載荷特征預(yù)測的盾構(gòu)機(jī)刀盤節(jié)能驅(qū)動技術(shù)研究

邊野++劉志明++呂賀峰

摘 要：隨著社會的發(fā)展，在城市中有很多的地鐵隧道，而且這種隧道的使用被國內(nèi)外廣泛使用著，盾構(gòu)機(jī)是當(dāng)前社會挖掘地下空間的主要工具，但相對的這個機(jī)械強(qiáng)大的動力所費的能源也是非常龐大的，所以研究節(jié)約能源的盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是現(xiàn)在工程設(shè)計師需要解決的問題，本文針對盾構(gòu)機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)合刀盤液壓系統(tǒng)的特點，為盾構(gòu)機(jī)所存在的問題進(jìn)行解決。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；液壓驅(qū)動系統(tǒng)；地下隧道

中圖分類號：U455.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0070-02

盾構(gòu)機(jī)是一種用于挖掘地下隧道的龐大機(jī)械，具有安全可靠，工作環(huán)境良好等特點，盾構(gòu)機(jī)還能很好的適應(yīng)地址結(jié)構(gòu)復(fù)雜且水位高的施工環(huán)境，而且有些隧道較深只能用盾構(gòu)機(jī)施工。

1 盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點

（1）刀盤驅(qū)動系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部件，也是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行工作的重要裝置，盾構(gòu)機(jī)的刀盤操作系統(tǒng)由于直徑大，所用機(jī)械功率大的原因，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速很慢，刀盤因為地質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因直徑達(dá)，輸出轉(zhuǎn)矩大，抗撞擊性好而且可以雙向旋轉(zhuǎn)，在滿足工作正常進(jìn)行的情況下，還要求刀盤操作系統(tǒng)應(yīng)具有裝機(jī)功率小，可靠性大等特點。

（2）因為需要在各種不同的地質(zhì)工作，操盤操作系統(tǒng)大體上有三種分別是，液壓，變頻電機(jī)，雙速驅(qū)動三種，變頻驅(qū)動和雙速驅(qū)動也統(tǒng)稱為電驅(qū)動系統(tǒng)，主要工作于大直徑的隧道，因為直徑大的隧道要求刀盤的轉(zhuǎn)速高且曲線平穩(wěn)，所以電驅(qū)動系統(tǒng)適合直徑大的通道。液壓驅(qū)動試用于中小型的軟土工程的隧道，以為土質(zhì)軟要求轉(zhuǎn)速低，且扭矩大的驅(qū)動刀盤。本文主要針對中小型液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

2 液壓系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的基本原理

2.1 以6.28m盾構(gòu)機(jī)刀動驅(qū)動液壓器為例其相關(guān)的工作參數(shù)表（如表1所示）

由表1可知，該液壓系統(tǒng)是利用三個雙向電比例控制變量柱泵塞從而控制六個馬達(dá)，由于電動機(jī)的級別是四級，所夙瑤輸出的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)每分鐘，所以運用的TVWS系統(tǒng)可以通過雙向比例控制變量柱塞泵，達(dá)到大流量，低降壓的效果，TVWS系列的控制方式是通過斜盤反饋機(jī)制控制流量的多少，所以在控制范圍內(nèi)并沒有流量損失，所以可以減少能源損失使能源利用率達(dá)到很高。

2.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能原理

刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要用的是變量泵—變量馬達(dá)閉式容積調(diào)速回路，系統(tǒng)主泵采用兩臺用于閉式回路的斜盤式雙向比例變量柱塞泵，主泵同時集成了補(bǔ)油泵、閉式回路控制回路和主泵變量控制回路，因為這種回路的液壓泵所流出的量符合負(fù)載的量，在能源上沒有溢流和節(jié)流損失，并且工作效率高，在刀盤系統(tǒng)工作的時候既要求驅(qū)動控制系統(tǒng)能低速大轉(zhuǎn)矩還能高速小轉(zhuǎn)矩，所以對馬達(dá)的調(diào)節(jié)能力是種考驗，而液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)是有變量泵和定量馬達(dá)組合調(diào)速的，所以在要求高速小轉(zhuǎn)矩的情況下，泵在低壓大流量場合運行，要求低壓大轉(zhuǎn)矩的時候，泵在高壓小排量場合運行。

