盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺

 

盾構(gòu)機是集多學科技術(shù)于一體的專用于地下隧道開挖的大型工程裝備。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等特點,與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢[1、2]。

 

推進系統(tǒng)承擔著整個盾構(gòu)機的頂進任務(wù),要求完成盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運動,使得盾構(gòu)機能沿著事先設(shè)定好的路線前進,是盾構(gòu)機的關(guān)鍵系統(tǒng)�？紤]到盾構(gòu)機具有功率大、變負載和動力遠距離傳遞及控制等特點,其推進系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)動力的傳遞、分配及控制[3]。

 

由于盾構(gòu)推進系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣,并且工作空間有限,要求控制系統(tǒng)閥塊均采用集成技術(shù),并要具有高的可靠性。本文主要對推進系統(tǒng)閥塊試驗臺的工作原理和設(shè)計計算進行介紹,為推進系統(tǒng)閥塊的性能檢測提供一個測試平臺。

 

1推進液壓系統(tǒng)閥塊試驗臺原理設(shè)計

 

為了對設(shè)計的推進系統(tǒng)閥塊進行性能測試,根據(jù)閥塊的測試要求設(shè)計了1個試驗臺。該試驗臺可以實現(xiàn)以下幾個方面的測試:1)閥塊密封性能測試;2)比例壓力閥調(diào)壓性能測試;3)比例流量閥調(diào)速性能測試;4)液控單向閥保壓性能測試;5)插裝閥控制測試。圖1為所設(shè)計的推進系統(tǒng)閥塊試驗臺原理圖。圖中序號12～22所示為被測試的推進系統(tǒng)集成閥塊原理圖。推進液壓系統(tǒng)采用帶電比例溢流閥的恒壓變量泵作為動力源,向4個分區(qū)同時供油,由于采用了分區(qū)控制,4個分區(qū)只是在盾構(gòu)截面的分布位置不同,其控制方式和工作原理則完全相同[4]。如圖所示,比例溢流閥14調(diào)節(jié)液壓缸推進壓力,與壓力傳感器檢測的壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制,實時控制推進壓力;比例調(diào)速閥22調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的流量,與安裝在液壓缸內(nèi)的內(nèi)置式位移傳感器檢測到的位移構(gòu)成速度閉環(huán)反饋控制,實時控制推進速度。插裝閥12和二位三通電磁換向閥13可短路比例調(diào)速閥22,實現(xiàn)推進液壓缸的快速運動,從而減少液壓油進入液壓缸的沿程壓力損失。插裝閥21和二位三通電磁換向閥15則用來實現(xiàn)推進液壓缸快速回退,減小液壓油回程阻力。三位四通電磁換向閥20用來完成工作狀態(tài)的切換,可實現(xiàn)推進液壓缸的前進、后退和停止狀態(tài)。溢流閥18用來實現(xiàn)系統(tǒng)過載保護,推進瞬間液壓缸進油口會出現(xiàn)瞬時過載,此時溢流閥18立即開啟形成短路,進、回油路自循環(huán),使過載油路得到緩沖。二位二通電磁換向閥17用來實現(xiàn)故障停機時液壓缸卸載檢修,可減小卸載中的壓力沖擊。二位二通電磁換向閥17前的阻尼孔可防止二位二通電磁換向閥17卸載時產(chǎn)生的壓力沖擊。插裝閥12、21前的阻尼孔用來調(diào)節(jié)插裝閥的開啟速度,改變插裝閥的靜動態(tài)特性和減小液壓沖擊。阻尼孔直徑根據(jù)經(jīng)驗值一般取0.8～2.5mm。

 

根據(jù)推進系統(tǒng)集成閥塊的工作原理,試驗臺系統(tǒng)測試原理及測試方法如下:

 

⑴首先,給測試閥塊加壓,檢驗閥塊密封性能,同時檢驗閥塊回路是否暢通。

 

⑵二位四通閥7調(diào)置為左位,三位四通閥20置于左位,比例調(diào)速閥22置于最大開口,節(jié)流閥11置于某一開口,啟動液壓泵,調(diào)節(jié)比例溢流閥14,通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊比例溢流閥調(diào)節(jié)功能是否正常。

 

⑶二位四通換向閥7調(diào)置為左位,三位四通換向閥20置于左位,比例溢流閥置于最大值,加載節(jié)流閥11置于最大開口,啟動液壓泵,調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥22,通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)功能是否正常。

