恒壓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在TBM液壓系統(tǒng)中的運(yùn)用

楊新舉，宋法亮,3，李 增，趙海雷,3

（1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000；2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；3.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

1 引 言

在全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）中，液壓系統(tǒng)是其重要?jiǎng)恿υ粗弧Ｓ捎赥BM功能設(shè)定復(fù)雜，TBM上液壓系統(tǒng)執(zhí)行器不僅數(shù)量眾多，而且需具備同時(shí)工作的能力。為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的運(yùn)動(dòng)方向、速度、轉(zhuǎn)速、力和力矩，TBM普遍使用多泵多回路液壓系統(tǒng)通過流量反饋信號控制泵流量，使流量按需分配到各職能部件，實(shí)現(xiàn)不同工況的最佳匹配[1]。在TBM中，一般通過恒壓網(wǎng)絡(luò)（CPR，Common Pressure Rail，壓力共軌），來實(shí)現(xiàn)流量的按需分配。在液壓系統(tǒng)中，恒壓系統(tǒng)比恒流系統(tǒng)更具有優(yōu)點(diǎn)，恒壓網(wǎng)絡(luò)不僅適合多負(fù)載并行工作, 同時(shí)具有較高的能量利用效率，控制性能好，具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

以應(yīng)用于高黎貢山隧道的中鐵305號為例，其輔助系統(tǒng)就是一種典型的恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如圖1），輔助系統(tǒng)和撐靴高壓系統(tǒng)共用一個(gè)恒壓泵，恒壓泵壓力油其中一路通過減壓閥供輔助系統(tǒng)，設(shè)泵出口壓力為p0，減壓閥設(shè)定壓力ps為減壓閥處壓力損失滿足Δp=p0-ps=q2/(K2A2)，恒壓泵壓力p0，根據(jù)流量變化，減壓閥調(diào)整開口大小，以滿足出口壓力為ps。在系統(tǒng)中，要求p0、ps保持不變。為方便定性分析，忽略減壓閥調(diào)整過程對系統(tǒng)的影響。在減壓閥旁邊設(shè)置有蓄能器，可以減少流量變化和管道壓降對p0和ps的影響。

圖1 中鐵305號的恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（局部）

下面先從恒壓源和液阻控制兩部分，來分析恒壓網(wǎng)絡(luò)的工作原理，而后通過對不同工況下的討論，來研究恒壓網(wǎng)絡(luò)的整體特性。

2 TBM液壓系統(tǒng)中的恒壓源

理論上來說，定量泵加溢流閥，可以作為恒壓源，但為節(jié)能，TBM廣泛采用恒壓變量泵，旁邊輔以長閉溢流閥作為安全閥。

圖2為中鐵305號的撐靴泵，該泵為TBM的撐靴高壓撐緊系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)液壓源，是一種典型的DR.G（遠(yuǎn)程恒壓變量）控制型，差壓閥的X外控口所接遠(yuǎn)程溢流閥，其設(shè)定壓力必須低于泵最大壓力[3]。泵出口對應(yīng)的差壓閥，左邊是泵出口壓力油，右邊是經(jīng)過阻尼口后的壓力油。泵里面的排量控制缸可以控制變量泵的斜盤角度，進(jìn)而控制泵的排量，配用的彈簧僅起復(fù)位作用。其工作原理是，當(dāng)泵出口壓力未達(dá)到遠(yuǎn)程溢流閥的設(shè)定值時(shí)，固定液阻無液壓油通過，差壓閥不動(dòng)，泵的排量維持在最大值。當(dāng)泵的出口壓力達(dá)到遠(yuǎn)程比例溢流閥的設(shè)定值時(shí)，溢流閥卸荷，阻尼口處產(chǎn)生壓差，差壓閥因出現(xiàn)壓差而右移，泵的出口壓力通向泵的排量控制缸，推動(dòng)缸使泵降低排量，泵保持恒壓狀態(tài)，即恒定在遠(yuǎn)程恒壓閥的設(shè)定下。

