芻議高效節(jié)能技術(shù)在盾構(gòu)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱強(qiáng) 司婭婭

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司 陜西 西安 710000

當(dāng)前日益受到人們重視的節(jié)能和能源問題，在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)目前成為液壓領(lǐng)域的熱門課題之一。液壓系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)主要通過對系統(tǒng)的執(zhí)行元件或者工作介質(zhì)等方面進(jìn)行優(yōu)化改造來實(shí)現(xiàn)，從而提高液壓系統(tǒng)整體的能源利用率，不僅如此，高效的節(jié)能技術(shù)還可以通過相關(guān)輔助設(shè)備提高能量回收率，節(jié)能效果進(jìn)一步提高。二次調(diào)節(jié)技 術(shù)、泵控調(diào)速技術(shù)、能量回收技術(shù)、負(fù)載敏感技術(shù)、壓力匹配技術(shù)等為常用的液 壓節(jié)能技術(shù)。

一、工程概述

以杭州市地鐵 1 號(hào)線的兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間工程為例，這兩個(gè)區(qū)間分為為【九堡東站～下沙西站】和【下沙東站～文澤 路站】，兩個(gè)工程都包括各自區(qū)間內(nèi)的隧道、風(fēng)井及泵站等結(jié)構(gòu)。兩工程里程如表1所示。表1【九堡東站～下沙西站】、【下沙東站～文澤路站】區(qū)間里程表

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二、泵控調(diào)速技術(shù)

泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)在功率效率等方面具有明顯的優(yōu)勢，而且調(diào)速過程便捷、發(fā)熱量極低，同時(shí)節(jié)能效果顯著，因此廣泛應(yīng)用于各工廠的大功率液壓伺服系統(tǒng)中。

（一）、PID 控制技術(shù)

PID 控制技術(shù)是目前工程項(xiàng)目中比較常見的控制器調(diào)節(jié)技術(shù)，主要是通過微積分等對系統(tǒng)中的誤差進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的控制規(guī)律，然后對操作對象進(jìn)行控制。該技術(shù)操作便捷，應(yīng)用的原理并不復(fù)雜，在操作過程中，可以得到控制對象的實(shí)時(shí)變化，然后根據(jù)其變化特性可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以達(dá)到控制目的。PID技術(shù)對操作對象具有較強(qiáng)的適應(yīng)特性，可以對系統(tǒng)進(jìn)行更好的優(yōu)化，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心在于PID的參數(shù)的設(shè)計(jì)和調(diào)整，在這一過程中，通常采用非線性模塊NCD按照Z-N法進(jìn)行，這種方法可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（二）、變頻技術(shù)

依據(jù)這一技術(shù)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)，與其他調(diào)速系統(tǒng)相比，在兩類控制即液壓傳動(dòng)控制和電氣控制方面具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，具體可以體現(xiàn)在性能良好、節(jié)能高效，價(jià)格合理，控制方便等方面。如此一來，加載變頻技術(shù)的液壓容積 調(diào)速系統(tǒng)，既可以達(dá)到對操作對象的直接容積調(diào)速雙重節(jié)能的效果，還可以在保證對速度控制的要求的同時(shí)得到變頻調(diào)速的效 果，具體的控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 變頻容積調(diào)速控制結(jié)構(gòu)圖

為進(jìn)一步對頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)交流變頻容積調(diào)速回路進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，變頻調(diào)速技術(shù)在系統(tǒng)分辨率、調(diào)速范圍等方面具有非常大的優(yōu)勢，同時(shí)，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)節(jié)能效果好、抗污能力較強(qiáng)、調(diào)速系統(tǒng)容易控制等。通過對調(diào)速性能分析，可以得知，利用模糊控制方法進(jìn)行調(diào)速時(shí)，可以保證液壓馬達(dá)工作的穩(wěn)定性。

三、在液壓系統(tǒng)刀盤驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷提高以及人們對壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的不斷深入，多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的冗余干涉問題成功被解決，液壓回路從節(jié)流調(diào)速的閥控回路到容積調(diào)速的泵控回路 的變化，節(jié)能效果得到明顯的提升。閉式容積調(diào)速回路對刀盤轉(zhuǎn)速的控制是兩部分結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，分別是變量馬達(dá)以及變量泵。具體的

液壓原理圖如圖 2 所示。

圖2 兩種刀盤容積調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式

對刀盤的控制不單單是對其轉(zhuǎn)速有要求，還需要對扭矩和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制，為滿足上述要求，可以利用泵控馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。該方法具有較為寬泛的調(diào)速范圍，一般來說，通過軟件編程，保證扭矩不變的情況下，轉(zhuǎn)速控制在0～1.5r/min范圍內(nèi)；保證功率不變的情況下，轉(zhuǎn)速控制在1.5～3r/min的范圍內(nèi)。采用此種 方法，且使系統(tǒng)的成本降低。

四、二次調(diào)節(jié)技術(shù)

