土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

1、收稿日期：20110527基金項目：國家科技支撐項目（No2006BAJ16B06）作者簡介：劉福東（1982），男，黑龍江雙城人，2004年畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院液壓與控制專業(yè)，本科，現(xiàn)從事盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計分析劉福東1，郭京波2（1北京華隧通掘進(jìn)裝備有限公司，北京100081；2石家莊鐵道大學(xué)，石家莊050043）摘要：盾構(gòu)機(jī)具機(jī)、電、液、測控、土木等多學(xué)科技術(shù)于一體的工程機(jī)械。本文就北京地鐵施工中所使用的一種直徑1022m 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)，對其功能、原理及設(shè)計進(jìn)行分析研究。關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)機(jī)；推進(jìn)系統(tǒng)；液壓原理中圖分類號：T

2、H 137文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672741X （2011）增刊1040506Analysis on Design of Hydraulic System of EPB Shield SteppingLIU Fudong 1，GUO Jingbo 2（1Beijing Huasuitong Boring Equipment Co，Ltd，Beijing 100081，China ；2Shijiazhuang Tiedao University ，Shijiazhuang 050043，China ）Abstract ：Tunnel boring machine is a kind of c

3、onstruction machinery which includes machine ，electricity ，hydraulic ，monitoring and control and civil engineeringThe functions ，principles and design of screw conveyer hydraulic system of a 1022m-diameter EPB shield adopted in the construction of Beijing Metro are analyzedKey word ：EPB shield ；step

4、ping system ；hydraulic ；theorery0引言盾構(gòu)是城市地鐵及地下隧道施工中的重要設(shè)備，隨著城市進(jìn)程的加快，其使用范圍越來越廣，在工程施工中所占的比重也越來越大，盾構(gòu)機(jī)是具機(jī)、電、液、測控、土木等多學(xué)科技術(shù)于一體的工程機(jī)械。在地下隧道施工過程中，為保證地面建筑以及地表設(shè)施的安全、防止地表隆起或塌陷，必須嚴(yán)格控制地表沉降。所謂土壓平衡就是密封土倉中切削下來的土體和泥水充滿密封土倉，并建立適當(dāng)壓力與開挖面的土體壓力平衡，以減少對土體的擾動，控制地表沉降。要做到土壓平衡控制，就要依賴推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋機(jī)系統(tǒng)（見圖1）配合使用。本文就北京地鐵施工中的某一土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，對其推進(jìn)液壓

5、系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析研究。圖1螺旋輸送機(jī)在盾體中布置示意圖Fig1Position of screw conveyer in the shield machine盾構(gòu)機(jī)中盾周邊均勻設(shè)置36根推進(jìn)油缸，該油缸通過對已安裝完的隧道管片施力，使盾構(gòu)獲得向前掘進(jìn)的推力。改變推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度或者改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速均可以達(dá)到改變土倉壓力的目的。1推進(jìn)液壓系統(tǒng)的功能要求見表1。表1推進(jìn)液壓系統(tǒng)的功能要求表Table 1Function requirements of screw conveyer hydraulic system功能要求描述技術(shù)參數(shù)總推力F =108000kN ；推進(jìn)速度v =0 85cm

6、/min；管片寬度L =1800m /min調(diào)速功能掘進(jìn)過程中，操作室需要通過手動調(diào)整或自動程序調(diào)整推進(jìn)油缸伸出速度以達(dá)到調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)土倉壓力的目的，所以推進(jìn)油缸的速度要求遠(yuǎn)控可調(diào)管片模式該模式在管片安裝時采用，液壓系統(tǒng)壓力較低，并可隨意選擇1根或幾根推進(jìn)油缸進(jìn)行伸出及縮回操作掘進(jìn)模式該模式在掘進(jìn)時采用，液壓系統(tǒng)使用高壓，不能進(jìn)行縮回操作選擇模式這種模式下，在掘進(jìn)過程中可以隨意選擇活動的推進(jìn)油缸，進(jìn)行高壓下的推進(jìn)操作。當(dāng)掘進(jìn)施工需要調(diào)向或改變坡度時，可以選擇一部分推進(jìn)油缸高壓推進(jìn)，另一部分油缸低壓隨動，利用由此產(chǎn)生的推力差來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)推進(jìn)分區(qū)可以在每個推進(jìn)分區(qū)調(diào)節(jié)液壓壓力及流量，通過在推進(jìn)分

