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摘要: 研究的盾构掘进机刀盘驱动液压系统是闭式油路容积调速液压系统, 系统由两个大排量的HD 控制型变量泵驱动8 个变量液压马达。液压系统中的泵和马达的控制是通过一个集成的电液控制模块实现的, 模块中包括有比例溢流阀和功率限制阀, 实现了变量泵的比例控制和恒功率控制。分析了这种多驱动泵液压系统的恒功率控制原理, 计算了功率限制阀的调节参数; 建立了液压系统的AMEsim仿真模型, 仿真分析了液压系统的基本特性。仿真分析表明, 该控制系统能够满足设计要求。
关键词: 盾构掘进机 液压系统 电液比例控制 恒功率控制
盾构掘进机是地面下暗挖隧道的专用机械, 它具有一个可以移动的钢结构外壳( 护盾) , 盾壳内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置, 进行土层开挖、渣土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作, 使隧道结构施工一次完成。盾构的工况很复杂, 在不同的地质条件下差异很大。刀盘是盾构挖掘土层的关键部件, 盾构刀盘驱动具有功率大、转矩变化大和转速范围广等特点。为此, 有必要研究大功率和变负载工况下液压控制技术。
由于泵控马达调速回路具有很高的效率和速度刚度, 采用多个大流量变量泵并联驱动多个高速小转矩液压马达, 再通过减速机和齿轮传动机构驱动刀盘是目前较为先进的控制方式。其特点是系统组成简单, 安全可靠, 负载变化对刀盘转速影响小。本文研究的系统采用HD 型液控比例变量泵, 通过1个控制模块进行集中控制, 实现整个系统的比例控制、恒功率控制和不同工作模式下的安全压力控制。通过这个控制模块实现多泵、多马达的同时调节, 实现安全压力的同时设定, 因此使得结构简化, 系统的可靠性高。
1 液压系统工作原理
图1 所示液压系统是应用在南京某地铁隧道施工的盾构刀盘驱动液压系统。 （图片）
变量马达组2.变量泵组3.补油泵4.蓄能器5、6.溢流阀7、12.换向阀8.先导液压泵9.液压控制模块10.调速阀11.减压阀
图1 某盾构刀盘驱动液压系统 整个液压系统由3 个回路组成, 包括主驱动回路、补油回路和液压控制回路。主驱动回路是闭式回路, 由两台比例变量泵( HD 型, 最大排量750 mL/r)驱动8 台变量马达( 两点液控型, 最大排量500mL/r, 高速挡排量300 mL/r) 。液压控制模块9 提供控制油, 实现主驱动泵排量的比例控制和恒功率控制以及液压马达排量的控制。调速阀10 和减压阀11 调节进入马达的控制油流量和压力, 换向阀12实现马达排量的两挡控制。蓄能器4 用于减少补油油路的压力脉动, 溢流阀5 设定了补油及主驱动泵的换油压力。
液压控制模块9 有3 个功能, 第一, 通过比例溢流阀调节主驱动泵的排量; 第二, 通过顺序阀和溢流阀设定系统的最大工作压力; 第三, 通过功率限制阀实现系统中两个变量泵的恒功率控制, 即在反馈系统压力作用下, 调节主驱动泵的排量, 使刀盘转速降低, 同时还能降低系统压力, 减小刀盘承受的转矩。模块中选用了Rexroth 公司的LV06 型功率限制阀, 如图2 所示。（图片）
1.阶梯阀芯2.阀口开度控制弹簧3.组合调节弹簧4.左端盖
5.螺母6.中空螺母7.调节螺杆8.垫片
图2 功率限制阀原理图 这个功率限制阀由1 个直动溢流阀和阶梯阀芯1 组成, 阶梯阀芯两端分别是阀口开度控制弹簧2和组合调节弹簧3, 调节弹簧抵抗作用在阶梯阀芯上的液压力。控制口Pst 与主驱动泵的先导控制油口相联接, 高压口Phd 通过梭阀与主回路相联接。如果系统压力超过功率限制阀的设定压力, 阶梯阀芯向右运动压缩调节弹簧, 减小了阀口开度控制弹簧上的压力, 阀口溢流, 减小控制压力, 使主驱动泵保持恒功率输出。
图1 中为使控制回路的压力稳定, 先导液压泵8, 即控制油变量泵选用了恒压螺杆泵, 回路中采用了调速阀和减压阀。
2 恒功率控制计算
2.1 功率限制阀参数设定
系统主要设计技术参数如表1 所示。（图片） 因为刀盘驱动工作转矩很大, 且空间位置有限, 因此采用高压系统, 初定系统工作压力24.5 MPa。最大脱困转矩5 225 kN·m, 最高工作压力29 MPa。高速挡转矩2 620 kN·m, 此时马达的排量300 mL/r, 系统压力24.5 MPa。
已知刀盘驱动的大齿圈减速比为ic=5.94, 以最大输出转矩要求确定减速器速比ij=51.42, 额定输出转矩80 kN·m, 峰值输出转矩120 kN·m, 选用2 台功率为315 kW的电机, 转速1 490 r/min。额定工况下驱动电机功率储备按7%考虑, 单泵的最大有效输出功率为:（图片） 式中: NM———电机输出功率;
