盾構(gòu)機(jī)液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用與探究

摘要：提出一種全新的節(jié)能型液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動(dòng)控制技術(shù)：采用PID自動(dòng)控制，系統(tǒng)可以根據(jù)油箱內(nèi)壓力實(shí)時(shí)、精確地調(diào)節(jié)所需的壓縮空氣進(jìn)氣流量；通過(guò)減小油箱內(nèi)壓力變化范圍減少油箱內(nèi)壓縮空氣外溢，進(jìn)而壓縮空氣的需求量，在提高加壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，又可帶來(lái)安全可靠、節(jié)能環(huán)保的效果；通過(guò)氣罐與油箱直接相連，增大了油箱內(nèi)壓縮空氣的容積，一方面降低了油箱內(nèi)壓縮空氣減壓率，減少油液內(nèi)氣泡含量；另一方面不需要大量壓縮空氣進(jìn)氣，進(jìn)而可以避免壓縮空氣充入液壓油箱而引起的油液乳化等問(wèn)題，有效防止了壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型液壓油箱；氣壓變化率；柱塞泵；低氣壓

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵建重工集團(tuán)公司2022年C類科研立項(xiàng)項(xiàng)目《低氣壓環(huán)境下液壓系統(tǒng)適應(yīng)性研究及應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)：YF2022040）

0 引言

常規(guī)設(shè)計(jì)使用的盾構(gòu)機(jī)或TBM在高海拔、低氣壓區(qū)域使用時(shí)需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)低氣壓工況的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，解決低氣壓工況液壓泵無(wú)法正常吸油的問(wèn)題：液壓柱塞泵要求吸油口壓力不得低于0.08MPa[1-2]。

國(guó)內(nèi)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司提出一種適用于高海拔低氣壓的盾構(gòu)機(jī)或TBM優(yōu)化系統(tǒng)，其中油箱頂部設(shè)置有預(yù)壓式呼吸器和加壓裝置，并配有冷干機(jī)以及干燥空氣進(jìn)口，構(gòu)成掘進(jìn)機(jī)加壓油箱氣體加壓系統(tǒng)[3]。

該加壓方案存在以下問(wèn)題：①壓縮空氣壓力由手動(dòng)減壓閥和預(yù)壓式呼吸器進(jìn)行控制，無(wú)法隨環(huán)境大氣壓力變化而自動(dòng)調(diào)整加壓壓力，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低且安全系數(shù)較低。②油箱容積過(guò)小，未預(yù)留足夠的空氣層；油箱內(nèi)空氣減壓率高（減壓率越高，氣泡越容易產(chǎn)生）、氣泡隨空氣壓力變化不斷被壓入油液或從油液中析出，導(dǎo)致油液內(nèi)氣泡含量過(guò)高，加劇了泵吸油形成“液柱分離”與氣蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響泵的正常工作；③將壓縮空氣直接通入液壓油箱，當(dāng)油箱內(nèi)液面反復(fù)變化時(shí)壓縮空氣的重復(fù)充入易導(dǎo)致新引入液壓油箱的壓縮空氣中的水分因環(huán)境溫度、壓力變化而析出，水分進(jìn)入液壓油箱導(dǎo)致液壓油液乳化。

為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)急需設(shè)計(jì)一種盾構(gòu)機(jī)液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，以確保液壓系統(tǒng)在高海拔低氣壓地區(qū)可正常穩(wěn)定工作。

1 液壓油箱加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備應(yīng)用背景

搭載該系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)工作于高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)。由于高海拔地區(qū)空氣稀薄，如表1所示。

在海拔至6000m范圍內(nèi)，每上升1000m，即平均氣壓每降低7.7～10.5kPa， 海拔度大于3000m時(shí)，大氣壓力將降低至0.08MPa以下，此時(shí)就需要對(duì)液壓油箱進(jìn)行加壓，使得液壓泵運(yùn)行環(huán)境氣壓大于0.08MPa以確保液壓泵可正常運(yùn)行[4]。

