盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)節(jié)能分析

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)節(jié)能分析

預(yù)制鎖閉槽是用于土壤或之前的所有截面挖掘的機(jī)械操作設(shè)備。結(jié)構(gòu)包括開挖、填充、研磨和提升等機(jī)械裝置，執(zhí)行土層開挖、填充和提升的所有操作，以及支撐連接、焊接和提升的所有操作。每一次，完成隧道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)施工。由于地質(zhì)條件的不同，結(jié)構(gòu)嵌入的深度變化，結(jié)構(gòu)的操作復(fù)雜。鼓鼓帝的驅(qū)動(dòng)功能具有高輸出、大畸變和多種復(fù)雜速度。西班牙墨馬市隧道的結(jié)構(gòu)直徑為15.2m。采用50臺過濾刀、24臺泵和12臺電機(jī)組成刀架，驅(qū)動(dòng)流量為17.100kg。結(jié)構(gòu)上有兩條傾斜刀。大轉(zhuǎn)子的最大能量為12500knm，最大旋轉(zhuǎn)速度為2.05r。最小。當(dāng)葉片最大旋轉(zhuǎn)為6.05r時(shí)，輸出矩陣為5000knm。目前,先進(jìn)盾構(gòu)的刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多采用數(shù)個(gè)大流量變量泵并聯(lián)供油,驅(qū)動(dòng)多個(gè)高速小扭矩液壓馬達(dá),再通過減速機(jī)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀盤的方案,已經(jīng)普遍應(yīng)用電液比例技術(shù)進(jìn)行刀盤調(diào)速.這種刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度大,占用空間小,負(fù)載變化對刀盤轉(zhuǎn)速影響小.裝機(jī)功率應(yīng)按最大的驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算,由于隧道的刀盤驅(qū)動(dòng)功率變化大,刀盤驅(qū)動(dòng)功率很難精確計(jì)算,通常需要有較大的儲備量.若全部選用大流量變量泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī),在多數(shù)施工期間電機(jī)和液壓泵的負(fù)載率低,經(jīng)常處于欠功率運(yùn)行,效率不高.本文以φ6.3m土壓平衡盾構(gòu)為研究對象,刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需最大驅(qū)動(dòng)扭矩為4377kN·m、最大脫困扭矩5225kN·m、高速擋扭矩2620kN·m.刀盤驅(qū)動(dòng)采用目前先進(jìn)的比例變量泵驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)的技術(shù),對比研究3個(gè)大泵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)和2個(gè)大泵加2個(gè)小泵組合驅(qū)動(dòng)2種方式的液壓系統(tǒng)效率表明,在刀盤的工作轉(zhuǎn)速范圍為0～3.0r/min時(shí),多泵組合驅(qū)動(dòng)方式比多泵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式效率高3%～7%.因此,從節(jié)能的角度出發(fā),設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用了多泵組合驅(qū)動(dòng)方式,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,可以根據(jù)實(shí)際功率需要優(yōu)化組合大小驅(qū)動(dòng)泵,提高電機(jī)的負(fù)載率和液壓泵的功率利用率.1工作原則1.1主驅(qū)動(dòng)泵控制油路刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中的主驅(qū)動(dòng)回路由2個(gè)大排量變量泵與2個(gè)小排量的變量泵組合供油驅(qū)動(dòng)8個(gè)雙向液控變量液壓馬達(dá).大排量泵是雙向液控比例變量泵,其排量變化范圍為-750～750cm3/r;小排量泵是帶輔助泵的雙向電控比例變量泵,其排量變化范圍為-250～250cm3/r.大排量泵的補(bǔ)油、換油及殼體沖洗由獨(dú)立的補(bǔ)油回路提供,補(bǔ)油口附近安裝了容積為20L的蓄能器,充氣壓力為1.5MPa.泵的補(bǔ)油壓力設(shè)定為2MPa.小排量泵的補(bǔ)油和殼體沖洗由與其同軸的輔助泵提供.變量馬達(dá)為液壓兩點(diǎn)控制型,其控制油口施加控制壓力或不施加控制壓力使馬達(dá)的排量設(shè)定在500或300L/r.刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中的控制油回路為大排量主驅(qū)動(dòng)泵和變量馬達(dá)提供控制油.回路由恒壓變量螺桿泵驅(qū)動(dòng),通過主驅(qū)動(dòng)泵控制油路和液壓馬達(dá)控制油路分別向變量泵和變量馬達(dá)供油.主驅(qū)動(dòng)泵控制油路包括比例調(diào)壓部分、恒功率、最大扭矩壓力設(shè)定及脫困壓力設(shè)定部分.