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摘要：研究了一种改进的盾构掘进机刀盘驱动液压系统,通过驱动功率优化配置实现系统的节能. 液压系统由2个大排量液控比例变量泵与2 个小排量的电控比例变量泵组合驱动8 个液控变量液压马达. 液压系统采用电液比例技术进行泵的排量控制,通过包括有比例溢流阀和功率限制阀的液控回路实现了2 个大排量变量泵的比例变量和恒功率控制,通过电控系统实现2 个小排量泵的比例变量和恒功率控制. 建立了液压系统的AMEsim 仿真模型,仿真分析了液压系统的调速特性、恒功率特性及负载变化对调速特性的影响. 试验研究表明,这种多泵组合调速能满足盾构的不同工况需求.
关键词: 盾构掘进机;刀盘驱动;多泵优化组合驱动;AMEsim 仿真
盾构掘进机是用于土质地层或弱地层全断面开挖的机械化施工设备. 盾构包括开挖、排土、拼装和推进等机械装置,进行土层开挖、碴土排运、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[1 ] . 由于地质差异,盾构埋深变化,盾构的工况很复杂,盾构刀盘驱动具有功率大、扭矩变化大和转速范围广的特点. 西班牙马德里M30 公路隧道盾构直径为15.2 m ,采用了50 台液压马达、24 台泵和12台电机组成刀盘驱动液压系统,驱动功率达17 100kW. 该盾构有2 个切削刀盘,大刀盘的最大扭矩为125 000 kN ·m ,最大转速为2.05 r/ min ,小刀盘在最大转速6.05 r/ min 时的输出扭矩为5 000 kN ·m[2 ] .
目前,先进盾构的刀盘液压驱动系统大多采用数个大流量变量泵并联供油,驱动多个高速小扭矩液压马达,再通过减速机和齿轮传动机构驱动刀盘的方案,已经普遍应用电液比例技术进行刀盘调速.这种刀盘液压驱动系统功率密度大,占用空间小,负载变化对刀盘转速影响小. 装机功率应按最大的驱动功率计算,由于隧道的刀盘驱动功率变化大,刀盘驱动功率很难精确计算,通常需要有较大的储备量.若全部选用大流量变量泵及驱动电机,在多数施工期间电机和液压泵的负载率低,经常处于欠功率运行,效率不高[3 ] .
本文以φ6.3 m 土压平衡盾构为研究对象,刀盘驱动系统所需最大驱动扭矩为4 377 kN ·m、最大脱困扭矩5 225 kN ·m、高速挡扭矩2 620 kN ·m. 刀盘驱动采用目前先进的比例变量泵驱动变量马达的技术,对比研究3 个大泵联合驱动和2 个大泵加2 个小泵组合驱动2 种方式的液压系统效率表明,在刀盘的工作转速范围为0～3.0 r/ min 时,多泵组合驱动方式比多泵联合驱动方式效率高3 %～7 %. 因此,从节能的角度出发,设计的液压系统采用了多泵组合驱动方式,在盾构掘进过程中,可以根据实际功率需要优化组合大小驱动泵,提高电机的负载率和液压泵的功率利用率.
1 工作原理
1. 1 液压系统原理
刀盘驱动液压系统中的主驱动回路由2 个大排量变量泵与2 个小排量的变量泵组合供油驱动8 个双向液控变量液压马达. 大排量泵是双向液控比例变量泵,其排量变化范围为- 750～750 cm3 / r ;小排量泵是带辅助泵的双向电控比例变量泵,其排量变化范围为- 250 ～250 cm3 / r . 大排量泵的补油、换油及壳体冲洗由独立的补油回路提供,补油口附近安装了容积为20 L 的蓄能器, 充气压力为1.5MPa. 泵的补油压力设定为2 MPa. 小排量泵的补油和壳体冲洗由与其同轴的辅助泵提供. 变量马达为液压两点控制型,其控制油口施加控制压力或不施加控制压力使马达的排量设定在500 或300 L/ r .
刀盘驱动液压系统中的控制油回路为大排量主驱动泵和变量马达提供控制油. 回路由恒压变量螺杆泵驱动,通过主驱动泵控制油路和液压马达控制油路分别向变量泵和变量马达供油. 主驱动泵控制油路包括比例调压部分、恒功率、最大扭矩压力设定及脱困压力设定部分. 液压马达控制油路包括控制压力设定支路和制动油缸压力设定支路.