1.2 油箱加壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是一種新型節(jié)能型液壓油箱的自動(dòng)控制加壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)由冷干機(jī)1、空氣處理單元2、減壓閥3、氣動(dòng)控制閥4、氣動(dòng)控制器5、壓力表6、壓力變送器7、球閥8、氣罐9、液壓油箱10、帶干燥功能預(yù)壓式空氣濾清器11、吸油過(guò)濾器12、回油擴(kuò)散器13、溢流閥14等組成。

其中冷干機(jī)1所需壓縮空氣來(lái)自盾構(gòu)機(jī)空壓機(jī)，壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷干機(jī)去除空壓機(jī)產(chǎn)生的水分。

空氣處理單元2用來(lái)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行過(guò)濾，調(diào)壓，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)，過(guò)濾精度可達(dá)1800目。

減壓閥3用來(lái)限制氣動(dòng)控制閥4、氣動(dòng)控制器5、壓力變送器7進(jìn)氣壓力。確保所輸入壓縮空氣壓力滿足元件要求；氣動(dòng)控制閥4是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過(guò)氣動(dòng)控制閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，進(jìn)而保證油箱內(nèi)氣壓在設(shè)定范圍內(nèi)。

氣動(dòng)控制器5是整個(gè)系統(tǒng)的PID控制單元，也是本控制系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵元件之一，PID控制器能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)誤差，具有自動(dòng)壓力控制與手動(dòng)壓力控制兩種工作模式，配合氣罐9可實(shí)現(xiàn)僅需極少的壓縮空氣補(bǔ)充即可保證油箱內(nèi)氣壓在設(shè)定范圍內(nèi)。后續(xù)在現(xiàn)有控制上新增電氣PID控制，通過(guò)電氣混合方式來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定壓力，可實(shí)現(xiàn)在主控室遠(yuǎn)程設(shè)定系統(tǒng)壓力。

壓力表6用來(lái)實(shí)時(shí)顯示氣體壓力，確保輸入各元件的壓力為所需壓力。

壓力變送器7將采集到的油箱內(nèi)壓力值轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)控制器所對(duì)應(yīng)的氣壓信號(hào)值，并將該氣壓信號(hào)傳遞給氣動(dòng)控制器。它相當(dāng)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)里的各類傳感器，用于檢測(cè)目標(biāo)元件的參數(shù)，并將該參數(shù)反饋給PID控制器。

球閥8用于控制壓縮空氣通斷，系統(tǒng)調(diào)試或拆卸檢修時(shí)，可用于斷開(kāi)壓縮空氣氣源。

氣罐9是本系統(tǒng)另外一個(gè)關(guān)鍵元件，氣罐容積6m3（可根據(jù)需要進(jìn)行容積選擇），氣罐與油箱直接連通，不經(jīng)過(guò)二次減壓，氣罐9可實(shí)現(xiàn)減少油箱內(nèi)加壓空氣壓力變化率、減少壓縮空氣需求量，沉淀壓縮空氣中水分與雜質(zhì)等重要作用。

液壓油箱10相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)元件，為液壓油箱加壓保壓是整個(gè)系統(tǒng)的最終目的。液壓油箱主要功能是儲(chǔ)存油液，為液壓泵吸油提供油源，因絕大多數(shù)液壓泵對(duì)吸油壓力有具體要求，以柱塞泵為例，要求泵吸油口壓力＞0.08MPa，高原環(huán)境下單靠大氣壓無(wú)法達(dá)到泵所需吸油壓力，需要對(duì)液壓油箱進(jìn)行加壓處理，油箱頂部預(yù)留1.35m3空氣層，配合氣罐實(shí)現(xiàn)油箱內(nèi)氣壓穩(wěn)壓功能，與此同時(shí)加壓對(duì)油箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了新的需求，本發(fā)明液壓油箱結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元受力分析實(shí)現(xiàn)滿足油箱強(qiáng)度要求的情況下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，最大限度的降低了油箱成本。

帶干燥功能預(yù)壓式空氣濾清器11帶反向開(kāi)啟壓力，可實(shí)現(xiàn)正向（從油箱外向油箱內(nèi)進(jìn)氣）0阻力，反向（油箱內(nèi)空氣排出至油箱外需首先打開(kāi)開(kāi)啟壓力為0.05MPa的單向閥）帶預(yù)壓功能，還可用來(lái)對(duì)進(jìn)入油箱的空氣進(jìn)行過(guò)濾干燥，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)。

