載荷特征預測的盾構機刀盤節能驅動技術研究

邊野++劉志明++呂賀峰

摘 要：隨著社會的發展，在城市中有很多的地鐵隧道，而且這種隧道的使用被國內外廣泛使用著，盾構機是當前社會挖掘地下空間的主要工具，但相對的這個機械強大的動力所費的能源也是非常龐大的，所以研究節約能源的盾構機驅動系統是現在工程設計師需要解決的問題，本文針對盾構機的操作系統進行分析，結合刀盤液壓系統的特點，為盾構機所存在的問題進行解決。

關鍵詞：盾構機；液壓驅動系統；地下隧道

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

盾構機是一種用于挖掘地下隧道的龐大機械，具有安全可靠，工作環境良好等特點，盾構機還能很好的適應地址結構復雜且水位高的施工環境，而且有些隧道較深只能用盾構機施工。

1 盾構機的結構特點

（1）刀盤驅動系統是盾構機的重要組成部件，也是盾構機進行工作的重要裝置，盾構機的刀盤操作系統由于直徑大，所用機械功率大的原因，導致其轉速很慢，刀盤因為地質結構的原因直徑達，輸出轉矩大，抗撞擊性好而且可以雙向旋轉，在滿足工作正常進行的情況下，還要求刀盤操作系統應具有裝機功率小，可靠性大等特點。

（2）因為需要在各種不同的地質工作，操盤操作系統大體上有三種分別是，液壓，變頻電機，雙速驅動三種，變頻驅動和雙速驅動也統稱為電驅動系統，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速高且曲線平穩，所以電驅動系統適合直徑大的通道。液壓驅動試用于中小型的軟土工程的隧道，以為土質軟要求轉速低，且扭矩大的驅動刀盤。本文主要針對中小型液壓驅動系統進行設計。

2 液壓系統驅動轉盤的基本原理

2.1 以6.28m盾構機刀動驅動液壓器為例其相關的工作參數表（如表1所示）

由表1可知，該液壓系統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，由于電動機的級別是四級，所夙瑤輸出的轉速為2000轉每分鐘，所以運用的TVWS系統可以通過雙向比例控制變量柱塞泵，達到大流量，低降壓的效果，TVWS系列的控制方式是通過斜盤反饋機制控制流量的多少，所以在控制范圍內并沒有流量損失，所以可以減少能源損失使能源利用率達到很高。

2.2 液壓驅動系統的節能原理

刀盤液壓驅動系統主要用的是變量泵—變量馬達閉式容積調速回路，系統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載的量，在能源上沒有溢流和節流損失，并且工作效率高，在刀盤系統工作的時候既要求驅動控制系統能低速大轉矩還能高速小轉矩，所以對馬達的調節能力是種考驗，而液壓驅動控制系統是有變量泵和定量馬達組合調速的，所以在要求高速小轉矩的情況下，泵在低壓大流量場合運行，要求低壓大轉矩的時候，泵在高壓小排量場合運行。

2.3 對刀盤的轉速控制

液壓控制系統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，這可以實現對刀盤旋轉速度的控制，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。刀盤驅動系統的馬達是通過泵的流量調節轉速的，利用馬達的傳感器實現對馬達轉速的實際控制，即使所給的信號與設定值的數據有差別，馬達轉速傳感器也可以根據差別的多少改變泵的流量，使流量與馬達轉速的設定值相同

2.4 對刀盤系統安全的控制

液壓控制系統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，達到卸壓得目的，這種卸載方式能很好節約能量，不會使設備出現溢流損失的現象，使整個系統的能量利用率提高，泵流量出口的壓力級一般為28Mpa這是使系統能正常工作的壓力值，當泵的牌排量大于35Mpa時會啟動自動卸載裝置，使刀盤脫困超載狀況。液壓驅動機的主泵是補油泵和閉式回路控制回路，通過集成使系統結構簡單，減少了管路和降低了泄漏，便于維護和使用。補油泵有3個作用，即為閉式回路補油、強制冷卻和控制主泵變量機構。補油泵首先用來補充液壓泵、液壓馬達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中油液的溫度。系統中的補油壓力為主泵的吸油口壓力，補油泵的排量為76L/min。補油泵通過兩個單向閥分別向系統中回油管路補油。刀盤驅動液壓系統變量控制機構的控制油分別通過單向閥引自泵的2個油口和補油泵，使控制油始終接有壓力和流量，當泵處于正、反向轉換時，泵處于零排量工況，沒有壓力油輸出，此時，控制油來自補油泵，補油泵控制油壓力由順序閥設定。此時，控順序閥由于主油路沒有壓力而關閉，此時利用補油泵的壓力驅動變量機構，保證主泵換向。

3 結語

液壓驅動刀盤系統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的比例，這種控制比例能更好的滿足馬達轉速快速調節的要求，刀盤液壓驅動系統可以很好的適應中小型盾構機對軟土的挖掘，因為軟土的特殊結構，盾構機的刀盤必須滿足低俗大扭轉和高速小扭轉，所以液壓驅動系統可以很好的滿足這一要求。另外液壓驅動系統中的回路也能很好的控制流量的輸出，保證輸出與負載相適應，減少溢流盒節流的能量損失，可以更好的提高能量利用率，使系統的功率效率最高。

參考文獻：

[1]鄭久強.盾構刀盤驅動液壓系統研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2015.

[2]邢彤，楊華勇，龔國芳.盾構機液壓系統多泵優化組合驅動技術[J].浙江大學學報（工學版），2014，43（3）：511-516.

[3]易孟林，曹樹平，劉銀水.電液控制技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.