7、區(qū)設(shè)定不同的液壓壓力，可以實現(xiàn)姿態(tài)控制操作第31卷增刊12011年8月隧道建設(shè)Tunnel ConstructionVol31Sup1Aug20112推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計根據(jù)表1的功能要求設(shè)計推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖（見圖2） 。圖2推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖Fig2Hydraulic mechanism of stepping system604隧道建設(shè)第31卷3推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要元件技術(shù)參數(shù)設(shè)計計算分析31推進(jìn)油缸規(guī)格設(shè)計計算根據(jù)工藝要求確定設(shè)置36根推進(jìn)液壓缸，設(shè)置在盾尾內(nèi)圓周均勻布置。則單缸受力F 單=F 36=10800036=3000kN 。由于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)空間局限，為減小推進(jìn)液壓缸所占空間，系統(tǒng)額定

8、壓力采用高壓P =35MPa 。液壓缸內(nèi)徑D 按以上壓力計算：F 單=4D 2 P D =單 p= 3000 10 35 106330mm由此確定油缸內(nèi)徑D =330mm ，活塞桿直徑d =260mm 。根據(jù)密封規(guī)格、管片寬度（18m ）、楔形管片的搭接要求（1/2管片寬度），受力情況及操作空間（油缸行程余量150mm ）等確定油缸行程S =1800+12 1800+150=2850mm 。32主泵規(guī)格設(shè)計計算盾構(gòu)最大推進(jìn)速度為85mm /min，36個液壓缸所需最大流量為Q max =v 1A =85102 （33010 2）24 36261L /min。系統(tǒng)設(shè)置4個比例溢流閥（見圖2），比

9、例溢流閥穩(wěn)定工作的最小流量為03L /min，則泵的輸出流量為Q p =Q max +4 q r =261+12=2622L /min。根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力及所需流量要求以及系統(tǒng)工作特性要求，選取2臺美國伊頓Vickers 斜盤式軸向柱塞電控比例變量泵PVXS 250SP ，排量250cm 3/r，額定壓力42MPa 。該泵通過電位計輸入控制斜盤角度，改變泵排量，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)供油流量進(jìn)而控制盾構(gòu)推進(jìn)速度的目的。33電機(jī)功率計算及選擇根據(jù)最大推進(jìn)速度下Q p =2622L /min，系統(tǒng)額定壓力P =35MPa ，計算泵的實際輸出功率N p =P max Q p =2622 103 35

10、10660153kW 。電機(jī)的輸出功率N E =N pm pv =153086 096=1853kW 。式中：pm 為泵的機(jī)械效率，取值086；pv 為泵的容積效率，取值096。根據(jù)實際的施工工況，一般最大速度和最大推力不會同時使用，故選取2臺西門子電機(jī)，功率為90kW ，額定轉(zhuǎn)速為1480r /min。34油箱設(shè)計此系統(tǒng)中，由于油缸的的容積相比系統(tǒng)流量要大出很多倍，所以按照系統(tǒng)流量的經(jīng)驗倍數(shù)公式確定油箱容積的方法此處不適用。油箱容量按照系統(tǒng)所需油量的工序來設(shè)計，即全部油缸全行程伸出的動作。36個液壓缸走完1個行程所需油量為Q 伸=364d 2S =36 4 （26010 3）2 285010

