維爾特盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)機(jī)液壓系統(tǒng)分析介紹

1、維爾特盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)機(jī)液壓系統(tǒng)分析介紹 摘要：介紹了維爾特盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理與系統(tǒng)集 成，系統(tǒng)是半開(kāi)式液壓系統(tǒng)， 應(yīng)用電液比例控制技術(shù)對(duì)泵排量進(jìn)行實(shí) 時(shí)調(diào)節(jié)，變量泵采用了壓力切斷的自動(dòng)恒壓控制技術(shù)。PLC控制系統(tǒng)總線是西門子PROFIBU網(wǎng)絡(luò)通訊（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線）。1、引言土壓平衡模式是在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，利用土倉(cāng)內(nèi)的土壓（泥水壓）或 加注輔助材料產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面的土壓及地下水壓力， 以避免 掌子面坍塌或地層失水過(guò)多而引起地表下沉的一種盾構(gòu)掘進(jìn)模式。 土 壓平衡盾構(gòu)主要有盾體、刀盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送系統(tǒng)、液壓推進(jìn) 系統(tǒng)、土壓倉(cāng)、管片拼裝、同步注漿系統(tǒng)以及盾尾密封裝置等構(gòu)成。

2、由于土壓平衡盾構(gòu)具有排土簡(jiǎn)單、可靠性高、地層適應(yīng)性好、對(duì)環(huán)境 影響小等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于城市地鐵、鐵路、公路、市政、水 利等隧道工程。螺旋輸送機(jī)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件之一， 螺旋輸送機(jī)由筒體、 驅(qū) 動(dòng)裝置、螺旋軸、出碴閘門組成。是土壓平衡盾構(gòu)的排土裝置，它的 主要作用是將刀盤切下來(lái)的泥土從盾構(gòu)土倉(cāng)中排出， 碴土在螺旋機(jī)內(nèi) 向外排出的過(guò)程中形成密封土塞， 可保持密封土倉(cāng)內(nèi)壓力穩(wěn)定在一定 范圍內(nèi)。盾構(gòu)施工過(guò)程中， 保持密封土倉(cāng)內(nèi)壓力與開(kāi)挖面水土壓力保 持平衡主要方法是根據(jù)土倉(cāng)壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的出土量， 這就 要求螺旋輸送機(jī)能根據(jù)密閉土倉(cāng)內(nèi)壓力反饋的信息實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)控 制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速

3、， 隨時(shí)調(diào)整向外排土的速度， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)土 壓平衡過(guò)程，確保盾構(gòu)連續(xù)正常向前掘進(jìn)。此外，螺旋機(jī)閘門在任何 情況下都能可靠地關(guān)閉防止發(fā)生噴涌現(xiàn)象。2、螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理Jia,191、M為電機(jī)2、JZ4100為柱塞變量泵及控制油路集成 3、DK4100為螺旋機(jī)高低速控制 閥塊 4、JV4100為液壓馬達(dá) 5、JZ4500為柱塞變量泵 6、PV4500為恒壓控制閥塊集成7、DK4500為JZ4500變量泵的控制閥塊集成 8、DK4600為螺旋機(jī)安全門油缸控制 閥塊集成 9、DK4610為螺旋機(jī)機(jī)體收縮油缸控制閥塊集成10、DK4530為螺旋機(jī)出土口閘門油缸控制閥塊集成 11、JW454

4、0為蓄能器 12、DK4540為蓄能器控制閥塊集成13、DK4640為拖曳油缸控制閥塊集成圖1螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)圖為了克服施工過(guò)程中存在的問(wèn)題以及滿足施工要求，設(shè)計(jì)了一種采用電比例反饋的盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)控制螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證施工安全。圖1為螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)圖。從圖1中可以看出螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)主要分為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：螺旋機(jī)馬達(dá)控制系統(tǒng)和油缸控制系統(tǒng)左側(cè)螺旋機(jī)馬達(dá)控制系統(tǒng)， 采用比例變量泵供油， 通過(guò)安全閥調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的最大壓力。 當(dāng)需要調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速時(shí)， 此液壓系統(tǒng)擁有高低速 兩個(gè)檔位大范圍的調(diào)節(jié)螺旋機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，通過(guò)PLC系統(tǒng)是否為EV4101 通電切換CV4101的檔位，決定為先

