盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)恒功率控制分析

陳宏明/CHEN Hong-ming

(重慶市鐵路（集團）有限公司，重慶 410700)

刀盤液壓驅動系統(tǒng)是盾構切削土體，完成掘進和攪拌的動力來源，是盾構的重要組成部分。在盾構掘進過程中，由于地層條件、埋深和掘進參數(shù)等的變化，刀盤承受的負載力與負載力矩不斷發(fā)生變化，這對刀盤液壓驅動系統(tǒng)提出了很高的要求。為了保證刀盤液壓驅動系統(tǒng)能夠滿足掘進要求、不損壞元器件并且盡可能地減小能量損失，現(xiàn)在國內使用的盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)都采用恒功率控制。以往盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)的恒功率控制基本都是采用恒功率閥，近幾年隨著電機變頻技術的發(fā)展，刀盤變頻驅動已經(jīng)越來越多的應用于大中型盾構。本文對兩種恒功率控制原理進行介紹，為盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)選型提供理論指導。

1 盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)恒功率控制原理

1.1 刀盤液壓驅動恒功率閥控制原理

為了滿足功率大、功率調節(jié)范圍廣和無級調速等要求，盾構刀盤在使用液壓驅動恒功率閥控制恒功率時使用變量泵控變量馬達的方式。其實變量泵已經(jīng)可以使得泵的輸出功率與系統(tǒng)功率相匹配，但是由于電機輸出功率恒定，當遇見惡劣工況時就極有可能會超過電機最大功率導致電機損壞，因此必須對系統(tǒng)進行功率限定以保護原件不受損壞。圖1 為某型盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)原理簡圖。圖中變量泵的型號為力士樂的A4VSG750HD1，泵的排量取決于先導壓力的無級調節(jié)，電磁換向閥的進出口壓力控制變量泵排量控制缸的活塞位置，使泵的排量與所加載的先導壓力成正比。系統(tǒng)壓力PHD經(jīng)單向閥引入恒功率閥；變量泵的先導壓力Pst，即電磁換向閥的P口壓力也引入恒功率閥。

圖1 某盾構刀盤液壓驅動原理簡圖

恒功率閥的結構原理圖如圖2 所示，在初始狀態(tài)時，如果系統(tǒng)壓力PHD低于恒功率閥的限定值，則此時恒功率閥不起溢流作用，閥口關閉。當系統(tǒng)壓力超過恒功率閥的設定值時，則在系統(tǒng)壓力PHD作用下調壓彈簧被壓縮，閥口打開。此時先導壓力Pst口的油液經(jīng)閥口溢流回油箱，使得變量泵的先導控制壓力Pst減小，變量控制活塞缸伸出，變量泵的排量減小。這樣就實現(xiàn)了在不改變電機轉速的情況下使得系統(tǒng)在設定的功率下工作，達到恒功率控制目的。

圖2 恒功率閥結構示意圖

1.2 刀盤電機變頻恒功率控制原理

刀盤電機變頻恒功率控制系統(tǒng)原理圖與刀盤液壓驅動恒功率閥控制原理圖相差不大，只是去掉了恒功率閥控制部分，將變量泵變?yōu)槎勘茫瑫r將電機換為變頻電機。變頻電機通過PLC 控制器與變頻器通訊進行控制，采用自由的V/F 控制，PLC 把頻率傳送給變頻器，同時接受變頻器的各種參數(shù)，監(jiān)控變頻器，使得刀盤速度可調，同時通過電機轉速得到系統(tǒng)流量。利用PLC 設定最高功率，通過壓力傳感器將系統(tǒng)工作壓力PHD傳送至PLC，以此得到系統(tǒng)功率。對系統(tǒng)功率和設定功率進行比較，實時調節(jié)電機頻率以改變系統(tǒng)流量保證系統(tǒng)功率恒定。

2 盾構刀盤液壓驅動系統(tǒng)恒功率控制模型

2.1 刀盤液壓驅動恒功率閥控制模型

泵輸出功率

其中，pHD為泵出口壓力（此處假定系統(tǒng)回油壓力為零）；q為泵的輸出流量。

圖1 中泵的控制特性曲線如圖3 所示。由圖可知泵的排量與泵的先導壓力呈線性關系，但在零位的時候會有一定的流量死區(qū)，泵的這一特性可以防止刀盤在正反轉換向時的液壓沖擊。式（2）為泵的排量與先導壓力的關系表達式，式中正負號分別表示刀盤順時針與逆時針旋轉。