主驱动泵控制油经过调速阀、减压阀后由比例溢流阀调定压力,比例溢流阀的出口压力通过调节其比例电磁铁的控制电流设定,以实现主驱动泵排量的比例调节.
主驱动泵的恒功率控制是通过一个功率限制阀实现,其高压口PHD 接系统反馈压力,低压口PSt 接比例溢流阀出口. 当系统压力超过功率限制阀起始压力时,功率限制阀溢流,使液控变量泵的控制压力降低,保持泵输出功率恒定;当系统压力达到功率限制阀终点压力时,功率限制阀的阀口全部打开,溢流量最大,控制压力最低,变量泵的流量最小. 功率限制阀的结构如图1 所示. （图片）
图1 功率限制阀结构图 图1 中,功率限制阀可以看成是由一个直动溢流阀和阶梯滑阀1 组成的. 阶梯滑阀两端分别是阀口控制弹簧2 和调节弹簧3 ,作用在阶梯滑阀上的液压力克服调节弹簧预压力. 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. 如果系统压力超过预先功率限制阀的起始设定压力,阶梯阀芯向右运动压缩调节弹簧,减少了阀口开度控制弹簧上的压力,阀口有溢流,减少控制压力,使主驱动泵保持恒功率输出.
主驱动泵的最大扭矩压力设定通过一个顺序阀(设定压力为25 MPa) 和一个溢流阀实现,顺序阀入口连接比例溢流阀出口,出口接溢流阀;同样,主驱动泵瞬时脱困压力设定也通过一个顺序阀(设定压力为29 MPa) 和一个溢流阀实现,顺序阀入口连接比例溢流阀出口,出口接溢流阀. 两顺序阀控制口分别接一个两位两通换向阀A 口和B 口,该换向阀P口连接液压系统的反馈压力油路,通过该手动换向阀将反馈压力切换到其中一个顺序阀的控制口,并通过溢流阀确定在相应系统压力下控制油的压力,即刀盘输出是最大扭矩还是脱困扭矩. 这2 个溢流阀的设定压力应使刀盘能输出转速0.8 r/ min.
液压马达控制压力由调速阀、减压阀(出口压力为2 MPa) 和一个两位四通换向阀调定,通过换向阀确定液压马达的控制压力是0 或2 MPa ,相应的马达排量为500 或300 L/ r ,即该换向阀确定了系统是低速挡工况还是高调速挡工况. 制动油缸油路上有调速阀、减压阀、2 位4 通换向阀和单向节流阀,当制动油缸通压力油时,液压力克服弹簧力使制动松开;反之,在弹簧力使用下刀盘驱动轴被抱死.
1. 2 液压泵组合与功率优化匹配控制策略
多泵组合驱动控制策略是在满足刀盘转速需求的基础上,按功率匹配原则依次开启辅助泵以适应刀盘扭矩的要求. 图2 所示为刀盘转速控制框图.（图片）
图2 刀盘转速控制框图 多泵组合驱动控制的策略是:设置刀盘转速的分区点,当不超过分区点时,仅2 个主泵驱动刀盘转动;当设定的转速超过转速分区点时,2 个主驱动泵的输出流量不足以驱动刀盘达到设定转速时,开启辅助泵进入组合驱动模式以适应调速要求. 若刀盘扭矩较大时,2 个主驱动泵进入恒功率控制;刀盘转速低于设定转速时,开启辅助泵进入组合驱动模式以适应功率要求. 当调速结束,刀盘转速已经达到设定转速,进入转速监控状态. 若刀盘转速出现大幅度下降,说明盾构进入较硬地层,需要调整推进速度并重新设定刀盘转速. 若刀盘转速降低到最小设定转速,这时刀盘油压急剧上升,液压系统安全阀溢流,进入安全保护状态,应启动刀盘脱困模式,将辅助泵全部开启,维持刀盘在较低的速度下掘进.
针对软土和硬岩地层,设置2 种相应的控制模式. 其中,控制策略相同,控制参数有所不同.
