盾構(gòu)注漿液壓泵吸空抑制方法研究

袁曉亮，朱 雷

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

注漿液壓泵是同步注漿液壓系統(tǒng)的油源，隧道斷面直徑的增大需要更大排量的注漿液壓泵以滿足盾構(gòu)最大推進(jìn)速度時(shí)需要的注漿量，但在長期使用中發(fā)現(xiàn)，如不采取針對性設(shè)計(jì)，大排量變量柱塞泵容易發(fā)生吸空損壞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能和可靠性。本文以開挖直徑?6 980mm的大直徑盾構(gòu)所用的A10VO140DFLR注漿液壓泵為例，在闡明其工作原理和工況特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對其吸空原因進(jìn)行了分析，并提出了有針對性的吸空抑制方法。

1 注漿液壓泵原理分析及工況特點(diǎn)

注漿液壓泵系統(tǒng)原理如圖1所示，具有恒壓恒流恒功率變量特性的柱塞泵在電機(jī)帶動下吸油，油液須依次通過吸油濾和蝶閥到達(dá)泵吸油口。恒功率閥變量控制起調(diào)點(diǎn)大于恒壓閥設(shè)定值90bar，因此在正常工況下恒功率閥基本不起作用。電機(jī)啟動3s后加載電磁閥得電，泵出口油液壓力反饋到恒流閥控制壓力油口，一方面實(shí)現(xiàn)了低載啟動，減小對柱塞泵和電機(jī)的沖擊；另一方面在電機(jī)正常啟動后，變量泵的恒流功能被屏蔽，因此變量柱塞泵在正常工作時(shí)可以簡化為恒壓泵。

圖1 注漿液壓泵系統(tǒng)原理圖

注漿液壓泵出口壓力通過控制油路作用在小變量缸彈簧腔及恒壓閥閥芯左端，恒壓閥設(shè)定壓力通過右端調(diào)壓螺釘無級調(diào)定。泵出口壓力超過恒壓閥設(shè)定壓力后，閥芯右移，控制油經(jīng)恒壓閥左位流入變量泵控制敏感腔，推動變量活塞左移，使與活塞桿相連的斜盤角度減小，泵輸出流量減小，隨之壓力下降，系統(tǒng)壓力保持恒定而泵僅供給注漿系統(tǒng)所需流量；當(dāng)泵出口壓力低于恒壓閥設(shè)定值時(shí)，閥芯左移，變量控制敏感腔油液回油箱，斜盤在小變量缸彈簧力作用下將斜盤角度擺至最大，因此，在系統(tǒng)壓力未達(dá)到調(diào)定壓力之前實(shí)際上是以最大排量的定量泵工作。

單路注漿泵液壓控制原理圖如圖2所示，由注漿液壓泵提供的壓力油經(jīng)過比例調(diào)速閥控制注漿速度，與主油缸固連的混凝土缸在吸料提升缸和出料提升缸的配合下交替吸料和排料。調(diào)節(jié)液壓控制閥組兩側(cè)節(jié)流閥，可以控制注漿泵泵送主油缸在吸料和出料行程終端的換向延時(shí)時(shí)間。?6 980mm大直徑盾構(gòu)共有6路注漿泵，每路注漿量由各路的比例調(diào)速閥獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于換向延時(shí)時(shí)間和流量需求的即時(shí)變化，注漿液壓泵可能運(yùn)行于圖3所示恒壓泵靜態(tài)特性曲線恒壓設(shè)定值的任意點(diǎn)上。

圖2 單路注漿泵液壓控制原理圖

圖3 恒壓變量泵靜態(tài)特性曲線

在6路注漿泵同時(shí)由換向延時(shí)工況向吸料或出料工況轉(zhuǎn)換時(shí)，注漿液壓泵流量變化率達(dá)到最大，其輸出流量瞬時(shí)由零變?yōu)榻咏帕繒r(shí)的210L/min。由此可見，注漿液壓泵工作時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)：①注漿液壓泵輸出流量變化頻繁且快速，最大流量變化率發(fā)生于泵由零排量瞬間變?yōu)槿帕浚虎诤銐洪y閥芯一直在中位高頻振蕩，以適應(yīng)注漿泵流量需求的實(shí)時(shí)變化。

