盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺

1、盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺                        摘 要: 介紹了盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)分區(qū)工作原理, 設(shè)計了推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺, 詳細闡述了其測試原理和測試方法。對試驗臺系統(tǒng)中的主要參數(shù)進行了設(shè)計計算, 并對其主要元器件進行了選型。測試結(jié)果和現(xiàn)場推進表明所設(shè)計的試驗臺系統(tǒng)可滿足推進液壓系統(tǒng)集成閥塊功能的檢測; 同時也表明所設(shè)計的集成閥

2、塊是可靠的, 能成功應用于推進液壓系統(tǒng)中, 滿足現(xiàn)場盾構(gòu)施工的要求。關(guān)鍵詞: 盾構(gòu) 推進液壓系統(tǒng) 集成閥塊 試驗臺       盾構(gòu)機是集多學科技術(shù)于一體的專用于地下隧道開挖的大型工程裝備。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等特點,與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢1、2。      推進系統(tǒng)承擔著整個盾構(gòu)機的頂進任務, 要求完成盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運動, 使得盾構(gòu)機能沿著事先設(shè)定好的路線前進, 是盾構(gòu)機的關(guān)鍵系統(tǒng)

3、?？紤]到盾構(gòu)機具有功率大、變負載和動力遠距離傳遞及控制等特點, 其推進系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)動力的傳遞、分配及控制3。      由于盾構(gòu)推進系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣, 并且工作空間有限, 要求控制系統(tǒng)閥塊均采用集成技術(shù), 并要具有高的可靠性。本文主要對推進系統(tǒng)閥塊試驗臺的工作原理和設(shè)計計算進行介紹, 為推進系統(tǒng)閥塊的性能檢測提供一個測試平臺。1 推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺原理設(shè)計      為了對設(shè)計的推進系統(tǒng)閥塊進行性能測試, 根據(jù)閥塊的測試要求設(shè)計了 1 個試驗臺。該試驗臺可以實現(xiàn)以下幾個方面的測

4、試: 1) 閥塊密封性能測試; 2) 比例壓力閥調(diào)壓性能測試; 3) 比例流量閥調(diào)速性能測試; 4) 液控單向閥保壓性能測試; 5) 插裝閥控制測試。      圖 1 為所設(shè)計的推進系統(tǒng)閥塊試驗臺原理圖。圖中序號 1222 所示為被測試的推進系統(tǒng)集成閥塊原理圖。推進液壓系統(tǒng)采用帶電比例溢流閥的恒壓變量泵作為動力源, 向 4 個分區(qū)同時供油, 由于采用了分區(qū)控制, 4 個分區(qū)只是在盾構(gòu)截面的分布位置不同, 其控制方式和工作原理則完全相同4。如圖所示, 比例溢流閥 14 調(diào)節(jié)液壓缸推進壓力, 與壓力傳感器檢測的壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制, 實時控制

5、推進壓力; 比例調(diào)速閥 22 調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的流量,與安裝在液壓缸內(nèi)的內(nèi)置式位移傳感器檢測到的位移構(gòu)成速度閉環(huán)反饋控制, 實時控制推進速度。插裝閥 12 和二位三通電磁換向閥 13 可短路比例調(diào)速閥22, 實現(xiàn)推進液壓缸的快速運動, 從而減少液壓油進入液壓缸的沿程壓力損失。插裝閥 21 和二位三通電磁換向閥 15 則用來實現(xiàn)推進液壓缸快速回退, 減小液壓油回程阻力。三位四通電磁換向閥 20 用來完成工作狀態(tài)的切換, 可實現(xiàn)推進液壓缸的前進、后退和停止狀態(tài)。溢流閥 18 用來實現(xiàn)系統(tǒng)過載保護, 推進瞬間液壓缸進油口會出現(xiàn)瞬時過載, 此時溢流閥 18立即開啟形成短路, 進、回油路自循環(huán), 使過載油路

6、得到緩沖。二位二通電磁換向閥 17 用來實現(xiàn)故障停機時液壓缸卸載檢修, 可減小卸載中的壓力沖擊。二位二通電磁換向閥 17 前的阻尼孔可防止二位二通電磁換向閥 17 卸載時產(chǎn)生的壓力沖擊。插裝閥 12、21 前的阻尼孔用來調(diào)節(jié)插裝閥的開啟速度, 改變插裝閥的靜動態(tài)特性和減小液壓沖擊。阻尼孔直徑根據(jù)經(jīng)驗值一般取 0.82.5 mm。      根據(jù)推進系統(tǒng)集成閥塊的工作原理, 試驗臺系統(tǒng)測試原理及測試方法如下:      首先, 給測試閥塊加壓, 檢驗閥塊密封性能,同時檢驗閥塊回路是否暢通。