液壓馬達(dá)控制油路包括控制壓力設(shè)定支路和制動(dòng)油缸壓力設(shè)定支路.主驅(qū)動(dòng)泵控制油經(jīng)過調(diào)速閥、減壓閥后由比例溢流閥調(diào)定壓力,比例溢流閥的出口壓力通過調(diào)節(jié)其比例電磁鐵的控制電流設(shè)定,以實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)泵排量的比例調(diào)節(jié).主驅(qū)動(dòng)泵的恒功率控制是通過一個(gè)功率限制閥實(shí)現(xiàn),其高壓口PHD接系統(tǒng)反饋壓力,低壓口PSt接比例溢流閥出口.當(dāng)系統(tǒng)壓力超過功率限制閥起始壓力時(shí),功率限制閥溢流,使液控變量泵的控制壓力降低,保持泵輸出功率恒定;當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到功率限制閥終點(diǎn)壓力時(shí),功率限制閥的閥口全部打開,溢流量最大,控制壓力最低,變量泵的流量最小.功率限制閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中,功率限制閥可以看成是由一個(gè)直動(dòng)溢流閥和階梯滑閥1組成的.階梯滑閥兩端分別是閥口控制彈簧2和調(diào)節(jié)彈簧3,作用在階梯滑閥上的液壓力克服調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓力.控制口PSt與主驅(qū)動(dòng)泵的先導(dǎo)控制油口相聯(lián)接,高壓口PHD通過梭閥與主回路相聯(lián)接.如果系統(tǒng)壓力超過預(yù)先功率限制閥的起始設(shè)定壓力,階梯閥芯向右運(yùn)動(dòng)壓縮調(diào)節(jié)彈簧,減少了閥口開度控制彈簧上的壓力,閥口有溢流,減少控制壓力,使主驅(qū)動(dòng)泵保持恒功率輸出.主驅(qū)動(dòng)泵的最大扭矩壓力設(shè)定通過一個(gè)順序閥(設(shè)定壓力為25MPa)和一個(gè)溢流閥實(shí)現(xiàn),順序閥入口連接比例溢流閥出口,出口接溢流閥;同樣,主驅(qū)動(dòng)泵瞬時(shí)脫困壓力設(shè)定也通過一個(gè)順序閥(設(shè)定壓力為29MPa)和一個(gè)溢流閥實(shí)現(xiàn),順序閥入口連接比例溢流閥出口,出口接溢流閥.兩順序閥控制口分別接一個(gè)兩位兩通換向閥A口和B口,該換向閥P口連接液壓系統(tǒng)的反饋壓力油路,通過該手動(dòng)換向閥將反饋壓力切換到其中一個(gè)順序閥的控制口,并通過溢流閥確定在相應(yīng)系統(tǒng)壓力下控制油的壓力,即刀盤輸出是最大扭矩還是脫困扭矩.這2個(gè)溢流閥的設(shè)定壓力應(yīng)使刀盤能輸出轉(zhuǎn)速0.8r/min.液壓馬達(dá)控制壓力由調(diào)速閥、減壓閥(出口壓力為2MPa)和一個(gè)兩位四通換向閥調(diào)定,通過換向閥確定液壓馬達(dá)的控制壓力是0或2MPa,相應(yīng)的馬達(dá)排量為500或300L/r,即該換向閥確定了系統(tǒng)是低速擋工況還是高調(diào)速擋工況.制動(dòng)油缸油路上有調(diào)速閥、減壓閥、2位4通換向閥和單向節(jié)流閥,當(dāng)制動(dòng)油缸通壓力油時(shí),液壓力克服彈簧力使制動(dòng)松開;反之,在彈簧力使用下刀盤驅(qū)動(dòng)軸被抱死.1.2組合驅(qū)動(dòng)模式與恒功率控制多泵組合驅(qū)動(dòng)控制策略是在滿足刀盤轉(zhuǎn)速需求的基礎(chǔ)上,按功率匹配原則依次開啟輔助泵以適應(yīng)刀盤扭矩的要求.圖2所示為刀盤轉(zhuǎn)速控制框圖.多泵組合驅(qū)動(dòng)控制的策略是:設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)速的分區(qū)點(diǎn),當(dāng)不超過分區(qū)點(diǎn)時(shí),僅2個(gè)主泵驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)速分區(qū)點(diǎn)時(shí),2個(gè)主驅(qū)動(dòng)泵的輸出流量不足以驅(qū)動(dòng)刀盤達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),開啟輔助泵進(jìn)入組合驅(qū)動(dòng)模式以適應(yīng)調(diào)速要求.若刀盤扭矩較大時(shí),2個(gè)主驅(qū)動(dòng)泵進(jìn)入恒功率控制;刀盤轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),開啟輔助泵進(jìn)入組合驅(qū)動(dòng)模式以適應(yīng)功率要求.當(dāng)調(diào)速結(jié)束,刀盤轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,進(jìn)入轉(zhuǎn)速監(jiān)控狀態(tài).若刀盤轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅度下降,說明盾構(gòu)進(jìn)入較硬地層,需要調(diào)整推進(jìn)速度并重新設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速.若刀盤轉(zhuǎn)速降低到最小設(shè)定轉(zhuǎn)速,這時(shí)刀盤油壓急劇上升,液壓系統(tǒng)安全閥溢流,進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài),應(yīng)啟動(dòng)刀盤脫困模式,將輔助泵全部開啟,維持刀盤在較低的速度下掘進(jìn).