盾构刀盘驱动液压系统设计

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液压与气动
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盾构刀盘驱动液压系统设计
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收稿日期： "DDG>!D>"D 基金项目： 国家 IKC 项目 （"DDCAAG"D!"D） 作者简介： 邢彤 （ !LKL—） ， 男， 吉 林 长 春 人， 讲 师， 在读博士 生， 主要从事流体传动与控制技术方面的研究工作。
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浙江 杭州 C!DD"E； " F 浙江工业大学 职业技术教育学院，
C!DD!G）
摘
要： 刀盘驱动液压系统是盾构液压系统的重要组成部分， 文章介绍了该系统的设计要求、 工作原理
及其特点。试验结果表明， 该系统满足设计要求， 具有结构简单、 技术先进、 性能可靠等特点。 关键词： 液压系统； 盾构； 刀盘驱动 中图分类号： <2!CE ! 引言 盾构掘进机是一种综合了机械制造、 新材料、 新工 艺、 电子信息、 自动化等高新技术在内的、 专用于地下 隧道工程开挖的大型高科技施工设备， 具有开挖速度 快、 质量高、 人员劳动强度小、 安全性高、 对地表沉降和 环境影响小等优点， 比之传统的钻爆法隧道施工具有 明显的优势， 有着良好的综合效益， 目前正朝着液压和 电气自动控制、 智能化和多功能化的方向发展。盾构 的主要组成包括刀盘系统、 推进系统、 螺旋机系统、 管 片拼装系统、 冷却水系统及辅助系统。 刀盘是盾构的关键部件之一， 是盾构主要工作部 件。刀盘的主要功能有： 开挖功能、 稳定功能和搅拌功 能。刀盘驱动具有功率大且变化范围广的特点， 这是 因为负载是随断面的土质状况变化的， 如切削硬岩和 切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大。目前， 刀盘主要驱动方式有液压驱动、 变频电机驱动方式。 （!）刀盘液压驱动 主要由液压泵站、 阀块组、 管 路、 驱动液压马达、 减速器、 大小齿轮、 三滚子轴向径向 主轴承及密封组成。液压马达驱动刀盘旋转， 刀盘转 速通过液压系统调节。液压系统具有体积小， 便于刀 盘调速及过载保护的特点。 （"）变频电机驱动 主要由变频电机、 减速机、 大 小齿轮、 三滚子轴向径向主轴承及密封组成。变频电 机驱动刀盘旋转， 刀盘通过电机调节， 有较大转矩储 备， 传动效率高。 两种驱动方式在盾构上都得到广泛的使用。从这 两种刀盘驱动方式的性能对比中可知， 针对各种不同 的地层， 它们都具有良好的调速性能， 使刀盘能够很好 万 方数据 地开挖。 文献标识码： （"DDJ） H 文章编号： !DDD>GIJI DG>DD"">DC 变频驱动设备费用高， 控制技术复杂， 但是具有较 高的传动效率， 较低能源消耗， 可节省电力费用； 液压 驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能， 占用空 间小， 维修保养相对简单， 可靠性高。目前采用阀控马 达的控制方式， 系统功率势必按所需的最大功率设计， 在遇到欠负载工况时， 系统效率低下， 大量的功率将通 过热的形式耗散， 使系统发热严重， 进而影响盾构推进 速度。 本系统为 IKC 项目 “盾构模拟试验平台” 的刀盘驱 动液压子系统。采用变量泵控制定量马达的液压系统 来驱动刀盘转动， 除了很好地提供动力外， 还要研究刀 盘的负载敏感控制和盾构所特有的节能问题。 " 刀盘驱动液压系统原理设计 如图 ! 所示为刀盘结构及其部分液压原理图。 液压系统为开式回路， 可适应两种工况， 即软岩工 况时的低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩， 两种 工况转换可通过控制电磁换向阀 J F C 来实现。当电磁 铁 - 断电时， 溢流阀 J F ! 确定系统最高压力， 此时， 系 统压力设定为 !D MN0， 输出转矩小， 但流量大 （最大为 ， 输出转速高； 当电磁铁 - 通电时， 溢流阀 CDD O P 7&(） 此 时， 系 统 压 力 设 定 为 "D J F " 确 定 系 统 最 高 压 力， 输出转矩大， 但流量小， 输出转速低。刀盘转速 MN0， 通过调节变量泵 K 的排量实现， 压力传感器 C 测量液 压马达的进油口压力， 压力信号经处理后反馈到变量 泵的比例阀上， 构成速度闭环控制系统。变量控制机
