盾构机刀盘驱动液压系统设计_谢群.pdf

液压与气动2009年第4期 大冲击值小于公称压力的115 ,其各项性能指标优 于MT419 - 1995规定的标准,已广泛地应用在拥有电 液控系统的液压支架上。 5 结束语 一、 二级护帮联动双向锁经过了试制、 实验、 实际 测量,各项性能指标均达到国家煤炭行业支架用阀 MT419 - 95的标准,并且在使用寿命和关闭压力方面 已远高于该标准,有力的说明该阀稳定性好,技术含量 高。不足之处是加工工艺要求比较严格。但其阀芯采 用组件插装式结构,可以整体从阀体中卸出,维修方 便,密封副采用带骨架的特种橡胶,密封可靠,使用寿 命长。有机地把交替阀和双向锁这两种不同功能的阀 组合到一起,既节约了材料,也减少了加工成本,还节 约了安装空间,减少了连接软胶管的数量,优化了液压 系统。该阀是在解决实际问题中首次开发出来,在国 内外煤炭系统中首次使用,具有很好的市场开发优势 和推广应用价值。 参考文献 [1] 雷天觉.液压工程手册[M ].北京机械工业出版社, 1990. [2] 王国法.液压支架技术[M ].北京煤炭工业出版社, 1999. [3] 路甬祥.液压气动技术手册[M ].北京机械工业出版 社, 2002. 盾构机刀盘驱动液压系统设计 谢 群 1 ,杨佳庆 2 ,高伟贤 3 Design of Cutter Head Hydraulic System for the Earth Pressure Balance ShieldMachine XIE Qun 1 , YANG Jia2qing 2 , GAO Wei2xian 3 1. 沈阳理工大学,辽宁 沈阳 110168; 2.沈阳机床集团有限责任公司,辽宁 沈阳 110142; 3.沈阳重型机械集团有限责任公司 盾构分公司,辽宁 沈阳 110025 摘 要该文针对盾构机刀盘驱动系统的工作要求,设计了一种刀盘驱动液压系统,系统为变量泵 2 变量 马达闭式回路,采用电液比例技术实现刀盘双向旋转和无级调速。系统在满足要求的前提下具有效率高、 节 能的特点。 关键词盾构机;刀盘驱动;液压系统;比例控制 中图分类号 TH137 文献标识码B 文章编号 100024858 2009 0420074203 引言 盾构机是专用于地下隧道工程挖掘的技术密集型 重大工程装备。盾构法以其施工安全可靠、 机械化程 度高、 工作环境好、 进度快等优点广泛用于隧道施工 中,尤其是在地质条件复杂、 地下水位高而隧道埋深较 大时,只能依赖盾构 [1 ]。 盾构机刀盘驱动系统是盾构设备的关键部件之 一,是进行掘进作业的主要工作装置。盾构的刀盘工 作转速不高,但由于刀盘直径较大而且施工地质构造 复杂,要求刀盘驱动系统具有功率大、 输出转矩大、 输 出转速变化范围宽、 抗冲击、 刀盘双向旋转和脱困等功 能,同时,在满足使用要求的条件下,具有减小装机功 率、 节能降耗等工作特点。刀盘驱动系统还必须具有 高可靠性和良好的操作性。 为了适应复杂多变的地质条件,刀盘驱动系统可 采用液压驱动、 变频电机驱动和双速电机驱动3种形 式。通常大直径隧道掘进机要求的转速高,宜选择电 驱动变频电机驱动和双速电机驱动 , 以获得良好的 特性曲线。中、 小直径的软土隧道掘进机通常要求速 度较低,扭矩较大,宜选用液压驱动。本文针对以上盾 收稿日期 2009201216 作者简介谢群1965 , 女,辽宁沈阳人,副教授,硕士,主 要从事流体传动与控制方面的科研和教学工作。 47 2009年第4期液压与气动 构机刀盘驱动系统的工作要求,设计了用于中、 小型盾 构机的刀盘驱动液压系统。 