11、 3=5447m 3。綜合吸油口的高度（設(shè)計為底部吸油），臺車的機(jī)架空間，設(shè)計油箱容積為115m 3，尺寸為5000 1510 1530。35冷卻器的計算及選擇本系統(tǒng)設(shè)計為變量控制系統(tǒng)，即除了維持元器件的穩(wěn)定工作所需的最低控制油、溢流油（比例溢流閥）及泄露油流量外，基本全部用于做功，所以系統(tǒng)能量損失極少。按照經(jīng)驗系數(shù)估算系統(tǒng)最大發(fā)熱量約為p 熱=30% P 泵輸入=30% 180=54kW 。綜合考慮系統(tǒng)回油流量及壓力，選擇德國HYDAC 公司的HEX 型板式油/水冷卻器HEX 72260。在溫差為T =20 、V 油/V水=4，冷卻功率約為70kW 。4推進(jìn)系統(tǒng)功能原理分析1 ）電控比例變量

12、柱塞泵（圖2中件號1）可無極的控制排量，其排量與泵集成比例電磁閥的控制信號其關(guān)系如圖3所示。圖3電控比例變量泵控制信號與排量關(guān)系曲線Fig3Relationship between control single of electronic control variable pump and its output704增刊1劉福東，等：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計分析此處采用0 10V 控制信號，當(dāng)輸入信號為0時，泵理論排量為0；當(dāng)輸入信號為10V 時，泵理論排量為100%。由圖3可知輸入信號與泵排量基本成正比。該泵的控制傳遞框圖見圖4 。圖4電控比例變量泵控制傳遞框圖Fig4Transfer

13、 course of electronic control variable pump control system推進(jìn)油缸的速度控制可以實現(xiàn)由推進(jìn)速度設(shè)定電位計輸入，推進(jìn)速度經(jīng)位移傳感器反饋所組成的的小開環(huán)控制以及由土倉壓力設(shè)定電位計輸入，土倉壓力經(jīng)土壓計反饋所組成的大閉環(huán)控制。在螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，操作員可在手動模式下通過手動電位計輸入模擬量控制信號來控制推進(jìn)油缸速度；或在自動模式下通過人機(jī)界面輸入控制目標(biāo)參數(shù)即土壓目標(biāo)值，控制系統(tǒng)按照以上傳遞框圖對泵進(jìn)行閉環(huán)控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸速度，進(jìn)而維持工作面平衡土壓的目的。油缸速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、土倉壓力可通過上位機(jī)畫面顯示讀出。泵出口設(shè)置

14、單向閥（圖2中件號2），以隔離系統(tǒng)壓力異常對主泵造成的沖擊。2）電磁溢流閥組使用電磁換向閥（圖2中件號6和7）及溢流閥（圖2中件號5，8，9，10）形成多級溢流閥。電磁鐵動作邏輯表見表2。表2電磁溢流閥組電磁鐵動作邏輯表Table2Electromagnetism actionsofelectromagnetismoverflow valve系統(tǒng)壓力/MPaSV SJU1a b SV SJK1a b 卸荷33+21+17+8+3）旁通調(diào)速閥組僅作為電控比例變量泵備用調(diào)速方式使用，其入口球閥為常閉設(shè)置，調(diào)速閥設(shè)置在操作室操作臺旁邊，操作員觸手可及，應(yīng)急使用非常方便。4）推進(jìn)主操作閥組集成推進(jìn)主換

15、向閥（圖2中件號29），液控單向閥控制閥（圖2中件號30），隨動操作減壓閥（圖2中件號28）、隨動換向閥（圖2中件號27）、補(bǔ)油單向閥。5）推進(jìn)分區(qū)設(shè)置共4個部分（見圖5），操作員可使用操作室控制臺的電位計分別對比例調(diào)速閥（圖2中件號25）、比例溢流閥（圖2中件號14）進(jìn)行手動輸入；或者采用自動模式PLC 程序自動復(fù)合控制分區(qū)系統(tǒng)壓力及流速，通過制造各分區(qū)的推進(jìn)速度及壓力差，達(dá)到控制盾構(gòu)姿態(tài)的目的。電磁換向閥（圖2中件號26）的電磁鐵b 得電時，分區(qū)采用比例流量壓力供油，電磁鐵a 得電時則越過比例流量壓力部分，直接對選擇閥供油 。圖5推進(jìn)分區(qū)設(shè)置示意圖Fig5Setting of steppi