2 注漿液壓泵吸空機(jī)理及原因分析

吸空是指液壓泵吸入的油液中混有空氣的現(xiàn)象，空氣在油液中的存在形式有兩種：一是以氣泡形式混入油液，二是溶解在油液中。當(dāng)回泄油管高于油箱液位而使回泄油在油箱內(nèi)劇烈攪動產(chǎn)生漩渦以及液壓泵密封失效或吸油管路管接頭裝配不當(dāng)時(shí)，都會導(dǎo)致游離的空氣以氣泡形式混入油液中，此種原因引起的吸空現(xiàn)象故障明顯且容易觀測，不在本文討論之列。在大氣壓下，石油型液壓油常溫時(shí)約含有9%的溶解空氣，開式泵經(jīng)吸油管路從油箱吸油，由于壓力損失，吸油區(qū)形成負(fù)壓，當(dāng)油液壓力低于該溫度下的空氣分離壓時(shí)，原先溶解于油液中的氣體將分離出來形成氣泡并混雜在油液中，產(chǎn)生氣穴，致使液體變?yōu)椴贿B續(xù)介質(zhì)而發(fā)生吸空。氣穴在高壓區(qū)的潰滅伴隨局部高壓沖擊和高溫，使系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲、氣蝕、泵容積效率下降，甚至導(dǎo)致油泵短時(shí)間內(nèi)損壞。

從上面的分析可以得出，油泵吸空的直接原因是吸油口處絕對壓力的過分降低。對于A10系列液壓泵，樣本中明確指出，吸油口S處絕對壓力最小為0.8bar，并且隨驅(qū)動轉(zhuǎn)速的增加和工作排量的增大而增大(圖4)。對于注漿液壓泵系統(tǒng)，吸油管路壓力損失過大進(jìn)而導(dǎo)致吸油口處絕對壓力過小的可能原因有：①吸油濾和截止閥處壓力損失過大；②管道和彎頭處沿程壓力損失和局部壓力損失過大；③注漿液壓泵由零排量瞬間變?yōu)槿帕繒r(shí)吸油管路流量突變引起的壓損過大；④殼體泄油壓力過大。泄油壓力過大雖不直接導(dǎo)致油泵吸空，但當(dāng)泄油壓力與吸油口S處進(jìn)口壓力之差超過0.5bar時(shí)，油泵吸油性能變差，并且不能保證滑靴在斜盤上高速旋轉(zhuǎn)時(shí)始終與斜盤保持靜壓支承。

圖4 進(jìn)口壓力隨轉(zhuǎn)速和排量的變化曲線

3 注漿液壓泵吸空抑制方法

為杜絕油泵吸空，須采取措施避免吸油口處絕對壓力的過分降低，針對上述對吸空原因的分析，可能的解決方法主要有以下幾種。

1）取消吸油濾或減小吸油濾過濾精度；截止閥由蝶閥更換為閘閥。

吸油過濾因存在吸油壓力損失而增加泵入口的真空度（圖5），并且在使用過程中，濾芯不斷被污染物堵塞，其壓差還會逐漸增大。柱塞泵自吸性能差，為避免油泵吸空，吸油口嚴(yán)禁用精密過濾器，當(dāng)必須使用吸油濾時(shí)，要盡可能選用通流能力大和過濾精度低的過濾器。

圖5 WF系列吸油濾壓差流量曲線

蝶閥全開時(shí)，吸入油液被中間閥板分隔為兩部分，兩股液流在通過蝶閥后匯合，此過程伴隨液流速度大小和方向的改變，對液流的阻礙作用不可忽視。而閘閥全開時(shí)閥板不在液流通道內(nèi)，液流通過時(shí)的壓損遠(yuǎn)小于蝶閥。閘閥體積稍大，在安裝空間允許的情況下可以考慮用閘閥作截止閥。

2）增大管徑，減少彎頭尤其是90°彎頭。

吸油管路的壓力損失分為兩部分：沿程壓力損失和局部壓力損失，圖6展示了沿程壓力損失和局部壓力損失在管網(wǎng)流動中的產(chǎn)生位置和大小，它們都與流速的平方成正比，即Δp∝v2。

