復(fù)合地層頂管機刀盤中心驅(qū)動液壓系統(tǒng)的設(shè)計與分析

李光朋， 李延民， 李皓楠

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

復(fù)合地層頂管機刀盤中心驅(qū)動液壓系統(tǒng)的設(shè)計與分析

李光朋1， 李延民2， 李皓楠1

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

常規(guī)刀盤電機驅(qū)動頂管機在特定復(fù)合地層條件下經(jīng)常出現(xiàn)超轉(zhuǎn)矩、掘不動的情況。針對這種情況，設(shè)計采用刀盤中心驅(qū)動的變量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)。根據(jù)復(fù)合地層的要求，在理論計算的基礎(chǔ)上，針對性地匹配變量泵-變量馬達(dá)的運行參數(shù)，再利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，對刀盤在低速、高速和脫困3種模式進(jìn)行仿真分析。理論計算和仿真分析結(jié)果表明所采用的閉式液壓系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)復(fù)合地層對掘進(jìn)的要求。

復(fù)合地層； 頂管機； 刀盤； 中心驅(qū)動； 閉式液壓系統(tǒng)； AMESim仿真

Abstract: The situations of over torque and inactivity often occur to pipe jacking machine with conventional motor drive in composite ground. In this case, the variable pump-variable motor closed hydraulic system for cutterhead center driving is designed. According to the requirements of the composite ground, the running parameters of variable pump-variable motor are matched on the basis of theoretical calculation. The hydraulic system model is established by software AMESim; and the three modes of cutterhead under conditions of low speed, high speed and jam releasing are simulated and analyzed. The results of theoretical calculation and simulation show that the closed hydraulic system has a good applicability to composite ground.

Keywords: composite ground; pipe jacking machine; cutterhead; center driving; closed hydraulic system; AMESim simulation

0 引言

頂管機是市政工程中一種重要的隧道掘進(jìn)設(shè)備。為了保證施工進(jìn)度和工程質(zhì)量，在修建市政地下隧道工程時，頂管機正越來越受到建設(shè)方的青睞[1-3]。

針對頂管機的工程應(yīng)用情況，國內(nèi)學(xué)者已做了較多研究。文獻(xiàn)[4-6]介紹了常規(guī)土壓平衡和泥水平衡頂管機在國內(nèi)的施工案例，詳細(xì)說明了頂管機所工作的巖土地貌，即多為淤、黏、粉、砂等軟土地層。然而在硬巖地質(zhì)條件下，尤其在復(fù)合地層地質(zhì)條件下，經(jīng)常出現(xiàn)常規(guī)土壓平衡和泥水平衡頂管機掘不動，甚至出現(xiàn)刀盤卡死、頂管機動不了等情況，現(xiàn)有常用電機驅(qū)動方式有待進(jìn)一步改進(jìn)。文獻(xiàn)[7-10]對TBM和盾構(gòu)中的刀盤液壓驅(qū)動進(jìn)行了介紹和研究，指出刀盤采用液壓驅(qū)動更能勝任在硬巖及復(fù)雜地質(zhì)下工作。在工程機械領(lǐng)域，已有學(xué)者針對變量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)控制方式進(jìn)行了相關(guān)研究，指出其具有效率高、轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，在大型工程機械中得到了廣泛應(yīng)用[10-13]，而目前將該液壓系統(tǒng)應(yīng)用于頂管機刀盤驅(qū)動的相關(guān)研究在國內(nèi)還較少。

本文針對復(fù)合地層頂管機，提出刀盤驅(qū)動采用中心液壓馬達(dá)-減速機、變量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)控制的驅(qū)動方案，依據(jù)掘進(jìn)的3種模式，通過計算和仿真分析，針對性地匹配液壓系統(tǒng)中變量泵-變量馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)，以期適應(yīng)對特殊地層的掘進(jìn)要求。

1 地質(zhì)條件及施工要求

本頂管機施工工程沿線的地質(zhì)性質(zhì)為南寧盆地邊緣剝蝕丘陵地貌，巖土層種類較多，性質(zhì)變化較大，如圖1所示。從上到下依次為新近堆積形成耕土、素填土、第四系殘坡積形成紅黏土和石灰?guī)r等，個別區(qū)域還有溶洞存在，如圖2所示。各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 地貌巖土層構(gòu)成

根據(jù)施工單位要求，頂管埋深不小于12 m，管內(nèi)徑為2 800 mm，管節(jié)長度為2 000 mm。由于頂管的設(shè)計埋深比較大,頂管機穿越地層多為紅黏土和石灰?guī)r,紅黏土遇水膨脹后，極易出現(xiàn)“結(jié)泥餅”和“糊刀盤”現(xiàn)象，且復(fù)合地層下刀盤受力不均，會產(chǎn)生較大沖擊，因此需要刀盤具有較大的轉(zhuǎn)矩、足夠的抗沖擊和脫困能力。