液压系统原理的逻辑要求， 各安装孔的位置是否符合 设计要求。此外， 建立了阀体上要安装的各种液压元 件的三维模型。通过虚拟装配， 观察装配体的各个部 位， 检查设计的正确性、 合理性和准确性。 $）液压站设计 由于液压 站 放 置 在 盾 体 内 部， 决定了液压站的 布局为串列式， 即泵与电机在前， 油箱在后。盾体一 节长为 / 6， 限制了油箱的长度， 为了尽可能增大油 箱的 体 积， 油 箱 设 计 成 具 有 最 大 截 面 的 异 形 油 箱。 通常， 刀盘驱动液压系统的能耗较大， 需要散发的最 大热功率可按主驱动电机的功率损失全部转化成热 量计算。 系统应散发的热功率为： 其中 （! & "66 !! 7 " #$% "68 "796 "798） — —主驱动电机的输出功率 # 75— — —马达的机械效率 "66— — —马达的容积效率 "68— — —主驱动泵的机械效率 "796— — —主驱动泵的容积效率 "798— 经温升校核， 系统温升不在允许温升范围内， 所以 系统设置了水冷却器。 根据要求， 液压系统需要对油箱液面、 温度实现 自动监控， 在油箱上安装了液位控制继电器和温度 控制继电 器。液 位 控 制 继 电 器 是 高 位 触 发， 系统报 警； 低位触发， 系统停机。温度控制继电器既能输出 开关信号， 又能输出模拟信号。温度达到 )): ， 继电 器触发， 冷却系统起动； 温度低于 "’: ， 继电器触发， 冷却系统关闭。
总长 总宽 总高 轴距 前轮距 后轮距 轮心距 地 轮 面 宽 DRN DRN DRN DRN DRN DRN DRN DRN EEG EEGSE EEG EEGSE 天津 夏利 KRDF DRFF DKGN EKEF DK.F DKDF DLG
文献标识码： （EFFN） M 文章编号： DFFF-.GNG F.-FFE.-FE
原理图。采用分流集流阀和 . 个单向阀构成桥式结构 控制液压油在流量阀中按一定的流向流动的液压同步 回路， 简称桥式液压同步回路， 举起四轮汽车在受控高 度升降范围内同步升降； 采用电液比例流量阀控制 . 个汽车轮子升降同步精度， 确保 . 个汽车轮子升降位 移同步； 电液比例流量阀还能控制 . 个汽车轮子组成 的两前轮、 两后轮、 两左轮、 两右轮根据中央控制信息 自动组成四组桥式液压同步回路， 安全可靠地实现两
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（!B 浙江大学 国家电液控制技术研究中心， 浙江 杭州
后轮宽
前轮、 两后轮、 两左轮、 两右轮同步升降， 准确安全可靠
收稿日期： EFF.-DF-EK 作者简介： 万贤杞 （DP.N—） ， 男， 湖南省衡阳市人， 教授， 主要 从事液压传动及机床数控技术教学和大中型液压系统设计研 究工作。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! $ 总结 通过试验发现， 盾构推进 D 7， 冷却器未开启， 液 压系统的温升仅 GT ， 说明该液压系统的能量损失小。 这种采用比例变量泵驱动液压马达的方案有很好的节 能效果， 此外， 插装阀尺寸小， 导液能力强， 适用于高压 大流量的场合。 万方数据
图!
刀盘液压原理图
构使得泵的排量在其整个范围内可无级调节， 并与比 例电磁铁的控制电流成比例， 恒功率控制优先于变量 控制， 即低于功率曲线 （功率双曲线） 时排量受控制电 流的调整， 如果设定流量或工作压力使功率曲线超过， 则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排 量。液压马达 ! 的正反转可通过电液换向阀 " 来控 制， 电磁铁 #! 通电， 马达正转， 电磁铁 #$ 通电， 马达反 转， 由主阀 % 口的单向预压阀 & 建立最低的控制油压 力， 该阀的开启压力约为 ’ ( &) *%+。 " 阀块组及液压站设计 !）插装阀块的设计 二通插装阀是采用先导控制、 座阀结构主元件和 插装式连接的新型控制元件。它具有结构简单、 抗污 染能力强、 性能可靠、 流动阻力小、 动作可靠、 易集成、 无泄漏等一系列优点， 特别适用于大流量液压系统的 集成化控制。本系统的安全压力由插装阀 ) 设定， 通 过 $ 个先导阀和 ! 个电磁换向阀为系统设定了 $ 个最 高压力， 以适应挖掘中的两种工况。插装件为锥阀结 构， 是 , 型带阻尼孔的 -./$ 通径插件。通过合理设 计控制盖板的流道， 与先导控制阀组合后可以控制插 装件的工作状态， 控制盖板内还配置一个阻尼螺塞， 调 整插装件的响应时间。先导控制阀采用 -.0 通径溢 流阀和电磁换向阀， 控制插装阀的启闭。所有插件安 装在符合 ,1-$"/"$ 的安装孔内， 阀块按回路要求加工 主级及先导油路通道， 与插装件、 控制盖板和先导控制 阀件构成液压系统控制块体。 集成阀块采用了三维参数化设计， 用 %2345 软件 建立的阀体三维实体是一个逼真的零件， 可以方便、 直 万方数据 观地检查其上的油孔与油孔之间的位置关系是否符合