 

⑷二位四通換向閥7調(diào)置為右位,啟動液壓泵,關(guān)閉比例調(diào)速閥22,關(guān)閉加載節(jié)流閥11,給閥塊加壓到一某值,關(guān)閉液壓泵,可以檢測液控單向閥16和插裝閥21的保壓性能。打開加載節(jié)流閥11,可以同時檢測三位四通換向閥20的密閉性。調(diào)節(jié)溢流閥18,可以檢測溢流閥18的過載卸荷能力。給二位二通換向閥17上電,檢測是否有壓力沖擊聲音,從而選擇合適的阻尼孔,減小壓力沖擊。

 

⑸二位四通換向閥7調(diào)置為左位,三位四通換向閥20置于右位,比例溢流閥14置于最大壓力,比例調(diào)速閥22和加載節(jié)流閥11置于某一開口,啟動液壓泵,給二位三通換向閥13和15通斷電,通過壓力表讀數(shù)可以檢驗閥塊插裝閥通斷功能是否正常。

 

2測試系統(tǒng)主要參數(shù)計算

 

根據(jù)推進系統(tǒng)要求,測試系統(tǒng)壓力應(yīng)大于或等于推進系統(tǒng)設(shè)計壓力。推進系統(tǒng)最大工作壓力為21.5MPa,那么測試系統(tǒng)壓力可取22MPa。

 

2.1系統(tǒng)流量的確定

 

推進系統(tǒng)執(zhí)行元件液壓缸的尺寸為Φ200/Φ160×1900mm,系統(tǒng)要求每區(qū)液壓缸回退時的最大速度v為1.4m/min,其中下位區(qū)有10個液壓缸,回退時所需流量為上位區(qū)有6個液壓缸,其回退所需流量為95L/min,左、右區(qū)各有8個液壓缸,其回退所需流量為126.6L/min。

 

本測試系統(tǒng)主要對推進系統(tǒng)集成閥塊壓力控制性能進行相關(guān)測試,流量控制性能可以模擬上位區(qū)即6個推進液壓缸流量控制性能研究,因此系統(tǒng)流量確定為95L/min。

 

2.2主驅(qū)動泵的參數(shù)計算及選型

 

根據(jù)計算出的流量和系統(tǒng)壓力選取主驅(qū)動液壓泵。選擇時,泵的額定流量應(yīng)與計算所需流量相當,不要超過太多。但泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高出25%或更高些。根據(jù)泵流量公式得出泵的排量為式中:Vg——液壓泵理論排量(mL/r)

 

q1——系統(tǒng)需要流量(L/min),q1=95L/min

 

n——電機轉(zhuǎn)速(r/min),n=1500r/min

 

ηv——液壓泵容積效率,ηv=0.9

 

根據(jù)計算,液壓泵選取德國Rexroth產(chǎn)品,型號為A10VO71DR。該泵為變量泵,應(yīng)用于開式系統(tǒng)。其額定壓力為28MPa,峰值壓力為35MPa,理論排量為71mL/r,可滿足系統(tǒng)工作要求。

 

2.3電機功率計算及選型

 

根據(jù)公式得電機功率為式中:N——所需電機功率(kW)

 

qp——泵的額定流量(L/min)

 

Vg——泵的排量(mL/r),Vg=71mL/r

 

n——電機轉(zhuǎn)速(r/min),n=1500r/min

 

ηm——泵的機械效率,ηm=0.9

 

ηv——泵的容積效率,ηv=0.9

 

△p——系統(tǒng)壓力差(MPa),△p=22MPa

 

根據(jù)計算,選取ABB公司的Y2-250M-4-B35型電機,其功率為55kW,滿足系統(tǒng)要求。2.4油箱設(shè)計

 

油箱采用開式油箱,箱內(nèi)液面與大氣相通,在油箱頂部設(shè)置空氣濾清器,并兼作注油口用。油箱有效容積一般為泵每分鐘流量的3～7倍,泵的每分鐘的流量為油箱有效容積應(yīng)為95.8×7=670.6L,按有效容積為80%計算油箱的總?cè)莘e為840L�？沙醪蕉ㄓ拖淙�邊的尺寸為1000mm×1000mm×850mm。

 

2.5輔助元件計算選型

 

過濾器是液壓系統(tǒng)中的重要元件。它可以消除液壓油中的污染物,保持油液清潔度,確保系統(tǒng)元件工作的可靠性。根據(jù)其要求,系統(tǒng)壓力管路過濾器選用溫州黎明公司的ZU-H250×10DFP。