表1 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

注： 帶*號為勘測值。

2 中心刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)

由于頂管穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜，刀盤切削力矩和轉(zhuǎn)速隨工況變化很大，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備功率大、功率變化范圍寬和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大等特點。采用閉式液壓系統(tǒng)控制可以提高液壓傳遞效率，減少能量損耗，同時節(jié)省空間，并方便系統(tǒng)的安裝和布置。該液壓系統(tǒng)的變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速回路的調(diào)速范圍等于泵和馬達(dá)各自的調(diào)速范圍的乘積，因此理論上能夠較好地滿足施工要求。

中心刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。液壓系統(tǒng)采用2臺電液比例雙向變量柱塞泵(簡稱變量柱塞泵)1配合1臺雙速變量液壓馬達(dá)(簡稱變量馬達(dá))4的驅(qū)動方式，以變量柱塞泵1調(diào)速為主、變量馬達(dá)4調(diào)速為輔，通過調(diào)整變量柱塞泵1的斜盤擺角來改變系統(tǒng)的流量大小和方向，從而改變變量馬達(dá)4的輸出轉(zhuǎn)速和方向。系統(tǒng)由2個變量柱塞泵1串聯(lián)起來，比例方向閥電磁鐵ZQ01和ZQ03同時得電時，變量柱塞泵1的B口出油，變量馬達(dá)4實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；相反，比例方向閥電磁鐵ZQ02和ZQ04同時得電時，變量柱塞泵1的A口出油，變量馬達(dá)4實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。此外，變量柱塞泵1還串聯(lián)2個定量泵2和3，其中沖洗控制泵2通過沖洗控制閥組7對變量馬達(dá)4的沖洗和雙速進(jìn)行控制，循環(huán)泵3負(fù)責(zé)整個液壓系統(tǒng)的循環(huán)過濾。冷卻器8通過油、水的反向?qū)α?，使水帶走油里的熱量，實現(xiàn)對油溫的控制。雙速閥5用來切換變量馬達(dá)4的高低速： 電磁鐵ZQ08失電，雙速閥5處于圖示的右位，變量馬達(dá)4為低速模式；電磁鐵ZQ08得電，雙速閥5換到左位，變量馬達(dá)4為高速模式。閉式系統(tǒng)中的熱油通過熱油閥6經(jīng)冷卻后返回油箱。

1—變量柱塞泵； 2、3—定量泵； 4—變量馬達(dá)； 5—雙速閥； 6—熱油閥； 7—沖洗閥； 8—冷卻器。

圖3刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)原理圖

Fig. 3 Sketch of working principle of hydraulic system of cutterhead driving

3 液壓系統(tǒng)計算

液壓系統(tǒng)基本參數(shù)見表2。

表2 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)

3.1低速模式

低速模式下變量馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速

n1m=n1d·i=71.76 r/min。

式中：n1d為刀盤低速模式下最大轉(zhuǎn)速，3 r/min；i為減速機的減速比，23.92。

低速模式下變量馬達(dá)的最大輸出轉(zhuǎn)矩

式中：T1d為低速模式刀盤的最大轉(zhuǎn)矩，800 kN·m；ηj為機械傳動效率，0.95。

變量馬達(dá)進(jìn)出口壓差

式中：Vmmax為變量馬達(dá)的最大排量， 8 800 mL/r；ηmm為變量馬達(dá)的機械效率，0.95。

由于變量馬達(dá)自身限制，最大轉(zhuǎn)矩下其轉(zhuǎn)速要低于額定值3 r/min。結(jié)合實際情況，要求輸出最大轉(zhuǎn)矩時刀盤的轉(zhuǎn)速不大于2.6 r/min，此時變量馬達(dá)的相應(yīng)轉(zhuǎn)速

nm=nd·i=62.2 r/min。

變量馬達(dá)在此轉(zhuǎn)速下所需流量

式中ηmv為變量馬達(dá)的容積效率，0.95。

3.2高速模式

高速模式下變量馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速

n2m=n2d·i=143.52 r/min。

式中n2d為刀盤高速模式下最大轉(zhuǎn)速，6 r/min。

變量馬達(dá)在此轉(zhuǎn)速下所需流量

式中Vmmin為變量馬達(dá)的最小排量，4 400 mL/r。

變量馬達(dá)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩

式中T2d為高速模式下刀盤的最大轉(zhuǎn)矩，400 kN·m。

變量馬達(dá)進(jìn)出口壓差

式中Vmmin為變量馬達(dá)的最小排量。

3.3脫困模式

設(shè)定刀盤在轉(zhuǎn)速小于2.3 r/min下進(jìn)行脫困，此時變量馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速