ηmc———联轴器机械效率;
ηpm———液压泵的机械效率;
ηpv———液压泵的容积效率。
采用功率限制阀进行恒功率控制时, 需要调定恒功率的起始压力和恒功率结束压力。
2.1.1 确定恒功率的起始点
起始时, 按低压全流量考虑, 则泵的进出口压差为:（图片） 式中: Vp———变量泵的排量;
np———变量泵的转速。
因为泵的进口压力设定为: pi =2 MPa
所以泵的出口压力为: po =14.2+2=16.2 MPa
则马达的进口压力为: pm =16.2 MPa
故功率限制阀的起始压力调节为:
pm1=16.2 MPa
2.1.2 确定恒功率结束点
最大驱动转矩4 377 kN·m 时, 系统工作压力为24.5 MPa。故设定功率限制阀的结束压力调节为:pm2=25 MPa
2.2 恒功率时刀盘最低转速计算
由于液压泵和液压马达的泄漏, 计算刀盘转速时需考虑液压泵和液压马达的容积效率。
最大转矩且变量泵恒功率时, 液压泵的进出口压差为pm2 - pi=23 MPa, 则单泵排量为:（图片） 脱困时, 脱困转矩5 225 kN·m, 系统工作压力29 MPa, 则单泵排量为:（图片） 动力系统的传动关系如图3 所示。（图片）
图3 动力系统的传动关系 低速挡时, 液压马达排量为500 mL/r, 刀盘最低转速为：（图片） 式中: ηmv———液压马达的容积效率;
Vm———变量马达的排量。
高速挡时, 液压马达排量为300 mL/r, 刀盘最低转速为:（图片） 脱困时, 液压马达排量为500 mL/r, 刀盘最低转速:（图片） 3 系统建模与仿真
3.1 液压系统建模
采用AMESim 软件对液压系统仿真是检验系统性能的有效方法。图4 所示为液压系统仿真模型。液压系统模型中, 建立变量泵模型时, 将实际双向变量泵的外部和内部泄漏通过3 个液阻模拟, 模型中还考虑了变量泵的补油、换油及安全回路。液压马达组及减速器子模型通过AMESim 的子模型库建立成为1 个独立封装的子模型, 其具体结构见图5。负载模型用转动惯量子模型和转矩子模型及分段输入信号子模型搭建。控制油回路中, 选用了恒压变量泵子模型, 功率限制阀通过HCD 库元件搭建。（图片）
图4 液压系统仿真模型 （图片）
图5 马达组及减速器仿真模型 3.2 液压系统仿真
液压系统的仿真参数设定: 刀盘转动部件的转动惯量45 000 kg·m2; 工作模式: 液压马达调节到最大排量500 mL/r, 刀盘转矩随机最大变化量400 kN·m。
图6 为某软土工况时刀盘转矩的仿真信号与比例溢流阀的调节信号。（图片） 控制压力、单液压泵输出流量如图7 所示。0～7 s 时, 控制压力按比例溢流阀的控制信号成比例变化, 7 s 后系统达到恒功率点, 功率限制阀开启, 控制信号不再按调节信号成比例变化, 液压泵进入恒功率状态。（图片）
图7 控制压力和单泵输出流量 单泵输出功率和刀盘转速如图8 所示。（图片）
图8 单泵输出功率和刀盘转速 可见, 尽管比例调速时负载变化很大, 刀盘转速却能按调节电流实现稳定调节, 主要原因是系统采用高速小转矩马达驱动方式且刀盘具有大惯量。但是功率限制阀开启后, 由于负载有大幅度的波动, 控制信号很难保持稳定, 因此, 刀盘转速有一定波动。但由于液压马达有泄漏, 相当于旁路有油液溢流, 实际的刀盘转速波动要小一些。
比例溢流阀和功率限制阀的流量特性见图9。（图片）
图9 比例溢流阀和功率限制阀的流量 由图可见, 比例溢流阀工作时的流量以及在恒功率点时比例溢流阀与功率限制阀的流量变化情况。
图10 所示为控制回路中是否有调速阀时的控制泵8 输出流量仿真曲线, 可以看出, 带调速阀时泵输出流量恒定, 而不带调速阀时, 控制泵输出流量较大。因此, 带调速阀的控制回路功率小, 更节能。（图片）
图10 调速阀对控制泵流量的影响 4 结论
( 1) 文中的电液比例泵控马达调速系统, 能够实现盾构刀盘驱动的调速要求, 在刀盘转矩变化较大的情况下, 刀盘转速稳定;
( 2) 文中的系统采用功率限制阀能有效地实现多泵液控系统的恒功率控制, 但在负载变化大时, 控制压力有波动;
( 3) 控制回路中的调速阀不仅具有稳定流量的作用, 而且具有稳定回路压力和降低功率的作用。
参考文献
[1] 刘仁鹏. 土压平衡盾构技术综述[J].世界隧道, 2000(1):1- 7.
[2] 路甬祥. 液压气动技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.
[3] 吴根茂, 邱敏秀, 王庆丰, 等. 实用电液比例技术[M].杭州: 浙江大学出版社, 1993.
7/22/2011
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