二次調(diào)節(jié)技術(shù)是一種閉環(huán)控制靜液傳動(dòng)方式，其優(yōu)點(diǎn)在于有利于提高系統(tǒng)效率，同時(shí)有利于回收利用系統(tǒng)工作時(shí)重力勢能與制動(dòng)動(dòng)能，從而更好地匹配系統(tǒng)功率。該技術(shù)在馬達(dá)排量等方面進(jìn)行了優(yōu)化，采用可逆式二次元件，配合輸入伺服閥電壓實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)斜盤傾角的控制。系統(tǒng)工作原理圖如圖 3 所示。

圖3 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)圖

在盾構(gòu) FPB 螺旋輸送電液控制系統(tǒng)中應(yīng)用二次調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)更好的控制結(jié)果，具體變現(xiàn)為在高效回收慣性能的同時(shí)，還可以優(yōu)化系統(tǒng)液壓。電液控制原理圖如圖 4 所示。

圖4 螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

五、負(fù)載敏感技術(shù)

為保證啟動(dòng)負(fù)載所需的壓力、流量等相匹配，研究人員開發(fā)出負(fù)載敏感技術(shù)，這是一種大幅度提高系統(tǒng)效率的節(jié)能技術(shù)。目前已經(jīng)出現(xiàn)兩種負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，即泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)。對比兩者，可以得知前者具有更好地提升系統(tǒng)效率。

負(fù)載敏感控制技術(shù)大多數(shù)情況下，用在液壓系統(tǒng)盾構(gòu)推進(jìn)主油路當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)泵一般使用工作壓力保持不變的變量泵，接通負(fù)載信號(hào)后，相應(yīng)的傳感器檢測出壓力變化，并將這種變化傳遞給泵的流量控制環(huán)節(jié)，后者隨即進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后保輸出流量與相應(yīng)的所需流量一一適應(yīng)。負(fù)載敏感控制液壓系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 進(jìn)系統(tǒng)主油路控制原理圖

六、能量回收技術(shù)

能量轉(zhuǎn)化效率在整個(gè)能量回收系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的低位，研究的目的在于釋放盡可能多的殘余動(dòng)能。

其中主要包括液壓馬達(dá)、液壓缸、二通插 裝閥、蓄能器、電動(dòng)機(jī)、比例方向閥等為所涉及到的液壓元器件。圖 7 為兩種常 見的能量回收油路。

圖7 兩種常見的能量回收油路

七、區(qū)間工程的節(jié)能效果

【九堡東站～下沙西站區(qū)間】位于下沙區(qū)，該區(qū)間沿線主要分布有九沙大道、規(guī)劃運(yùn)河二通道橋等線路。這其中，九沙大道是這一區(qū)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)貫穿東西的主要道路之一，規(guī)劃線路超過50米，不僅要穿過居民住宅區(qū)，還會(huì)穿過農(nóng)田等地區(qū)。兩段區(qū)間線路的隧道縱坡設(shè)計(jì)思路相同，即都為“V”型坡，最大坡度為2.5%，隧道底部埋深最小為10米左右，最大不超過21米，平面曲率半徑在800米到2000米之間。沿線穿越的巖土層大多為③稍密～中密狀的砂土，隧道圍巖屬于Ⅰ類。

【下沙東站～文澤路站區(qū)間】位于下沙區(qū)，隧道從下沙東路站開始，至文澤路站，九沙大道在該區(qū)間的設(shè)計(jì)規(guī)劃中橫穿下沙東站，同樣，九沙大道作為這一區(qū)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)貫穿東西的主要道路之一，規(guī)劃線路超過50米，不僅要穿過居民住宅區(qū)，還會(huì)穿過農(nóng)田等地區(qū)。與上文區(qū)間不同點(diǎn)在于，這兩段區(qū)間的隧道縱坡均呈現(xiàn)“U”型，最大坡度相差無幾，為2.4%，隧道底部埋深最小為8.9米左右，最大不超過16米，平面曲率半徑在2000米到2500米之間。隧道穿越巖土層主要為③稍密～中密狀的粉土等，隧道圍巖屬于Ⅰ類。

全線隧道施工采用鋼筋混凝土，管片尺寸為內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m，厚度 350mm，寬度 1.2m。通過使用高效節(jié)能技術(shù)，使液壓系統(tǒng)達(dá)到較好的節(jié)能效果，是使用管理的價(jià)值和目的。

八、盾構(gòu)液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)液壓系統(tǒng)朝更加便捷的操作、更加高效的節(jié)能效果方向不斷發(fā)展。盾構(gòu)液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢可以從以下幾個(gè)方面看出：

（1）提高液壓系統(tǒng)工作效率，提高節(jié)能效果；

（2）改進(jìn)液壓系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)出新的液壓系統(tǒng)；

（3）提高控制元件的制造精度。

綜上所述，盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)在工作過程中，各單元都會(huì)有多多少少的能力耗散，也正是由于這一愿因，如何科學(xué)的選擇液壓元件、如何合理的調(diào)控各相關(guān)參數(shù)以及各元件管路如何分配顯得尤為重要。應(yīng)用新材料、新技術(shù)，同時(shí)要加強(qiáng)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的管理， 使得液壓系統(tǒng)的節(jié)能目的真正實(shí)現(xiàn)。