大腔油液经电磁换向阀 8 及单向阀回油箱，直到检测液压缸完全缩回。

 

4　误差量分析

4.1　流量计法测量误差分析

使用流量计的盾构机超挖量间接测量方法，误差主要有测量误差和累计误差两部分。测量误差从超挖量的计算公式分析，其计算精度主要取决于流量计的检测精度，精度#高的容积式流量计测量误差也在 0.05％ 以上。

 

由于液压缸在重复伸缩的过程中，存在一定程度的内泄，液压缸多次伸缩动作后，测量位移与实际位移也会存在较大的累积误差，准确度会逐步降低。

 

4.2　串联检测液压缸法测量误差分析

串联检测液压缸的盾构机超挖量间接测量方法，由于超挖刀收回时液压缸完全缩回，可以消除累计误差，因此测量误差主要为计算误差。

 

超挖量的计算精度主要取决于位移传感器的检测精度。传感器的测量误差小于 0.02%，重复误差不超过满量程的±0.001%。虽然液压缸在伸缩的过程中存在一定程度的内泄，但是由于系统的顺序动作设计，可以保证超挖刀液压缸的完全缩回，消除累计误差。这种检测方法精度较高，目前被广泛采用。

 

5　结语

对目前盾构机常用的流量计检测和串联检测液压缸 2 种超挖量间接检测方法进行了对比分析，研究了 2 种方法的检测原理和误差形成机理及误差来源，得出以下结论。

(1) 流量计检测方法的误差来源主要是流量计的测量误差和累计测量误差。实际工作中，流量计的测量误差难以消除，而且该方法又缺少消除累计误差的有效措施，因此超挖量检测精度较低，且检测精度会随着累计误差的增大而进一步降低。

(2) 串联检测液压缸方法可有效消除累计测量误差，其误差来源是位移传感器的测量误差。由于位移传感器的测量精度比流量计的测量精度高很多，因此该方法的检测精度要明显高于流量计检测方法。

 

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