2 系统建模与仿真
2. 1 液压系统建模
液压系统仿真是检验系统性能的有效方法[4 ] .采用AMESim 软件建立的多泵优化组合驱动液压系统仿真模型如图3 所示. 仿真模型与实际系统同样包括主回路、补油回路和控制压力回路. 模型中,通过液阻模拟了泵与马达的外部和内部泄漏,通过AMESim 的HCD 库建立了3 位3 通换向阀、功率限制阀、2 位4 通换向阀和顺序阀的子模型. 下面给出几个关键的模型参数,见表1.表1 部分子模型参数设定
（图片）（图片）
图3 液压系统仿真模型 2.2 液压系统运行效果仿真
2. 2.1 仿真工况与运行设定
根据在不同马达排量对应的刀盘扭矩设置了6 种仿真工况,如表2 所示. 表中:马达排量V g = 300 cm3 / r 为高速档,V g =500 cm3 / r 为低速档; T 为刀盘扭矩.
系统运行时,液压泵控制信号如表3 和图4 所示,曲线1 为1 、2 号主泵的比例溢流阀调节信号,曲线2 和3 为3 、4 号辅助泵的调节信号.（图片） （图片）
图4 液压泵控制信号 2. 2.2 仿真结果与分析不同工况下液压系统的仿真结果,如图5～7 所示.（图片） 刀盘调速仿真结果如图5 所示. 可以看出,刀盘转速能按调节电流成比例变化,但在启动时,刀盘转速略滞后调节,滞后程度与刀盘扭矩有关. 刀盘调节范围满足设计要求. 在马达低速挡,2 个主驱动泵工作,当轻载时,刀盘转速可达到1.67 r/ min ;当重载时,恒功率控制作用下,刀盘转速可达到1.05 r/min ,可满足刀盘低速掘进的需要,辅助泵可增加刀盘转速0.29 r/ min. 在马达高速挡,2 个主驱动泵工作,当轻载时,刀盘转速可达到2.8 r/ min ; 当重载时,恒功率控制作用下,刀盘转速可达到2.1 r/ min ,可满足刀盘大部分高速掘进的需要,辅助泵可增加刀盘转速0.5 r/ min.（图片） 刀盘不同负载并调速时液压系统性能如图6 和7 所示. 从图6 看出,在相同的负载下,马达高速挡的系统压力高于马达低速挡的系统压力. 当刀盘扭矩T = 1 000 kN ·m 时,系统压力分别为9 和6.5MPa ,当刀盘扭矩为T = 2 000 kN ·m ,系统压力分别为17.5 和11.5 MPa. 因此,刀盘输出相同转速,当马达在高速挡时,系统所消耗功率高.
3 系统运行试验
试验在上海地铁二号线西延伸段威宁路段. 单泵组合试验在第794 环段,1 、2 号主泵设定一个转速后并入3 号泵. 主顶推进过程中因故障2 次停机,刀盘转向变化了2 次. 3 号辅助泵的控制信号连续调节,刀盘转速、液压马达入口压力和3 号辅助泵出口压力如图8 和9 所示. 双泵组合试验在第809环段,1 、2 号主泵设定一个转速后同时并入3 、4 号泵,驱动系统性能曲线如图10 和11 所示.（图片）
图8 单泵合并调速 （图片） 试验表明,通过PLC 控制实现了辅助泵驱动与主机系统转向联机,与主机系统同向工作. 辅助泵并入系统时,系统性能稳定,单个辅助泵全流量可使刀盘转速提高约0.28 r/ min. 试验结果与仿真分析相比,刀盘转速差了0.01 r/ min ,这说明实际系统中液压泵和液压马达的泄漏量比仿真模型中的泄漏量大一些. 通过试验研究验证了多泵组合驱动方式的运行性能,从性能上来说,这种驱动方式能满足刀盘驱动的技术要求,节能效果还需要通过长期使用得到验证.
4 结论
(1) 排量不同、控制方式不同的比例变量泵能优化组合并结合液压马达两点排量控制,可以满足盾构刀盘的正反转和转速需求,并使系统处于最高效率.
(2) 液压马达高速挡运行时比低速挡效率低,因此,除了在硬土质需刀盘高速转动的场合,应采用低速挡掘进.
(3) 采用功率限制阀与比例溢流阀的控制油回路,结构简单,性能可靠.
7/22/2011
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