7、0;       二位四通閥 7 調(diào)置為左位, 三位四通閥 20 置于左位, 比例調(diào)速閥 22 置于最大開口, 節(jié)流閥 11 置于某一開口, 啟動液壓泵, 調(diào)節(jié)比例溢流閥 14, 通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊比例溢流閥調(diào)節(jié)功能是否正常。      二位四通換向閥 7 調(diào)置為左位, 三位四通換向閥 20 置于左位, 比例溢流閥置于最大值, 加載節(jié)流閥 11 置于最大開口, 啟動液壓泵, 調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥 22, 通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)功能是否正常。   

8、   二位四通換向閥 7 調(diào)置為右位, 啟動液壓泵,關(guān)閉比例調(diào)速閥 22, 關(guān)閉加載節(jié)流閥 11, 給閥塊加壓到一某值, 關(guān)閉液壓泵, 可以檢測液控單向閥 16和插裝閥 21 的保壓性能。打開加載節(jié)流閥 11, 可以同時檢測三位四通換向閥 20 的密閉性。調(diào)節(jié)溢流閥18, 可以檢測溢流閥 18 的過載卸荷能力。給二位二通換向閥 17 上電, 檢測是否有壓力沖擊聲音, 從而選擇合適的阻尼孔, 減小壓力沖擊。      二位四通換向閥 7 調(diào)置為左位, 三位四通換向閥 20 置于右位, 比例溢流閥 14 置于最大壓力, 比例調(diào)速

9、閥 22 和加載節(jié)流閥 11 置于某一開口, 啟動液壓泵, 給二位三通換向閥 13 和 15 通斷電, 通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊插裝閥通斷功能是否正常。2 測試系統(tǒng)主要參數(shù)計算      根據(jù)推進系統(tǒng)要求, 測試系統(tǒng)壓力應大于或等于推進系統(tǒng)設(shè)計壓力。推進系統(tǒng)最大工作壓力為21.5 MPa, 那么測試系統(tǒng)壓力可取 22 MPa。2.1 系統(tǒng)流量的確定      推 進 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 元 件 液 壓 缸 的 尺 寸 為200/160×1 900 mm, 系統(tǒng)要求每區(qū)液壓缸回退時的最大速

10、度 v 為 1.4 m/min, 其中下位區(qū)有 10 個液壓缸, 回退時所需流量為      上位區(qū)有 6 個液壓缸, 其回退所需流量為 95L/min, 左、右區(qū)各有 8 個液壓缸, 其回退所需流量為126.6 L/min。      本測試系統(tǒng)主要對推進系統(tǒng)集成閥塊壓力控制性能進行相關(guān)測試, 流量控制性能可以模擬上位區(qū)即 6 個推進液壓缸流量控制性能研究, 因此系統(tǒng)流量確定為 95 L/min。2.2 主驅(qū)動泵的參數(shù)計算及選型      根據(jù)

11、計算出的流量和系統(tǒng)壓力選取主驅(qū)動液壓泵。選擇時, 泵的額定流量應與計算所需流量相當,不要超過太多。但泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高出 25% 或更高些。根據(jù)泵流量公式得出泵的排量為      式中: Vg液壓泵理論排量(mL/r)              q1系統(tǒng)需要流量(L/min), q1=95 L/min        

12、0;     n電機轉(zhuǎn)速(r/min),n =1 500 r/min              v液壓泵容積效率, v=0.9      根據(jù)計算, 液壓泵選取德國 Rexroth 產(chǎn)品, 型號為 A10VO71DR。該泵為變量泵, 應用于開式系統(tǒng)。其額定壓力為 28 MPa, 峰值壓力為 35 MPa, 理論排量為 71 mL/r, 可滿足系統(tǒng)工作要求。2.3 電機功率計算及

13、選型      根據(jù)公式得電機功率為      式中: N所需電機功率( kW)              qp泵的額定流量(L/min)              Vg泵的排量( mL/r) , Vg=71 mL/r  