圖2 恒壓變量泵

3 TBM恒壓網(wǎng)絡(luò)中液阻控制

圖3為兩個(gè)液壓缸并聯(lián)，當(dāng)兩個(gè)液壓缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于液壓油總是流向壓力低的地方。所以，只有在

時(shí)，兩個(gè)液壓缸才能同時(shí)運(yùn)動(dòng)。而在液阻回路中，該TBM的輔助系統(tǒng)中的典型控制回路（圖4），則可以滿足多執(zhí)行器同時(shí)運(yùn)動(dòng)。

設(shè)定系統(tǒng)壓力為減壓閥設(shè)定壓力Ps，負(fù)載壓力為Pn，節(jié)流口壓差為ΔPn，忽略管道壓降的影響。

在圖4中，由于節(jié)流閥起著流量分配和限流的作用，兩執(zhí)行器打開時(shí)執(zhí)行器工作時(shí)，壓力油就不會(huì)過多的流向一個(gè)缸而影響另一個(gè)缸的速度[4]，滿足ΔPn=Ps-Pn，系統(tǒng)壓力與負(fù)載的壓力兩者之間的壓差ΔPn消耗在節(jié)流閥上，各換向閥P口壓力

圖3 兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸

圖4 中鐵305號液壓系統(tǒng)的液阻回路

為產(chǎn)生壓降，使各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)壓力（即換向閥P口壓力）相等，在恒壓系統(tǒng)的簡單液阻控制中，采用進(jìn)口節(jié)流回路。但由于進(jìn)口節(jié)流回路無法承受負(fù)負(fù)載，對于存在負(fù)負(fù)載工況的執(zhí)行器，例如扭矩油缸等，一般會(huì)采用出口節(jié)流回路，但此時(shí)扭矩油缸工作時(shí)就會(huì)對與它并聯(lián)工作的執(zhí)行器造成影響。

圖4網(wǎng)絡(luò)中的平衡閥起負(fù)載保持的作用。對于安全性要求較高的執(zhí)行器，例如后支撐油缸、鋼拱架舉升油缸等，平衡閥一般設(shè)計(jì)在油缸上，防止平衡閥與執(zhí)行器之間的油管爆裂導(dǎo)致執(zhí)行器泄載。網(wǎng)絡(luò)中換向閥選用Y型，使得在中位時(shí)，平衡閥與換向閥之間的管路泄壓，防止換向閥在中位時(shí)，平衡閥誤打開。

4 TBM恒壓網(wǎng)絡(luò)整體特性

由于需求流量可能在很大范圍內(nèi)變化，所以網(wǎng)絡(luò)壓力很難做到完全恒定。僅從穩(wěn)態(tài)考慮，恒壓網(wǎng)絡(luò)的工況可分為3個(gè)區(qū)域（圖5）。

圖5 恒壓網(wǎng)絡(luò)工況

4.1 區(qū)域I——恒壓區(qū)

此時(shí)，0＜系統(tǒng)需求流量q＜液壓源能夠提供的最大流量qPmax。在此區(qū)域，液壓源可以工作在恒壓工況。但是，在TBM液壓系統(tǒng)輔助系統(tǒng)中，執(zhí)行數(shù)量多，不同的工況下，系統(tǒng)流量的需求變化很大，同時(shí)，由于TBM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，部分執(zhí)行器相對于液壓泵站有一定的距離，管道壓降的變化也不容忽視。鑒于以上原因，一般輔助系統(tǒng)進(jìn)油減壓閥旁設(shè)置蓄能器保證網(wǎng)絡(luò)壓力的穩(wěn)定。

4.2 區(qū)域II——壓力降低區(qū)

此時(shí)系統(tǒng)需求的流量qX＞液壓源能夠提供最大的流量qpmax。在此區(qū)域，液壓源已無法恒壓工況滿足。網(wǎng)絡(luò)壓力PH下降。在TBM中，一般通過蓄能器來使A點(diǎn)右移。