圖6 沿程壓力損失與局部壓力損失

由于流速與通流截面積成反比，因此在通流量一定的條件下，總的壓力損失與截面直徑的四次方成反比，可見增大管徑對減小壓力損失有顯著效果。以注漿液壓泵所用的A10VO140為例，當(dāng)吸油管直徑由DN65增大為DN80時(shí)，其吸油管路壓力損失可以減小56.4%。

圖7 90°流道速度云圖和壓力云圖

當(dāng)油液流經(jīng)管道系統(tǒng)中的彎管時(shí)，流速會重新分布，流體質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間及質(zhì)點(diǎn)與管壁之間發(fā)生碰撞、產(chǎn)生漩渦，使流體的流動受到阻礙，如圖7所示為等徑直角轉(zhuǎn)向流道的速度云圖和壓力云圖。彎度越大，其對液流的阻礙作用也越大，液流經(jīng)過一個(gè)90°彎頭產(chǎn)生的壓力損失比經(jīng)過兩個(gè)45°彎頭產(chǎn)生的壓力損失之和還要大，因此在注漿液壓泵吸油管道上要盡量避免布置彎頭，尤其是90°急彎。

3）延長油泵變量時(shí)間，減小流量變化率。

注漿液壓泵工況轉(zhuǎn)換時(shí)瞬時(shí)流量突變，極易使油泵吸油不足，導(dǎo)致油泵容積效率下降，并產(chǎn)生氣穴、振動和噪聲。要減小工況轉(zhuǎn)換時(shí)的流量變化率，需要延長油泵變量時(shí)間，這可以通過適當(dāng)調(diào)整變量過程中進(jìn)入控制敏感腔的流量實(shí)現(xiàn)。

圖8所示為恒壓閥結(jié)構(gòu)，其中的旁通液阻R2和R3主要是為了增強(qiáng)變量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。要減緩泵由接近零排量變?yōu)槿帕康臅r(shí)間，一個(gè)簡單可行的方法是在基泵上與變量缸控制敏感腔連通的恒壓控制閥A通道上增設(shè)液阻R4。增設(shè)液阻R4后變量控制閥液阻網(wǎng)絡(luò)如圖9所示，圖中液阻R1為控制油流經(jīng)恒壓閥時(shí)的液阻。

圖8 恒壓閥結(jié)構(gòu)及旁通液阻

圖9 增設(shè)液阻R4后的變量泵液阻網(wǎng)絡(luò)

增設(shè)液阻后的注漿變量泵系統(tǒng)仿真模型及控制敏感腔流量變化曲線分別如圖10和圖11所示。由曲線可知，A通道增設(shè)液阻后變量泵變量時(shí)間延長，并且液阻越大，變量時(shí)間越長。但液阻越大，阻尼孔越容易堵塞，同時(shí)，變量時(shí)間過長，輸出流量跟不上注漿系統(tǒng)所需流量的瞬時(shí)變化將會引起壓力的較大波動或壓力超載現(xiàn)象，因此液阻大小需要綜合考量。

4）減小安全溢流閥設(shè)定壓力，使油泵工作于靜態(tài)特性曲線定量特性段。

圖10 注漿變量泵系統(tǒng)AMEsim仿真模型

圖11 控制敏感腔流量變化曲線

圖1中與注漿液壓泵出口并接的溢流閥起安全閥作用，其設(shè)定壓力不能小于恒壓閥調(diào)定壓力，否者注漿液壓泵不能運(yùn)行于恒壓工況。當(dāng)把安全溢流閥設(shè)定值減小到小于恒壓閥調(diào)定壓力時(shí)，油泵將始終以最大排量的定量泵工作，恒壓閥起安全限壓作用，超過注漿系統(tǒng)所需的流量將全部通過溢流閥溢流，從而避免了油泵變量時(shí)吸油口流量的跟隨變化，此種方法本質(zhì)上仍然是通過減小流量變化率抑制吸空，只不過要以犧牲溢流損失為代價(jià)。