nt=2.3i=55 r/min。

變量馬達(dá)在此轉(zhuǎn)速下所需流量

變量馬達(dá)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩

式中Tdt為刀盤的脫困轉(zhuǎn)矩，900 kN·m。

變量馬達(dá)進(jìn)出口壓差

3.4電機和液壓泵的選型

由分析可知，變量馬達(dá)輸出的最大功率出現(xiàn)在低速模式下的脫困狀態(tài)。脫困狀態(tài)下變量馬達(dá)的輸出功率

電機的輸出功率

式中：ηpm為液壓泵的機械效率，0.9；ηpv為液壓泵的容積效率，0.97。

按照電機儲存10%能量計算，其功率為280×1.1=308 kW。查電機樣本資料，電機的額定功率選擇為315 kW，電機額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min。為滿足轉(zhuǎn)速要求，液壓泵選擇2個250 mL/r的變量柱塞泵串聯(lián)使用。

根據(jù)以上計算得到的刀盤在低速、高速和脫困狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以繪制得到刀盤轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線圖，如圖4所示。

圖4 刀盤轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線Fig. 4 Relationship between rolling speed and torque of cutterhead

4 仿真模型的建立與分析

AMESim軟件是基于圖形化的仿真軟件，帶有多種工程設(shè)計軟件包，其中液壓仿真軟件包包含了大量常用的液壓元件、液壓源和液壓管路等[14]。

利用液壓元件庫和HCD庫建立仿真模型，對刀盤中心驅(qū)動液壓系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化處理，省略系統(tǒng)中熱油閥、雙速閥、沖洗閥、冷卻器等對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩影響不大的元件，同時將變量柱塞泵簡化為負(fù)載敏感變量泵、將變量馬達(dá)的變量機構(gòu)簡化為電控函數(shù)，利用摩擦制動力矩來模擬刀盤所受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩[15]。建立的液壓系統(tǒng)的AMESim模型如圖5所示。

對刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)AMESim模型中的各個圖形模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置低速、高速和脫困3種模式下模擬刀盤負(fù)載的轉(zhuǎn)矩分別為800、348.8、901 kN·m。設(shè)置好仿真時間、步長和收斂精度后對模型進(jìn)行仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖6—8所示。

由仿真結(jié)果可知，在低速、高速和脫困3種模式下的刀盤轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩與設(shè)計計算的結(jié)果一致；由曲線可以看出不論是刀盤轉(zhuǎn)速還是變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩在經(jīng)過短時間的振蕩之后均能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)硬巖頂管機具體應(yīng)用的地層地質(zhì)地貌，制定刀盤中心驅(qū)動液壓系統(tǒng)方案，并對刀盤低速、高速和脫困3種模式進(jìn)行了計算與仿真分析，分析計算結(jié)果表明：

1)針對復(fù)合地質(zhì)工況條件，需要大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的大功率驅(qū)動方式。刀盤中心驅(qū)動采用液壓傳動形式的閉式容積調(diào)速回路，能夠?qū)崿F(xiàn)高速和低速工作模式以適應(yīng)多變的地質(zhì)條件，并可在特定條件下開啟脫困工作模式，較好地解決了工程實際問題。

圖5刀盤中心驅(qū)動液壓系統(tǒng)AMESim模型

Fig. 5 AMESim model of hydraulic system of cutterhead center driving

(a) 刀盤轉(zhuǎn)速

(b) 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩

圖6設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)矩為800 kN·m時仿真結(jié)果

Fig. 6 Simulation results of cutterhead torque of 800 kN·m

(a) 刀盤轉(zhuǎn)速

(b) 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩

圖7設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)矩為348.8 kN·m時仿真結(jié)果

Fig. 7 Simulation results of cutterhead torque of 348.8 kN·m

(a) 刀盤轉(zhuǎn)速

(b) 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩

圖8設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)矩為901 kN·m時仿真結(jié)果

Fig. 8 Simulation results of cutterhead torque of 901 kN·m

2)采用的變量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)，具有油溫控制、清洗、循環(huán)過濾等基本回路，能夠適應(yīng)復(fù)雜工況要求而且節(jié)能環(huán)保，有效地保證了系統(tǒng)能夠連續(xù)長期可靠工作。

3)針對刀盤所提出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速要求，通過理論計算與仿真分析， 2方面的結(jié)果一致，說明所設(shè)計液壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速能夠滿足驅(qū)動要求。

目前，為了加快地下綜合管廊的建設(shè)，對復(fù)合地層頂管機的需求越來越多，此種工況下刀盤液壓驅(qū)動有著明顯優(yōu)勢，可以較容易應(yīng)對交變載荷的變化以及掘不動的情況。針對復(fù)合地層中頂管機刀盤液壓驅(qū)動的推廣需要進(jìn)行持續(xù)深入的研究，例如： 進(jìn)一步優(yōu)化刀盤轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，使刀盤在高速模式下的轉(zhuǎn)矩更大；在非固定載荷下進(jìn)行液壓仿真時，刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)的適用性需要進(jìn)一步研究；刀盤液壓驅(qū)動的液壓件多為進(jìn)口元件，成本昂貴且生產(chǎn)周期長，如何實現(xiàn)關(guān)鍵液壓件的國產(chǎn)化率也是該設(shè)備推廣的關(guān)鍵。