2.3 對刀盤的轉(zhuǎn)速控制

液壓控制系統(tǒng)對主泵流量的控制可以用電液的比例所顯示，在輸出流量上可以通過電磁閥實際電信號的比例大小完全的控制流量輸出的多少，這可以實現(xiàn)對刀盤旋轉(zhuǎn)速度的控制，但控制電液比例十分不好掌握，通過控制電液比例可以建立不同的反饋形式。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的馬達(dá)是通過泵的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的，利用馬達(dá)的傳感器實現(xiàn)對馬達(dá)轉(zhuǎn)速的實際控制，即使所給的信號與設(shè)定值的數(shù)據(jù)有差別，馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器也可以根據(jù)差別的多少改變泵的流量，使流量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值相同

2.4 對刀盤系統(tǒng)安全的控制

液壓控制系統(tǒng)的主泵裝置中有一個二級壓力切斷裝置，此裝置能使主泵的出口出現(xiàn)壓力超過限定值時，使泵的變量減少到只與泵的泄露值相等，達(dá)到卸壓得目的，這種卸載方式能很好節(jié)約能量，不會使設(shè)備出現(xiàn)溢流損失的現(xiàn)象，使整個系統(tǒng)的能量利用率提高，泵流量出口的壓力級一般為28Mpa這是使系統(tǒng)能正常工作的壓力值，當(dāng)泵的牌排量大于35Mpa時會啟動自動卸載裝置，使刀盤脫困超載狀況。液壓驅(qū)動機(jī)的主泵是補(bǔ)油泵和閉式回路控制回路，通過集成使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減少了管路和降低了泄漏，便于維護(hù)和使用。補(bǔ)油泵有3個作用，即為閉式回路補(bǔ)油、強(qiáng)制冷卻和控制主泵變量機(jī)構(gòu)。補(bǔ)油泵首先用來補(bǔ)充液壓泵、液壓馬達(dá)及管路等處的泄漏損失，并通過更換部分主油路油液來控制系統(tǒng)中油液的溫度。系統(tǒng)中的補(bǔ)油壓力為主泵的吸油口壓力，補(bǔ)油泵的排量為76L/min。補(bǔ)油泵通過兩個單向閥分別向系統(tǒng)中回油管路補(bǔ)油。刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)變量控制機(jī)構(gòu)的控制油分別通過單向閥引自泵的2個油口和補(bǔ)油泵，使控制油始終接有壓力和流量，當(dāng)泵處于正、反向轉(zhuǎn)換時，泵處于零排量工況，沒有壓力油輸出，此時，控制油來自補(bǔ)油泵，補(bǔ)油泵控制油壓力由順序閥設(shè)定。此時，控順序閥由于主油路沒有壓力而關(guān)閉，此時利用補(bǔ)油泵的壓力驅(qū)動變量機(jī)構(gòu)，保證主泵換向。

3 結(jié)語

液壓驅(qū)動刀盤系統(tǒng)是通過比例控制輸出流量的，通過輸出電信號的大小改變相應(yīng)的比例，這種控制比例能更好的滿足馬達(dá)轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)的要求，刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)可以很好的適應(yīng)中小型盾構(gòu)機(jī)對軟土的挖掘，因為軟土的特殊結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤必須滿足低俗大扭轉(zhuǎn)和高速小扭轉(zhuǎn)，所以液壓驅(qū)動系統(tǒng)可以很好的滿足這一要求。另外液壓驅(qū)動系統(tǒng)中的回路也能很好的控制流量的輸出，保證輸出與負(fù)載相適應(yīng)，減少溢流盒節(jié)流的能量損失，可以更好的提高能量利用率，使系統(tǒng)的功率效率最高。

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