16、ng partition804隧道建設(shè)第31卷6）推進(jìn)選擇閥組是推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，兩位三通電磁閥（圖2中件號14）和不平衡型邏輯閥（圖2中件號15）以及單向閥（圖2中件號13，17）組成選擇功能塊。在（圖2中件號14）斷電的情況下，即使主操作換向閥（圖2中件號29和26）換向至左位或右位，（圖2中件號15）任一主油口受到高壓油，閥芯兩端都會同時接收到高壓油液，由于閥芯左端面（如圖2所示）受油面積大于閥芯右端面受油面積，所以該閥將保持左位，主油路處于切斷狀態(tài)，推進(jìn)油缸的動作只受隨動電磁換向閥（圖2中件號27）的控制且僅能伸出動作。當(dāng)兩位三通電磁閥得電時，液控切斷閥閥芯左端面泄壓，此時無論高壓油

17、通到液控切斷閥任一主油口，閥芯都會因為右端面受液壓力而換向至右位，油路成通路，推進(jìn)油缸即可由主操作閥組控制伸縮動作。液控單向閥（圖2中件號18）起止退功能，可保證推進(jìn)油缸不受外力影響而縮回，且能隔離油缸的負(fù)載擾動對閥控系統(tǒng)的沖擊。推進(jìn)閥控系統(tǒng)電磁鐵動作邏輯表見表3。表3推進(jìn)閥控系統(tǒng)電磁鐵動作邏輯表Table 3Electromagnetism actions of stepping valve control system動作SV SJ SV SJF SV SJPP SV SJB1a b a b a b a b EL SJP1EL SJL1SV SJn*推進(jìn)隨動推進(jìn)比例壓力控制比例流量控制變量

18、泵控制計隨動全隨動計隨動全隨動計隨動全隨動+手動或自動手動或自動+手動或自動手動或自動+無輸入無輸入+收縮+無輸入無輸入+注：SV SJn*代表液壓原理圖中的件14電磁鐵，可同時選擇多個?！坝嫛彪S動表示只有配置了位移傳感器的4支油缸處于隨動狀態(tài)。其他油缸如不被選擇推進(jìn)，則保持原位不動?！叭彪S動表示全部油缸均處于隨動狀態(tài)。在“全”隨動時，被選中推進(jìn)動作的油缸，推進(jìn)動作優(yōu)先。如果該油缸在盾構(gòu)推進(jìn)中途被取消推進(jìn)動作，則其自動轉(zhuǎn)入隨動動作。如果沒有一只油缸被選中進(jìn)行動作，即件14均不得電，則推進(jìn)主換向閥被連鎖不能得電，其狀態(tài)保持中位，換向操作失靈。7）安全閥（圖2中件號16）可限制推進(jìn)油缸無桿腔的安

19、全壓力。8）每個壓力分區(qū)中都有一只油缸配置位移傳感器（圖2中件號39），分別為SJ1，SJ10，SJ19，SJ27。這4支傳感器在盾構(gòu)圓周上均勻布置，所檢測的數(shù)據(jù)供操作人員實時監(jiān)測盾構(gòu)的推進(jìn)位移及速度以及自動控制程序使用。9）溫度計（圖2中件號34）設(shè)置高溫報警點；液位繼電器（圖2中件號35）設(shè)置液位最低點，該點與主泵控制做停泵連鎖，當(dāng)液位達(dá)到最低點時，主泵停泵。5結(jié)束語本文討論的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，元器件設(shè)計類別很多，為滿足自動控制的要求，除常規(guī)液壓元件外，還選用了比例液壓元件、傳感器元件等。整個設(shè)計考慮周全，大量螺紋插裝閥的運用更使設(shè)計新穎獨到，值得借鑒。比例液壓元件及傳感元件的使用促進(jìn)了盾構(gòu)施工向更高的自動化程度的邁進(jìn)。參考文獻(xiàn)（References ）：1邢彤，龔國華，楊華勇實驗盾構(gòu)刀盤與螺旋機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)的集成與PLC 控制J 液壓與氣動，2006（7）：4749（XING Tong ，GONG Guofang ，YANG HuayongHydraulic system integration and plc control of the cutting wheel and screw conveyor in the shield t