吸油過(guò)濾器12與回油擴(kuò)散器13一起實(shí)現(xiàn)減少液壓泵吸油油液氣泡含量工作，回油擴(kuò)散器13通過(guò)改變回油油液的流向產(chǎn)生離心力，油液會(huì)把氣泡擠向圓周運(yùn)動(dòng)的中心，氣泡聚合后在通過(guò)金屬網(wǎng)孔的情況下氣泡再次聚集，小氣泡聚合生成較大氣泡后上浮到油箱表面破碎掉，可調(diào)整和選擇金屬網(wǎng)孔的大小實(shí)現(xiàn)最大程度去除回油油液中所含有的氣泡。吸油過(guò)濾器12利用吸油濾芯金屬網(wǎng)孔，讓小氣泡在金屬網(wǎng)上聚集，同時(shí)通過(guò)選取較大規(guī)格的吸油過(guò)濾器以降低吸油流速防止部分附著在金屬網(wǎng)上的大氣泡被液壓油沖掉，隨后進(jìn)入液壓泵。另外配合油箱內(nèi)隔板，延長(zhǎng)油液從回油口進(jìn)入吸油口的路徑，增加氣泡從油液中擴(kuò)散所需的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的去除氣泡的效果。

溢流閥14是安全閥，用來(lái)限制油箱的加壓壓力，溢流閥設(shè)定的壓力值為0.05MPa（相對(duì)壓力）。

壓力傳感器15用于實(shí)時(shí)檢測(cè)油箱內(nèi)氣壓，該壓力傳感器帶數(shù)顯功能，可在油箱周邊直接讀取油箱內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)，還可以將檢測(cè)壓力數(shù)據(jù)以模擬量的形式傳輸至主控室，調(diào)試人員可通過(guò)主控室屏幕遠(yuǎn)程查看油箱內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)；另外還可用來(lái)與氣動(dòng)控制器5一同組成電控PID系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油箱加壓壓力遠(yuǎn)程可調(diào)。

排污口16是一個(gè)位于油箱最低處的凹形容腔，因其位置處于油箱內(nèi)最低處，油液中的水分和雜質(zhì)會(huì)沉淀在油箱底部，因此可實(shí)現(xiàn)收集油箱內(nèi)油液中沉淀析出的水分或其他雜質(zhì)，本油箱分別在吸油區(qū)設(shè)置，還可用來(lái)對(duì)進(jìn)入油箱的空氣進(jìn)行過(guò)濾干燥，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)。

2 液壓油箱加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工作原理

自動(dòng)控制加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算與具體實(shí)施過(guò)程如下：液壓泵吸油壓力與工作環(huán)境大氣壓力進(jìn)行計(jì)算為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入，舉例：液壓泵吸油壓力要求0.08MPa（絕對(duì)壓力），環(huán)境大氣壓力0.06MPa，不考慮液壓泵吸油壓損，油箱需要加壓0.02MPa，氣動(dòng)控制器目標(biāo)值設(shè)定為0.08MPa（相對(duì)壓力）。

如圖2所示，當(dāng)油箱內(nèi)加油至最高液位時(shí)，啟動(dòng)液壓泵之前開(kāi)啟自動(dòng)控制加壓系統(tǒng)對(duì)液壓油箱進(jìn)行加壓，因啟動(dòng)控制器目標(biāo)值設(shè)定為0.08MPa，當(dāng)油箱與氣罐內(nèi)的空氣壓力達(dá)到0.08MPa后，氣動(dòng)控制閥關(guān)閉停止進(jìn)氣，油箱內(nèi)壓力穩(wěn)定在0.08MPa；此時(shí)壓縮空氣進(jìn)氣量只需補(bǔ)償油箱與液壓系統(tǒng)內(nèi)空氣泄漏量，油箱內(nèi)加壓壓力為0.02MPa小于預(yù)壓式空氣濾清器反向開(kāi)啟壓力與溢流閥安全設(shè)定壓力，預(yù)壓式空濾器與溢流閥關(guān)閉，油箱內(nèi)與外界大氣無(wú)氣體交流，整個(gè)液壓系統(tǒng)內(nèi)部空氣泄漏量很小，基本可以忽略不計(jì)。此時(shí)油箱頂部空氣層容積1.35m3。