蓄能器通過釋放液壓油，提供給網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)蓄能器內(nèi)部壓力下降，下降幅度取決于蓄能器容量和從蓄能器流出來的液壓油體積。

容積為V0、預(yù)充氣壓力為p0的蓄能器接入設(shè)定壓力為ps的恒壓網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)此時(shí)蓄能器內(nèi)壓力油體積為VH，則蓄能器內(nèi)氣體體積為V0-VH，滿足

設(shè)從蓄能器中流出以補(bǔ)充流量不足的液壓油體積為ΔV，補(bǔ)充液壓油壓力為網(wǎng)絡(luò)pH，則

可以得出

從式(4)中可以得出V0越大，壓力變化越小，所以，增大蓄能器的容量V0，就可以減少壓力下降的速度。

圖6 蓄能器壓力輸出隨輸出液壓油的體積而變化

從蓄能器中流出的液壓油體積最多為VH，pH下降到充氣壓力p0后，蓄能器已無壓力，網(wǎng)絡(luò)壓力pH會(huì)陡降至零（圖6）。同時(shí)，從式(5)可以得出減少p0也可以增加VH，使工況點(diǎn)右移。不過需要注意的是，不能超過蓄能器許可的壓縮比。

4.3 區(qū)域III——壓力增加區(qū)

此時(shí)系統(tǒng)需求的流量qx＜0在此區(qū)域。液壓源已不再輸出流量，從一些執(zhí)行器回收的流量超過了其他執(zhí)行器需要的流量，使蓄能器內(nèi)壓力升高。直到工況C，安全壓力溢流閥開啟，此時(shí)，只能放棄回收流量。

當(dāng)所有執(zhí)行器都不工作，換向閥處于中位時(shí)，液壓源僅排出極少流量，以彌補(bǔ)泄漏。

5 恒壓網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 TBM恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1）由于恒壓網(wǎng)絡(luò)各執(zhí)行器之間干擾很小，在液壓源能力允許的情況下，恒壓差網(wǎng)絡(luò)理論上可以任意增減執(zhí)行器數(shù)量。

2）在TBM中執(zhí)行器數(shù)量多，但執(zhí)行器不同時(shí)工作。采用恒壓網(wǎng)絡(luò)，只需設(shè)置一個(gè)泵，就可以滿足工作要求，成本大大減少。

3）恒壓網(wǎng)絡(luò)采用的是閉中心回路，系統(tǒng)執(zhí)行器不工作時(shí)，恒壓泵接近處于零排量狀態(tài)，能效利用高。

4）系統(tǒng)供油管道基本上保持恒定的壓力，液壓油彈性對系統(tǒng)影響小，相對于負(fù)載敏感回路，系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)[5]。

5.2 TBM恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

1）系統(tǒng)存在節(jié)流功率損失，能效利用低，特別是在負(fù)載與系統(tǒng)壓力相差較大時(shí)，節(jié)流閥處功率損失很大。

2）執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)速度受負(fù)載影響，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。在負(fù)載變化時(shí)，節(jié)流閥處的壓差改變，回路中的發(fā)生流量變化，執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)時(shí)速度呈現(xiàn)波動(dòng)。

6 結(jié)論與建議

恒壓網(wǎng)絡(luò)在TBM液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，滿足多執(zhí)行器并聯(lián)工作時(shí)互不干擾的要求，同時(shí)大大降低TBM液壓系統(tǒng)的成本投入和現(xiàn)場維護(hù)難度。目前在TBM恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡單的液阻控制，仍有較大的能量損失。在當(dāng)下，追求高能效的呼聲越來越高的形勢下，如何將液壓變壓器等新技術(shù)引入TBM液壓系統(tǒng)，進(jìn)一步提高TBM液壓系統(tǒng)的能效，這就對設(shè)計(jì)者提出了新的要求。