1 刀盘驱动液压系统工作原理 刀盘驱动液压系统采用变量泵 2 变量马达闭式容 积调速回路,系统主泵采用两台用于闭式回路的斜盘 式双向比例变量柱塞泵,主泵同时集成了补油泵、 闭 式回路控制回路和主泵变量控制回路。系统的马达采 用一台轴向柱塞变量马达,变量液压马达通过变速箱 与小齿轮驱动主轴承大齿轮,带动刀盘产生旋转切削 运动。驱动装置可以实现双向旋转,转速可以在0～ 9. 8 r/min范围内无级可调,还可实现刀盘脱困功能。 1. 1 刀盘转速控制和旋转方向控制 主泵的变量形式为电液比例变量,如图1所示,泵 的输出流量可以根据输入比例电磁阀电信号的大小实 现无级可调,从而满足刀盘旋转速度的变化要求。电 液比例控制的结构比较复杂,但可控性能好,可组成不 同形式的反馈。刀盘驱动系统主泵的变量机构采用调 节器设定泵的流量从而调节马达的转速,通过马达转 速传感器反馈刀盘马达实际转速,如果与给定信号产 生偏差,利用偏差信号改变泵的排量使刀盘马达转速 与设定值相同。刀盘正向旋转时,比例电磁铁a通电, 比例换向阀左位工作,液压泵正向输出油液,伺服缸右 腔压力推动伺服缸活塞左移,活塞杆推动变量机构改 图1 主泵工作原理图 变柱塞泵的斜盘倾角,改变泵的排量,从而改变液压泵 的输出流量。当比例电磁铁a电流增加时,比例换向 阀的阀芯与阀体开口增大,通过阀的压力降减小,伺服 缸右腔压力增高,活塞继续左移,斜盘倾角增加,主泵 输出流量增加 [2 ]。比例电磁铁 a、b都不带电时,泵不 输出流量,马达停止转动。为了克服盾构机在掘进过 程中的滚转现象,保持盾构机的正确姿态,必须通过刀 盘反向旋转来调整,马达反转时,使比例电磁铁b带 电,液压泵反方向输出流量,并随着输入电流的增加而 流量增大。因此,通过控制比例电磁铁a、b通电状态 可以实现刀盘的双向旋转,控制比例电磁铁输入电流 的大小,实现刀盘转速的调节。 1. 2 刀盘的脱困和系统的安全控制 主泵变量机构还加入了二级压力切断装置,当主 泵的任何一个出口压力超过设定值时,变量机构使泵 的排量接近于零,输出的流量只补充泵的泄漏,实现泵 的超压卸载,这种方式不存在溢流能量损失,系统效率 高。卸载压力一级为28 MPa,为系统正常工作时的安 全压力,由溢流阀3设定;另一级为脱困时用,压力为 35 MPa,由溢流阀4设定。当二位三通换向阀2通电 时,刀盘为脱困工况。 所选择的主泵还集成有补油泵和闭式回路控制回 路,通过集成使系统结构简单,减少了管路和降低了泄 漏,便于维护和使用。补油泵有3个作用,即为闭式回 路补油、 强制冷却和控制主泵变量机构。补油泵首先 用来补充液压泵、 液压马达及管路等处的泄漏损失,并 通过更换部分主油路油液来控制系统中油液的温度。 系统中的补油压力为主泵的吸油口压力,补油泵的排 量为76 L /min。补油泵通过两个单向阀分别向系统 中回油管路补油。刀盘驱动液压系统变量控制机构的 控制油分别通过单向阀引自泵的2个油口和补油泵, 使控制油始终接有压力和流量,当泵处于正、 反向转换 时,泵处于零排量工况,没有压力油输出,此时,控制油 来自补油泵,补油泵控制油压力由顺序阀设定。此时, 外控顺序阀由于主油路没有压力而关闭,此时利用补 油泵的压力驱动变量机构,保证主泵换向。 系统中采用两个先导溢流阀实现缓冲,当马达制 动时,由于惯性,会产生前冲,此时泵已停止供油,因此 在马达排油管路会产生瞬时高压,使液压系统产生很 大的冲击和振动,严重时造成损坏,因此在回路设置溢 流阀可以使系统超压时,溢流阀打开,回油至马达进油 管路,减缓管路中的液压冲击,实现马达制动 [3]。 57 液压与气动2009年第4期 系统选用2台主泵进行工作,正常掘进工作时, 2 台主泵同时工作,当有1台主泵出现故障时,系统还可 以继续用单泵工作,保证盾构机工作的可靠性。 