5、導(dǎo)閥芯是否供給高壓油，從而實(shí) 現(xiàn)液壓馬達(dá)的高低速切換。 帶比例電磁鐵的電氣控制可實(shí)現(xiàn)泵排量無(wú) 級(jí)變化且可編程設(shè)定， 隨著比例電磁鐵的電流的增加， 變量泵的排量 成比例地相應(yīng)增加。 此時(shí)可根據(jù)密閉土倉(cāng)反饋的實(shí)時(shí)壓力， 操作人員 通過(guò)調(diào)速旋鈕手動(dòng)控制螺旋輸送機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的大小， 配合實(shí)時(shí)調(diào)控土 倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面水土壓力動(dòng)態(tài)平衡。液壓馬達(dá)無(wú)級(jí)調(diào)速：當(dāng)電機(jī) M正傳時(shí)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)程序控 制為 FV4 1 02供電，操作人員通過(guò)調(diào)速旋鈕手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電阻輸入電 流，從而控制比例閥芯的導(dǎo)通程度調(diào)節(jié)從先導(dǎo)泵注入的液壓油， 使比 例滑塊按比例滑動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)變量泵流量的調(diào)節(jié)。 內(nèi)置溢流閥實(shí)現(xiàn)了超壓 保護(hù)，當(dāng)回油管

6、壓力過(guò)高時(shí)， 內(nèi)置溢流閥導(dǎo)通，由于阻尼孔產(chǎn)生壓降， 使內(nèi)置比例閥導(dǎo)通，比例滑塊迅速回到中位，使變量泵停止供油。當(dāng) 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，與上類似。右側(cè)為油缸控制系統(tǒng)， 主變量泵帶有壓力切斷功能， 壓力切斷是 一種恒壓控制，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)定的壓力時(shí) （本系統(tǒng)為 100bar） ，它 使泵排量向最小排量處擺動(dòng)。此系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置PV4500閥塊集成實(shí)現(xiàn)。主驅(qū)動(dòng)變量泵出口處單向閥 ZV4504可防止泵檢修或系統(tǒng)停止 運(yùn)行時(shí)油液倒流。壓力傳感器 PI4500 檢測(cè)主油路壓力變化。集成閥 塊DK4500中CV4506主油路加壓控制閥塊，當(dāng) EV4507通電時(shí)，變量泵為主油路供給壓力油。CV4502為主油路溢流閥遠(yuǎn)程控

7、制閥塊。當(dāng)EV4503通電時(shí)，溢流閥PV4501保壓工作。拖曳油缸控制集成閥塊DK4640中，有手動(dòng)控制閥CV4641控制油 缸的伸縮。平衡閥系統(tǒng)PV4642使系統(tǒng)產(chǎn)生背壓，運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)擁 有過(guò)載保護(hù)。節(jié)流閥QV4644調(diào)節(jié)油缸伸縮速度。螺旋機(jī)出土口閘門油缸控制閥塊集成DK4530中由電液伺服閥CV4531接收操作盤控制信號(hào)使 EV4540和EV4541相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)油 缸伸縮。蓄能器JW4540平時(shí)存儲(chǔ)一定量的高壓油，保證在液壓系 統(tǒng)不工作時(shí)油缸能回縮關(guān)閉出土口閘門，防止噴涌。油缸位移傳感器SF4500精確監(jiān)控閘門位置，及時(shí)反饋到操作室。螺旋機(jī)安全門油缸控制閥塊集成中通過(guò)電磁閥EV4602

8、和EV4603控制換向閥CV4601相應(yīng)相位導(dǎo)通，控制安全門的開(kāi)關(guān)，平衡閥系統(tǒng) PV4604使系統(tǒng)產(chǎn)生背壓，運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)擁有過(guò)載保護(hù)。當(dāng)油缸伸 出或回收到位時(shí)限位器導(dǎo)通，保證安全門開(kāi)關(guān)到位。螺旋機(jī)機(jī)體收縮油缸控制閥塊集成DK4610控制過(guò)程與螺旋機(jī)安全門油缸控制閥塊集成相似。3、計(jì)算機(jī)主體控制過(guò)程螺旋輸送機(jī)變量泵上集成了比例控制閥， 配有比例放大器伊頓公司 的 ER9.3-10 型?？刂茣r(shí)，通過(guò)可變電阻器調(diào)節(jié)輸入電壓，輸入信號(hào) 和轉(zhuǎn)速傳感器反饋信號(hào)比較后形成控制信號(hào)， 經(jīng)過(guò) PID 調(diào)節(jié)和功率放 大(ER9.3-10型放大器)后，電比例閥實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制主變量泵的流 量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