當(dāng)液壓泵啟動(dòng)、液壓油缸伸出時(shí)油箱內(nèi)液位下降，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變大、氣壓變低，此時(shí)氣動(dòng)控制器控制氣動(dòng)控制閥開(kāi)啟補(bǔ)入壓縮空氣使油箱內(nèi)壓力維持在0.08MPa。當(dāng)油0VwjDGxzRErE3MT9rAki5g==箱內(nèi)液面降至最低時(shí)，此時(shí)所有的液壓油缸都已完全伸出，因推進(jìn)油缸容積差1.85m3，故此時(shí)油箱內(nèi)油體液積相比最高液位時(shí)減少1.85m3；此時(shí)油箱內(nèi)的空氣層容積=1.35+1.85=3.2m3。

當(dāng)油缸縮回時(shí)油箱內(nèi)液位開(kāi)始上升，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變小、氣壓變高，當(dāng)所有油缸都完全縮回時(shí)油箱內(nèi)油液液位再次上升至最高液位，此時(shí)油箱內(nèi)空氣層容積為1.35m3，因?yàn)闅怏w的物態(tài)變化從一點(diǎn)到另一點(diǎn)都遵循P/V圖表，對(duì)于實(shí)際的案例，三個(gè)變量P、V、T需要三個(gè)軸，三維圖像在P、V、T空間移動(dòng)著，然而為了簡(jiǎn)化我們通常認(rèn)為其中一個(gè)參數(shù)不變，這就是常用的P/V圖，本案例中我們認(rèn)為氣體溫度保持不變，氣體的體積和壓力變化遵循P·V=常數(shù)，因此可算出此時(shí)油箱內(nèi)空氣壓力=0.1MPa，此時(shí)油箱內(nèi)加壓壓力為0.04MPa，小于預(yù)壓式空氣濾清器反向開(kāi)啟壓力與溢流閥安全設(shè)定壓力，預(yù)壓式空濾器與溢流閥關(guān)閉，油箱內(nèi)與外界大氣無(wú)氣體交流，油箱內(nèi)壓力維持在0.1MPa。

當(dāng)液壓油缸伸出時(shí)油箱內(nèi)液位下降，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變大、氣壓變低，當(dāng)所有的液壓油缸都已完全伸出時(shí)油箱內(nèi)yYZjXZ5Qroj3EusEb+XSlA==液面降至最低，此時(shí)油箱內(nèi)的空氣層容積為3.2m3，壓力為0.08MPa。

綜上所述，加壓系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中僅在首次調(diào)試時(shí)液壓油缸完全伸出的過(guò)程需要向油箱補(bǔ)充一定量的壓縮空氣，后續(xù)無(wú)論油箱內(nèi)油液液位高度如何變化，油箱內(nèi)壓縮空氣的壓力一直在0.08MPa～0.1MPa間變化，壓縮空氣的補(bǔ)充量理論上僅需滿足加壓系統(tǒng)的泄漏量即可，空氣補(bǔ)充量極小，這有效防止了隨著壓縮空氣的持續(xù)大量充入油箱而導(dǎo)致壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化等問(wèn)題的發(fā)生[5-10]。

另外因油箱內(nèi)空氣層容積與氣罐容積之和達(dá)到7.35m3，當(dāng)油箱內(nèi)液位變化時(shí)油箱內(nèi)空氣氣壓變化率大幅降低，避免壓縮空氣中的氣泡進(jìn)入液壓油液中引起油液中氣泡含量過(guò)高問(wèn)題的發(fā)生。

