芻議高效節能技術在盾構液壓系統中的應用

朱強 司婭婭

中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司 陜西 西安 710000

當前日益受到人們重視的節能和能源問題，在液壓系統中應用節能技術目前成為液壓領域的熱門課題之一。液壓系統中的節能技術主要通過對系統的執行元件或者工作介質等方面進行優化改造來實現，從而提高液壓系統整體的能源利用率，不僅如此，高效的節能技術還可以通過相關輔助設備提高能量回收率，節能效果進一步提高。二次調節技 術、泵控調速技術、能量回收技術、負載敏感技術、壓力匹配技術等為常用的液 壓節能技術。

一、工程概述

以杭州市地鐵 1 號線的兩個盾構區間工程為例，這兩個區間分為為【九堡東站～下沙西站】和【下沙東站～文澤 路站】，兩個工程都包括各自區間內的隧道、風井及泵站等結構。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】區間里程表

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二、泵控調速技術

泵控馬達容積調速系統在功率效率等方面具有明顯的優勢，而且調速過程便捷、發熱量極低，同時節能效果顯著，因此廣泛應用于各工廠的大功率液壓伺服系統中。

（一）、PID 控制技術

PID 控制技術是目前工程項目中比較常見的控制器調節技術，主要是通過微積分等對系統中的誤差進行計算，得到相應的控制規律，然后對操作對象進行控制。該技術操作便捷，應用的原理并不復雜，在操作過程中，可以得到控制對象的實時變化，然后根據其變化特性可以進行相應的調整，以達到控制目的。PID技術對操作對象具有較強的適應特性，可以對系統進行更好的優化，整個控制系統的核心在于PID的參數的設計和調整，在這一過程中，通常采用非線性模塊NCD按照Z-N法進行，這種方法可以保證整個系統的穩定性。

（二）、變頻技術

依據這一技術設計的調速系統，與其他調速系統相比，在兩類控制即液壓傳動控制和電氣控制方面具有相當明顯的優勢，具體可以體現在性能良好、節能高效，價格合理，控制方便等方面。如此一來，加載變頻技術的液壓容積 調速系統，既可以達到對操作對象的直接容積調速雙重節能的效果，還可以在保證對速度控制的要求的同時得到變頻調速的效 果，具體的控制結構圖如圖 1 所示。

圖1 變頻容積調速控制結構圖

為進一步對頻調速技術進行分析，設計交流變頻容積調速回路進行相關實驗，結果表明，變頻調速技術在系統分辨率、調速范圍等方面具有非常大的優勢，同時，變頻調節技術節能效果好、抗污能力較強、調速系統容易控制等。通過對調速性能分析，可以得知，利用模糊控制方法進行調速時，可以保證液壓馬達工作的穩定性。

三、在液壓系統刀盤驅動中的應用

隨著工業技術的不斷提高以及人們對壓驅動技術研究的不斷深入，多馬達驅動的冗余干涉問題成功被解決，液壓回路從節流調速的閥控回路到容積調速的泵控回路 的變化，節能效果得到明顯的提升。閉式容積調速回路對刀盤轉速的控制是兩部分結構來實現的，分別是變量馬達以及變量泵。具體的

液壓原理圖如圖 2 所示。

圖2 兩種刀盤容積調速驅動方式

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

四、二次調節技術

二次調節技術是一種閉環控制靜液傳動方式，其優點在于有利于提高系統效率，同時有利于回收利用系統工作時重力勢能與制動動能，從而更好地匹配系統功率。該技術在馬達排量等方面進行了優化，采用可逆式二次元件，配合輸入伺服閥電壓實現對調節斜盤傾角的控制。系統工作原理圖如圖 3 所示。

圖3 二次調節靜液傳動系統圖

在盾構 FPB 螺旋輸送電液控制系統中應用二次調節可以實現更好的控制結果，具體變現為在高效回收慣性能的同時，還可以優化系統液壓。電液控制原理圖如圖 4 所示。

圖4 螺旋輸送機液壓系統原理圖

五、負載敏感技術

為保證啟動負載所需的壓力、流量等相匹配，研究人員開發出負載敏感技術，這是一種大幅度提高系統效率的節能技術。目前已經出現兩種負載敏感液壓系統，即泵控系統和閥控系統。對比兩者，可以得知前者具有更好地提升系統效率。

負載敏感控制技術大多數情況下，用在液壓系統盾構推進主油路當中，驅動泵一般使用工作壓力保持不變的變量泵，接通負載信號后，相應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節，后者隨即進行調節，最后保輸出流量與相應的所需流量一一適應。負載敏感控制液壓系統工作原理如圖6所示。

圖6 進系統主油路控制原理圖

六、能量回收技術

能量轉化效率在整個能量回收系統中占有至關重要的低位，研究的目的在于釋放盡可能多的殘余動能。

其中主要包括液壓馬達、液壓缸、二通插 裝閥、蓄能器、電動機、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、區間工程的節能效果

【九堡東站～下沙西站區間】位于下沙區，該區間沿線主要分布有九沙大道、規劃運河二通道橋等線路。這其中，九沙大道是這一區間內經濟開發區貫穿東西的主要道路之一，規劃線路超過50米，不僅要穿過居民住宅區，還會穿過農田等地區。兩段區間線路的隧道縱坡設計思路相同，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～文澤路站區間】位于下沙區，隧道從下沙東路站開始，至文澤路站，九沙大道在該區間的設計規劃中橫穿下沙東站，同樣，九沙大道作為這一區間內經濟開發區貫穿東西的主要道路之一，規劃線路超過50米，不僅要穿過居民住宅區，還會穿過農田等地區。與上文區間不同點在于，這兩段區間的隧道縱坡均呈現“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，管片尺寸為內徑5.5m，外徑6.2m，厚度 350mm，寬度 1.2m。通過使用高效節能技術，使液壓系統達到較好的節能效果，是使用管理的價值和目的。

八、盾構液壓節能技術的發展趨勢

隨著數字技術的快速發展，推動液壓系統朝更加便捷的操作、更加高效的節能效果方向不斷發展。盾構液壓節能技術的發展趨勢可以從以下幾個方面看出：

（1）提高液壓系統工作效率，提高節能效果；

（2）改進液壓系統或者設計出新的液壓系統；

（3）提高控制元件的制造精度。

綜上所述，盾構電液控制系統在工作過程中，各單元都會有多多少少的能力耗散，也正是由于這一愿因，如何科學的選擇液壓元件、如何合理的調控各相關參數以及各元件管路如何分配顯得尤為重要。應用新材料、新技術，同時要加強在系統運行過程中的管理， 使得液壓系統的節能目的真正實現。