針對軟土和硬巖地層,設(shè)置2種相應(yīng)的控制模式.其中,控制策略相同,控制參數(shù)有所不同.2系統(tǒng)建模和模擬2.1amesim仿真模型液壓系統(tǒng)仿真是檢驗(yàn)系統(tǒng)性能的有效方法.采用AMESim軟件建立的多泵優(yōu)化組合驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示.仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)同樣包括主回路、補(bǔ)油回路和控制壓力回路.模型中,通過液阻模擬了泵與馬達(dá)的外部和內(nèi)部泄漏,通過AMESim的HCD庫建立了3位3通換向閥、功率限制閥、2位4通換向閥和順序閥的子模型.下面給出幾個(gè)關(guān)鍵的模型參數(shù),見表1.2.2模擬對原油系統(tǒng)的運(yùn)行效果2.2.1馬達(dá)排放量vg根據(jù)在不同馬達(dá)排量對應(yīng)的刀盤扭矩設(shè)置了6種仿真工況,如表2所示.表中:馬達(dá)排量Vg=300cm3/r為高速檔,Vg=500cm3/r為低速檔;T為刀盤扭矩.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),液壓泵控制信號如表3和圖4所示,曲線1為1、2號主泵的比例溢流閥調(diào)節(jié)信號,曲線2和3為3、4號輔助泵的調(diào)節(jié)信號.2.2.2刀盤轉(zhuǎn)速控制刀盤調(diào)速仿真結(jié)果如圖5所示.可以看出,刀盤轉(zhuǎn)速能按調(diào)節(jié)電流成比例變化,但在啟動(dòng)時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速略滯后調(diào)節(jié),滯后程度與刀盤扭矩有關(guān).刀盤調(diào)節(jié)范圍滿足設(shè)計(jì)要求.在馬達(dá)低速擋,2個(gè)主驅(qū)動(dòng)泵工作,當(dāng)輕載時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速可達(dá)到1.67r/min;當(dāng)重載時(shí),恒功率控制作用下,刀盤轉(zhuǎn)速可達(dá)到1.05r/min,可滿足刀盤低速掘進(jìn)的需要,輔助泵可增加刀盤轉(zhuǎn)速0.29r/min.在馬達(dá)高速擋,2個(gè)主驅(qū)動(dòng)泵工作,當(dāng)輕載時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速可達(dá)到2.8r/min;當(dāng)重載時(shí),恒功率控制作用下,刀盤轉(zhuǎn)速可達(dá)到2.1r/min,可滿足刀盤大部分高速掘進(jìn)的需要,輔助泵可增加刀盤轉(zhuǎn)速0.5r/min.刀盤不同負(fù)載并調(diào)速時(shí)液壓系統(tǒng)性能如圖6和7所示.從圖6看出,在相同的負(fù)載下,馬達(dá)高速擋的系統(tǒng)壓力高于馬達(dá)低速擋的系統(tǒng)壓力.當(dāng)?shù)侗P扭矩T=1000kN·m時(shí),系統(tǒng)壓力分別為9和6.5MPa,當(dāng)?shù)侗P扭矩為T=2000kN·m,系統(tǒng)壓力分別為17.5和11.5MPa.因此,刀盤輸出相同轉(zhuǎn)速,當(dāng)馬達(dá)在高速擋時(shí),系統(tǒng)所消耗功率高.3雙泵組合驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)在上海地鐵二號線西延伸段威寧路段.單泵組合試驗(yàn)在第794環(huán)段,1、2號主泵設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速后并入3號泵.主頂推進(jìn)過程中因故障2次停機(jī),刀盤轉(zhuǎn)向變化了2次.3號輔助泵的控制信號連續(xù)調(diào)節(jié),刀盤轉(zhuǎn)速、液壓馬達(dá)入口壓力和3號輔助泵出口壓力如圖8和9所示.雙泵組合試驗(yàn)在第809環(huán)段,1、2號主泵設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速后同時(shí)并入3、4號泵,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能曲線如圖10和11所示.試驗(yàn)表明,通過PLC控制實(shí)現(xiàn)了輔助泵驅(qū)動(dòng)與主機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向聯(lián)機(jī),與主機(jī)系統(tǒng)同向工作.輔助泵并入系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)性能穩(wěn)定,單個(gè)輔助泵全流量可使刀盤轉(zhuǎn)速提高約0.28r/min.試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析相比,刀盤轉(zhuǎn)速差了0.01r/min,這說明實(shí)際系統(tǒng)中液壓泵和液壓馬達(dá)的泄漏量比仿真模型中的泄漏量大一些.通過試驗(yàn)研究驗(yàn)證了多泵組合驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)行性能,從性能上來說,這種