14、;            n電機轉(zhuǎn)速(r/min),n =1 500 r/min              m泵的機械效率, m=0.9              v泵的容積效率, v=0.9   &

15、#160;         p系統(tǒng)壓力差( MPa) , p =22 MPa      根據(jù)計算, 選取 ABB 公司的 Y2- 250M- 4- B35型電機, 其功率為 55 kW, 滿足系統(tǒng)要求。                       &

16、#160;     2.4 油箱設(shè)計      油箱采用開式油箱, 箱內(nèi)液面與大氣相通, 在油箱頂部設(shè)置空氣濾清器, 并兼作注油口用。油箱有效容積一般為泵每分鐘流量的 37 倍, 泵的每分鐘的流量為       油箱有效容積應為 95.8×7=670.6 L, 按有效容積為 80% 計算油箱的總?cè)莘e為 840 L?？沙醪蕉ㄓ拖淙叺某叽鐬?1000 mm×1000 mm×850 mm。2.5 輔助元件計算選型

17、0;     過濾器是液壓系統(tǒng)中的重要元件。它可以消除液壓油中的污染物, 保持油液清潔度, 確保系統(tǒng)元件工作的可靠性。根據(jù)其要求, 系統(tǒng)壓力管路過濾器選用溫州黎明公司的 ZU- H250×10DFP。      根據(jù)油箱的有效容積為 670.6 L 和系統(tǒng)最大流量 95 L/min, 選用黎明公司的濾清器 EF7- 100。其加油流量為 110 L/min, 空氣流量為 1 055 L/min。按照吸油管路流速 v 為 0.51.5 m/s, 確定吸油管路內(nèi)徑:   

18、;   取標準軟管通徑內(nèi)徑 50 mm,可滿足要求。      按照液壓油管路流速 v為 47 m/s, 確定液壓油管路內(nèi)徑:      取標準軟管通徑 19 mm, 可滿足要求。3 泵站及試驗臺三維設(shè)計及實物圖      為了提高系統(tǒng)設(shè)計的準確性, 以及試驗臺系統(tǒng)各部件整體組裝的結(jié)構(gòu)緊湊性和密封性, 采用了三維參數(shù)化設(shè)計軟件 Pro/E 建立的三維實體,能夠完全再現(xiàn)各個實物零件的真實特征, 從而方便、直觀地進行實體虛擬裝配和

19、運動分析。通過觀察裝配體的各個部位, 檢查設(shè)計的正確性、合理性和準確性, 使各種問題在設(shè)計階段就被發(fā)現(xiàn)解決, 提高了設(shè)計效率5。圖 2 為采用 Pro/E 設(shè)計的系統(tǒng)泵站及試驗臺三維布置圖。圖 3 為所要測試的推進系統(tǒng)集成閥塊圖, 圖4 為推進系統(tǒng)集成閥塊試驗臺。4 調(diào)試結(jié)果及現(xiàn)場推進      通過在試驗臺上調(diào)試發(fā)現(xiàn), 集成閥塊和各個元件之間的密封性能好, 回路也暢通, 可長時間在系統(tǒng)工作壓力 22 MPa 下工作, 并可承受最大峰值壓力35 MPa, 滿足系統(tǒng)密封性能要求。調(diào)節(jié)比例閥的放大板電流, 比例調(diào)速閥和比例溢流閥可在標定范圍內(nèi)010

20、0%無級調(diào)速, 也能滿足系統(tǒng)工作要求。同時插裝閥的通斷功能、溢流閥的過載卸荷能力以及換向閥的壓力沖擊均符合設(shè)計要求。      把所設(shè)計的推進系統(tǒng)集成閥塊安裝在盾構(gòu)機上, 在現(xiàn)場施工中進行實際推進。圖 5 為盾構(gòu)機 4 個分區(qū)的推進壓力曲線圖, 從圖中可以看出, 4 個分區(qū)的推進壓力趨勢都比較平穩(wěn), 其中 A 組和 C 組壓力相接近, B 組壓力最小, D 組壓力最大, 這主要是因為盾構(gòu)機 4 個分組的布置以及上下土層土壓力和水壓力的不同導致的。      圖 6 為推進系統(tǒng) 4 個分區(qū)的推進位移曲線, 從圖中可以看出, 4 個分區(qū)的位移曲線跟隨性比較好,這也保證了盾構(gòu)機的同步推進, 避免超挖和欠挖。5 結(jié)束