圖3 柱塞泵控制特性曲線

其中，Vgmax為泵最大排量；pST為泵的先導壓力。

由圖3 可知，恒功率閥的溢流量為

其中，Cd為閥口流量系數(shù)；A1為閥口過流面積；x為閥芯開口。

調節(jié)彈簧的力平衡方程為

其中，k1為調節(jié)彈簧剛度；x0為彈簧壓縮量。

考慮到恒功率閥需要開啟壓力PK，可得

由此得到

由式（1）、式（2）、式（7）可得刀盤順時針旋轉時的功率為

2.2 刀盤電機變頻恒功率控制模型

系統(tǒng)流量為

其中，v為電機轉速；q泵為定量泵排量。

假定系統(tǒng)回油流量為零，則馬達輸出功率為

當系統(tǒng)功率P恒定時，由式（11）可知，若系統(tǒng)工作壓力PHD升高，則PLC 控制器會降低電機頻率，使得電機轉速降低，系統(tǒng)流量減小，馬達扭矩增大，使馬達工作在小排量大扭矩模式下。若系統(tǒng)工作壓力PHD降低，則PLC 控制器會增大電機頻率，使得電機轉速變大，系統(tǒng)流量增大，馬達扭矩減小，使馬達工作在大排量小扭矩模式下。當系統(tǒng)壓力PHD減小，馬達排量達到最小，電機頻率最大，達到電機轉速最大值后依然不能使系統(tǒng)功率恒定時，則PLC 控制器會將電機轉速限制在電機最大轉速不在增加，即當vmax＜v=P/（PHDiq馬排）時，此時電機轉速為最大轉速vmax不再增加，系統(tǒng)在設定的最大功率下工作。

3 盾構刀盤恒功率驅動方式對比分析

3.1 刀盤液壓驅動恒功率閥控制分析

液壓恒功率采用功率閥進行控制，通過功率閥本身可實現(xiàn)液壓泵壓力與流量控制，在泵的設定功率范圍內，在一定的壓力下，泵可在全流量范圍內進行調節(jié)，當達到功率設定值時，壓力增大，流量減小，保證輸出的功率恒定。目前盾構液壓驅動系統(tǒng)通常是多泵并聯(lián)驅動，使用恒功率閥可以對多個泵同時進行恒功率控制，避免了多個恒功率控制泵時，泵內機構不同步問題，同時簡化了液壓系統(tǒng)；恒功率閥內部采用機械結構對壓力進行控制，結構簡單，成本低，響應快，采用滑閥形式，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)無級調速。但是維修保養(yǎng)相對復雜，抗污染能力差，控制精度相對較低；功率閥在安裝之前需要通過液壓試驗臺進行功率標定，一旦功率設定調整必須通過實驗臺進行標定，功率標定相對復雜；利用恒功率閥對系統(tǒng)進行恒功率控制時，系統(tǒng)壓力超過設定值后閥就會開啟溢流，系統(tǒng)傳動效率低。

3.2 刀盤電機變頻恒功率控制分析

驅動系統(tǒng)采用變頻驅動控制，在功率限定范圍內，在一定的系統(tǒng)壓力下，變頻電機的轉速可以進行無級調節(jié)；當系統(tǒng)壓力達到一定值時，即達到設定功率時，壓力增大，變頻電機的轉速隨之下降，確保系統(tǒng)功率恒定。采用電機變頻控制，系統(tǒng)傳動效率非常高，安裝簡單，控制精度高，維修保養(yǎng)簡單，驅動扭矩范圍寬；變頻電機轉速通過PLC 設定，可以在上位機直接改變參數(shù)，功率調節(jié)非常方便快捷。但是變頻電機現(xiàn)在價格相對較高，外形偏大；電機在啟動時，啟動電機較小，脫困能力弱，在工程實際中不適合地下復雜的地貌，因此存在許多局限性。

4 結論

采用恒功率閥與電機變頻恒功率控制都能實現(xiàn)系統(tǒng)在設定功率下工作，刀盤轉速無級調節(jié)。恒功率閥在設定功率時需要在實驗臺上設定，功率調整還需要在試驗臺上標定，設置復雜；電機變頻控制直接在PLC 上設定即可，簡單方便。

恒功率閥與電機變頻控制恒功率都能實現(xiàn)較寬的扭矩范圍，恒功率閥采用的液壓控制，脫困扭矩大，適合于復雜地形及大型盾構；電機啟動電流較小，脫困扭矩小，在地形變化不大和常規(guī)盾構中有廣闊的應用場景。