9、的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。比例控制的給定輸入信號(hào)，由PC工控機(jī)設(shè)定后，反饋到PC機(jī)控 制界面，同時(shí)傳輸給下位機(jī)(PLC)，然后通過(guò)PLC的模擬量模塊進(jìn)行 DA轉(zhuǎn)換后輸入給比例放大器，從而實(shí)現(xiàn)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。4、PLC及電氣控制系統(tǒng)本系統(tǒng)采用可靠性高、控制性強(qiáng)、又便于編程的以PLC為中心的 電氣控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)采用施耐德公司的 Modicon TSX Micro 的PLC模塊。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為西門子PROFIBUS-D現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)， 系統(tǒng)的中央處理器在預(yù)定的周期內(nèi)與分布式 IO 站點(diǎn)循環(huán)地交換信 息，并對(duì)總線通信進(jìn)行控制和管理。即本系統(tǒng)PLC的CPU集中在操作 室一處，通過(guò)數(shù)據(jù)線與分散在各處

10、的 IO 模塊交換信息，控制管理 PLC電氣控制系統(tǒng)。螺旋機(jī)液壓系統(tǒng)采集的信息主要包括 : 油箱溫度、油箱液位、螺 旋機(jī)油壓(PF4100)、螺旋機(jī)過(guò)濾器阻塞(PA4100)、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、拖曳 油缸油壓(PE4643)、螺旋機(jī)出土口閘門位移(SF4500)、安全門和螺旋 機(jī)機(jī)體伸縮油缸限位器開(kāi)關(guān)。螺旋機(jī)液壓系統(tǒng)控制信號(hào)主要包括 : 螺旋機(jī)主油泵調(diào)速閥 (FV4101、FV4102)、高低速切換閥CV4101(EV4101)油缸油泵加壓 控制閥塊 CV4506(EV4507)溢流閥遠(yuǎn)程控制閥塊 CV4502(EV4503及 各個(gè)油缸換向閥。PLC應(yīng)用軟件有一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序構(gòu)成，用于解決系

11、統(tǒng) 中的各類監(jiān)控需求問(wèn)題。維爾特盾構(gòu)機(jī)PLC的應(yīng)用軟件由梯形圖和指 令兩種形式交替編制而成。PLC軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能：根據(jù)來(lái)自計(jì)算 機(jī)的操作指令，對(duì)盾構(gòu)機(jī)各部分設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控；保證PLC系統(tǒng)主從站之間、PLC與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換；模擬量的處理和轉(zhuǎn)換；顯 示各種故障和報(bào)警；土壓平衡 PID 控制功能等。5、故障分析及診斷維爾特盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)是集機(jī)、 電、液于一體的復(fù)雜系 統(tǒng)，在使用過(guò)程中所發(fā)生的故障也是多種多樣的。 本文主要針對(duì)實(shí)際 工作中螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題， 提出一些關(guān)于改型盾構(gòu)機(jī)的一些 典型故障診斷、排除方法的探討。(1) 、出土口閘門無(wú)法動(dòng)作。 診斷故障最常用的方法是故障排除法， 通常是換向閥上電磁閥斷路不工作，從液壓管路圖 (如圖 1)中，啟動(dòng) JZ4500,泵可正常工作。啟動(dòng)操作室閘門開(kāi)關(guān)，用萬(wàn)用表檢測(cè)EV4541 和EV4540是否導(dǎo)通，能正常工作。檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)主油路無(wú)壓力，用萬(wàn) 用表檢測(cè)主油路加壓控制閥 EV4507斷路，接通后，閘門可正常工作。(2) 、控制界面無(wú)馬達(dá)速度顯示。此次問(wèn)題發(fā)生在始發(fā)調(diào)試階段， 依照電氣圖，系統(tǒng)接線正確。應(yīng)用替代法跟換新的速度傳感器，依然 無(wú)速度顯示，跟換接線端子，可正常顯示。診斷為模塊出點(diǎn)損壞。(3) 、液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向與操作室控制方向相反。 此問(wèn)題發(fā)生在