5）替換A10系列泵為A11系列泵。

A11系列泵與A10系列泵相比，額定壓力高，效率高，排量范圍大，同時(shí)A11系列泵對由于殼體泄油壓力超過吸油壓力一定數(shù)值時(shí)導(dǎo)致的滑靴敲擊斜盤現(xiàn)象的敏感度也小于A10系列泵，在它們排量相近時(shí)，A11系列泵的最大允許轉(zhuǎn)數(shù)高于A10系列泵，可見A11系列泵吸油性能好于A10系列泵。此外A11系列泵有自帶升壓泵的可選項(xiàng)，當(dāng)其內(nèi)置有輔助升壓泵時(shí)，允許的吸油口S處最小絕對壓力更低，從而對吸油不暢導(dǎo)致的間斷性吸空有良好的適應(yīng)性。

圖12所示A11系列泵為帶有輔助升壓泵的恒功率變量泵。輔助油泵為離心泵，其用途是輔助A11VO泵吸油，可使其額定轉(zhuǎn)速提高，同時(shí)對于油液粘度較高的冷啟動工況有利。用排量相當(dāng)?shù)腁11VLO130代替A10VO140將極大提升注漿液壓泵的吸油性能，由于A11VLO130在工程機(jī)械上使用量大，其價(jià)格未必比A10VO140高出很多。

圖12 內(nèi)置升壓泵的A11系列變量泵

4 結(jié) 論

大排量變量柱塞泵容易發(fā)生吸空損壞，在使用中須采取針對性設(shè)計(jì)。本文的主要結(jié)論如下。

1）注漿液壓泵工況轉(zhuǎn)換頻繁且迅速，最大流量變化率發(fā)生于六路注漿泵同時(shí)由換向延時(shí)工況向吸料或出料工況轉(zhuǎn)換，此時(shí)泵由零排量瞬間變?yōu)槿帕俊?/p>

2）注漿液壓泵工況轉(zhuǎn)換時(shí)瞬時(shí)負(fù)壓過高是油泵吸空的直接原因，泄油壓力與吸油口壓力之差過大會降低油泵吸油性能。

3）增大管徑、減少彎頭、用閘閥作截止閥以及使用較低過濾精度吸油濾均有助于減小吸油管路壓力損失，從而降低油泵吸空風(fēng)險(xiǎn)。

4）為減小注漿液壓泵吸油口瞬時(shí)流量變化率，可以通過調(diào)小安全溢流閥設(shè)定值使油泵工作于靜態(tài)特性曲線定量特性段，或者在與變量缸控制敏感腔連通的恒壓閥A通道上增設(shè)液阻，以增大油泵變量時(shí)間。

5）用排量相當(dāng)?shù)淖詭лo助升壓泵的A11VLO130代替A10VO140可以大大提高注漿液壓泵的吸油性能，同時(shí)對于油液粘度較高的冷啟動工況有利。

[1] 傅德明，周文波．超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展[A]．第五屆中國國際隧道工程研討會文集[C]．2011.

[2] 王惠明．液壓系統(tǒng)中氣穴和氣蝕的故障診斷和排除[J]．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2002，(6)：47-49.

[3] 張 敏，沈建軍，魏文瀾，等．振動壓路機(jī)振動液壓系統(tǒng)吸空問題分析[J]．山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(2)：125-127.

[4] 馬憲婷，張福來．液壓系統(tǒng)中壓力損失的分析與計(jì)算[J]．煤礦機(jī)械，2009，(9)：22-24.

[5] 陳良武，李 光，朱 英，等．盾構(gòu)同步注漿泵原理與分析[J]．建筑機(jī)械化，2014，(5)：79-81.

[6] 楊俊卿，任德志，徐莉萍，等．新型盾構(gòu)注漿泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J]．機(jī)床與液壓，2011，(9)：63-66.

[7] SC Li，YL Wu，J Dai，ZG Zuo，S Li，etc.Cavitation resonance:The phenomenon and unknown[J].Journal of Hydrodynamics，Ser.B，2006, (3): 39-43.

[8] 付永領(lǐng)，祁曉野．LMS Imagine. Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.