[1] 賈連輝. 矩形頂管在城市地下空間開發(fā)中的應(yīng)用及前景[J]. 隧道建設(shè), 2016, 36(10): 1269. JIA Lianhui. Application of rectangular pipe jacking machine to urban underground space development and its prospects[J].Tunnel Construction, 2016, 36(10): 1269.

[2] 于海峰. 探討市政工程排污管道施工中機械頂管的技術(shù)要點[J]. 黑龍江科技信息, 2016(13): 201. YU Haifeng. Technical points of pipe jacking in municipal sewage pipeline construction[J].Heilongjiang Science and Technology Information, 2016(13): 201.

[3] 張琪.頂管技術(shù)在管道建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)科技情報, 2016(2): 33. ZHANG Qi. Pipe jacking technology applied in pipeline construction[J]. Geological Science and Technology Information, 2016(2): 33.

[4] 陳曉武,李建斌,周少奇.頂管機刀盤的選型及其在廣州石井河截污工程中的應(yīng)用[J].貴州環(huán)?？萍? 2003(3): 45. CHEN Xiaowu, LI Jianbin, ZHOU Shaoqi. Type selection of pipe jacking machine cutterhead and its application to sewage interception engineering in Guangzhou Shijin River[J]. Guizhou Environmental Protection Science and Technology, 2003(3): 45.

[5] 李剛.泥水平衡頂管機在拱北隧道曲線管幕工程中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2015(4): 98. LI Gang. Application of slurry balanced pipe jacking machine in curved pipe-roofing project of Gongbei Tunnel [J]. Railway Standard Design, 2015(4): 98.

[6] 張亞紅.土壓平衡頂管機在大直徑曲線段隧道施工中的應(yīng)用研究[J].中州煤炭, 2016(7): 78. ZHANG Yahong. Application study of earth pressure balance pipe jacking machine in large diameter curved line in tunnel construction[J]. Zhongzhou Coal, 2016(7): 78.

[7] 邢彤.盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動與控制系統(tǒng)研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué), 2008. XING Tong. Research on hydraulic drive and control system of shield cutterhead[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

[8] 滕韜.盾構(gòu)刀盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[D]. 長沙： 中南大學(xué), 2010. TENG Tao. Study of modeling and simulation of rotary drive hydraulic system of shield cutterhead[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[9] 王賀, 吳玉厚, 孫健, 等. TBM刀盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究[J].建筑機械化, 2016, 37(10): 27. WANG He, WU Yuhou, SUN Jian, et al. Simulation research on hydraulic rotary drive system of TBM cutter disc[J]. Construction Mechanization, 2016, 37(10): 27.

[10] 鄭久強.盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué), 2006. ZHENG Jiuqiang. Research on hydraulic drive system of shield cutterhead[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006.

[11] 梁靖, 陳欠根, 陳正, 等. 履帶起重機回轉(zhuǎn)機構(gòu)閉式液壓系統(tǒng)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2012, 34(1): 122. LIANG Jing, CHEN Qiangen, CHEN Zheng, et al. Study of closed hydraulic system in slewing mechanism of crawler crane[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34(1): 122.

[12] 王巖.變量泵控制變量馬達(dá)系統(tǒng)建模及控制[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2012, 29(1): 41. WANG Yan. Modeling and control for variable-pump controlling variable-motor[J]. Control Theory & Applications, 2012, 29(1): 41.

[13] 劉永, 谷立臣, 楊彬, 等. 閉式泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)效率研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015(7): 876. LIU Yong, GU Lichen, YANG Bin, et al. Study of efficiency simulation of closed pump controlled motor hydraulic system[J]. Journal of Hefei University of Technology (Natural Science), 2015(7): 876.

[14] 劉海麗. 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究[D]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué), 2006. LIU Haili. Research on hydraulic system modeling and simulation technology based on AMESim[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2006.

[15] 張魏友. EPB盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué), 2013. ZHANG Weiyou. Study of structure and hydraulic drive system of shield cutterhead[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

DesignandAnalysisofCenterDrivingHydraulicSystemofCutterheadofPipeJackingMachineinCompositeGround

LI Guangpeng1, LI Yanmin2, LI Haonan1

(1.ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China)

U 453

A

1672-741X(2017)09-1173-06

2017-01-10;

2017-03-27

李光朋(1983—)，男，河南周口人，2007年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事隧道設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)。E-mail: 18790259211@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.017