 

根據(jù)油箱的有效容積為670.6L和系統(tǒng)最大流量95L/min,選用黎明公司的濾清器EF7-100。其加油流量為110L/min,空氣流量為1055L/min。按照吸油管路流速v為0.5～1.5m/s,確定吸油管路內(nèi)徑:取標準軟管通徑內(nèi)徑Ф50mm,可滿足要求。

 

按照液壓油管路流速v為4～7m/s,確定液壓油管路內(nèi)徑:取標準軟管通徑Ф19mm,可滿足要求。

 

3泵站及試驗臺三維設(shè)計及實物圖

 

為了提高系統(tǒng)設(shè)計的準確性,以及試驗臺系統(tǒng)各部件整體組裝的結(jié)構(gòu)緊湊性和密封性,采用了三維參數(shù)化設(shè)計軟件Pro/E建立的三維實體,能夠完全再現(xiàn)各個實物零件的真實特征,從而方便、直觀地進行實體虛擬裝配和運動分析。通過觀察裝配體的各個部位,檢查設(shè)計的正確性、合理性和準確性,使各種問題在設(shè)計階段就被發(fā)現(xiàn)解決,提高了設(shè)計效率[5]。圖2為采用Pro/E設(shè)計的系統(tǒng)泵站及試驗臺三維布置圖。圖3為所要測試的推進系統(tǒng)集成閥塊圖,圖4為推進系統(tǒng)集成閥塊試驗臺。4調(diào)試結(jié)果及現(xiàn)場推進

 

通過在試驗臺上調(diào)試發(fā)現(xiàn),集成閥塊和各個元件之間的密封性能好,回路也暢通,可長時間在系統(tǒng)工作壓力22MPa下工作,并可承受最大峰值壓力35MPa,滿足系統(tǒng)密封性能要求。調(diào)節(jié)比例閥的放大板電流,比例調(diào)速閥和比例溢流閥可在標定范圍內(nèi)0～100%無級調(diào)速,也能滿足系統(tǒng)工作要求。同時插裝閥的通斷功能、溢流閥的過載卸荷能力以及換向閥的壓力沖擊均符合設(shè)計要求。

 

把所設(shè)計的推進系統(tǒng)集成閥塊安裝在盾構(gòu)機上,在現(xiàn)場施工中進行實際推進。圖5為盾構(gòu)機4個分區(qū)的推進壓力曲線圖,從圖中可以看出,4個分區(qū)的推進壓力趨勢都比較平穩(wěn),其中A組和C組壓力相接近,B組壓力最小,D組壓力最大,這主要是因為盾構(gòu)機4個分組的布置以及上下土層土壓力和水壓力的不同導致的。

 

圖6為推進系統(tǒng)4個分區(qū)的推進位移曲線,從圖中可以看出,4個分區(qū)的位移曲線跟隨性比較好,這也保證了盾構(gòu)機的同步推進,避免超挖和欠挖。5結(jié)束語

 

測試結(jié)果表明所設(shè)計的試驗臺系統(tǒng)能用于檢測推進液壓系統(tǒng)集成閥塊的各種功能。現(xiàn)場施工證明所設(shè)計的推進系統(tǒng)閥塊是可靠的,能成功應(yīng)用于推進液壓系統(tǒng)中,滿足實際盾構(gòu)施工的要求。

 

參考文獻

 

[1]楊華勇,龔國芳.盾構(gòu)掘進機及其液壓技術(shù)的應(yīng)用[J].液壓氣動與密封,2004(1):27-29.

 

[2]錢七虎,李朝甫,傅德明.全斷面掘進機在中國地下工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J].建筑機械,2002(5):28-35.

 

[3]HuGuoliang,GongGuofang,YangHuayong,etal.Elec-tro-hydraulicControlSystemofShieldTunnelBoringMachineforSimulatorStand[C],TheSixthInternationalConferenceonFluidPowerTransmissionandControl,Hangzhou:InternationalAcademicPublishers,2005:

 

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[4]莊欠偉,龔國芳,楊華勇,等.盾構(gòu)液壓推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].工程機械,2005(3):47-50.

 

[5]孫江宏,黃小龍,羅坤.Pro/ENGINEER虛擬設(shè)計與裝配[M].北京:中國鐵道出版社,2004.