1. 3 刀盘的两级速度范围控制 盾构机掘进时要求满足在软、 硬岩不同的地质工 况下的掘进。在软土层中掘进时,由于地层自稳性能 极差,要求刀盘转速低,应控制在1. 5 r/min左右,此 时要求刀盘输出转矩大;硬岩挖掘时,刀盘转速高,而 转矩小。为了满足上述要求,盾构机在软土掘进时需 增大马达排量,降低马达转速;硬岩掘进时降低排量。 系统可以实现软岩掘进时,转速范围为0～2. 96 r/ min,转矩1114 kNm;硬岩掘进时,转速0～9. 87 r/ min,转矩334 kNm。 刀盘驱动液压系统的执行元件为用于闭式回路的 斜轴式双向压力控制比例变量柱塞马达,马达变量为 外控式,其工作原理如图2所示。马达的排量可以通 过变量机构实现无级可调,通过系统中比例减压阀输 入液控压力信号控制马达排量无级变化,马达的排量 随着控制压力的增高而减小。 图2 马达工作原理图 1. 4 刀盘驱动液压系统的节能控制 刀盘驱动液压系统采用变量泵 2 变量马达容积调 速回路,通过改变液压泵和液压马达的排量来调节执 行元件的运动速度,系统的调速范围宽。该回路液压 泵输出的流量与负载流量相适应,没有溢流损失和节 流损失,回路效率高。刀盘驱动控制系统需要马达实 现低速大转距和高速小转距,因此调节马达的排量及 其有利。如果用变量泵和定量马达组成液压调速系 统,在高速小转距时,泵将运行在低压大流量场合;在 低速大转距时,泵将运行在高压小排量场合,因而泵及 整个液压系统都需要按高压、 大流量参数选择,系统效 率不高。若采用变量马达,可以让马达在小排量工况 下运行来满足高速小转距要求;马达在大排量工况下 运行来达到低速大转距要求。这样,泵基本上处于高 压下运行,充分发挥了泵的能力。这种系统中泵和系 统本身的流量都比较小,降低系统成本,回路效率高。 2 计算 主泵最大排量250 L /r;工作压力35 MPa;最高工 作压力40 MPa;转速1480 r/min。马达工作压力为 35 MPa;最大排量为250 L /min;最小排量75 L /min。 本文是针对3 m盾构机设计的液压系统,设备所能达 到的能力计算如下不计算损失的理论值。 泵输出的最大流量 qp2Vpnp225010 - 3 1480 740 L /min 马达的最高转速 n1qm/Vm minqp/Vm min740 /75 9. 87 r/min 马达的最高转速最大扭矩时 n2qm/Vm maxqp/Vm max740/250 2. 96r/min 马达的最大扭矩 T2ΔpmVm max/ 2π 2810 6 25010 - 3 / 2 π 1114 kN m 马达的最大扭矩最高转速时 T1ΔpmVm min/ 2π 2810 6 7510 - 3 / 2π 334 kN m 马达的最大脱困扭矩 Tm maxΔpm maxVm max/ 2π 3510 6 250 10 - 3 / 2π 1393 kN m 3 结束语 刀盘驱动液压系统的主泵采用了比例变量控制, 可以实现输出流量根据输入电信号大小而改变,从而 满足液压马达输出转速连续调节的要求。调节比例变 量马达的排量可以实现软土挖掘工况的低速大扭矩和 硬岩工况的高速小转矩运行。回路中液压泵输出的流 量与负载流量相适应,没有溢流损失和节流损失,回路 的效率高,发热少,既满足盾构机施工要求,又使系统 的功率利用率达到最大。 参考文献 [1] 王胜勇.盾构机刀盘驱动研究[ J ].城市道桥与防洪, 200712. [2] 吴根茂.新编实用电液比例技术[M ].杭州浙江大学出 版社, 2006. 9. [3] 李壮云.液压元件与系统第2版 [M ].北京机械工 业出版社, 2005. 8. 67