3 加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)油箱加壓系統(tǒng)是否可正常使用，現(xiàn)采集部分工地試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，對(duì)液壓油缸伸出和縮回時(shí)油箱內(nèi)大氣壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在盾構(gòu)機(jī)拼裝模式下，油缸伸出和縮回交替動(dòng)作，在整個(gè)油箱伸出和縮回的過(guò)程中，油箱內(nèi)大氣壓力均在設(shè)定壓力范圍內(nèi)波動(dòng)，未啟動(dòng)壓縮空氣對(duì)油箱進(jìn)行加壓，這表明所設(shè)計(jì)油箱加壓系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，目前該套油箱加壓系統(tǒng)已在工地穩(wěn)定運(yùn)行1年半以上，未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本控制系統(tǒng)絕大部分情況下壓縮空氣的補(bǔ)充量理論上僅需滿足加壓系統(tǒng)的泄漏量即可，而系統(tǒng)的泄漏量本來(lái)就較小，而采用PID自動(dòng)控制又可通過(guò)氣動(dòng)控制閥精確地控制進(jìn)氣量，故可實(shí)現(xiàn)采用最小進(jìn)氣量來(lái)滿足油箱加壓要求，減少了壓縮空氣氣源的需求量，進(jìn)而減少了能耗，提高了系統(tǒng)的環(huán)保性。系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

另外PID自動(dòng)控制又可與油箱頂部配備壓力傳感器一同組成電控PID回路，方便后續(xù)系統(tǒng)性能提升與優(yōu)化。

減少了壓縮空氣的進(jìn)氣量進(jìn)而又可避免因壓縮空氣的持續(xù)大量充入油箱而導(dǎo)致壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化等問(wèn)題的發(fā)生，另外油箱底部設(shè)置排污口，排污口具有一定的凹槽容積可收集油液中的水分與雜質(zhì)。

氣罐與油箱空氣層直接連接，氣罐與油箱上層空氣層容積之和達(dá)7.35m3，而油箱內(nèi)因油箱液位變化而引起的體積變化僅有1.85m3，極大地降低了油箱內(nèi)油液上升工況下壓縮空氣的減壓率，可有效減少壓縮空氣中氣泡進(jìn)入液壓油引起液壓元件氣蝕等問(wèn)題的發(fā)生。

氣罐放置的位置低于油箱內(nèi)空氣層所在水平高度，可有效沉淀去除來(lái)自冷干機(jī)、空氣處理單元干燥后的壓縮空氣中的水分。

通過(guò)設(shè)置較大的油箱加壓壓力變化范圍，充分利用油箱內(nèi)空氣層和氣罐、蓄能器等儲(chǔ)能空間，進(jìn)一步減少壓縮空氣需求量，達(dá)到節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王苗苗，周俊杰，朱澤勝.軸向柱塞泵低氣壓運(yùn)行特性建模與試驗(yàn)分析[J].液壓與氣動(dòng)，2022（10）：164-168.

[2] 高殿榮，王益群，何殷，等.液壓工程師技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015（6）：210.

[3] 鄭博，馬智勇，詹晨菲，等.適用于高海拔低氣壓的掘進(jìn)機(jī)液壓油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2020（3）：9-12.

[4] 劉曉紅，于蘭英，劉桓龍，等.液壓軸向柱塞泵配流盤氣蝕[J].機(jī)理[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021（3）：9-12.

[5] 王龍剛，張小林.某型機(jī)液壓油箱增壓系統(tǒng)防結(jié)冰設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].液壓氣動(dòng)與密封，2019，39（5）：88-91.

[6] 彭阿靜.液壓系統(tǒng)閉式油箱設(shè)計(jì) [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（4）：74～75.

[7] 屈武斌，馮保忠，楊衛(wèi)超，等.閉式油箱性能試驗(yàn)研究[J].機(jī)床與液壓，2017（13）：88-90.

[8] 房延，郭遠(yuǎn)明.深海液壓油箱的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2005（11）：13-15.

[9] 屈武斌，韓崇偉，馮保忠，等.閉式油箱在某俯仰液壓系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2016（5）：74-77.

[10] 岳大靈，雷向靂，劉增光，等.隔板對(duì)液壓油箱內(nèi)部油液流動(dòng)影響的分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2020（11）：14-1.