盾构刀盘驱动液压系统的实验研究

盾构主要用于软土、砂砬和强风化岩层及含水的混合地层隧道掘进。主要由盾体、刀

盘及驱动系统、螺旋输送系统、液压推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。

盾构掘进过程中，负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削扭矩变化很大(见表1)。

轰1上浴吃铁工程麻构推进时刀理扭矩统计表

可见，盾构刀盘驱动所需功率大且功率变化范围宽。

刀盘驱动液压系统原理

如图1所示刀盘驱动液压系统。采用电比例功率自适应泵控马达技术，实时检测刀盘

的转速，根据合适的策略控制变量缸位移，继而控制变量泵的排量，形成按负载工况变化需

要进行刀盘转速的连续实时控制。液压系统设计成开式回路，可适应两种工况，软岩工况时

蹬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6来实现,

当电磁铁断电时，溢流阀7.1确定系统最高压力，此时，系统压力设定为10 MPa，输出

转矩小，但流量大（最大为300 L/min），输出转速高；当电磁铁通电时，溢流阀7.2确定系统最高压力，此时，系统压力设定为20MPa，输出转矩大，但流量小，输出转速低。刀盘

转速通过调节变量泵2的排量实现，检测液压马达的输出转速，检测信号反馈到变量泵的比例阀上，构成速度闭环控制系统。液压马达 5.1和5.2的正反转可通过电液换向阀3来控制。系统采用某公司的A11VO 260 LRDU2 恒功率比例变量泵。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，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。

当低于功率曲线时，排量受控制电流的调整，泵输出的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化的影响。变量调节特性如图2所示。

3模拟盾构实验平台

实验装置如图3所示，包括模拟土箱、模拟盾构机、主顶、土体加压泵站、模拟盾构

机泵站和控制室。乩'■撼冬魅咻台击塚诊

模拟土箱内的土能够通过水囊进行加压，实现对不同土压的模拟。模拟盾构机由主顶

推进，模拟盾构泵站包括刀盘与螺旋机驱动泵站和主顶驱动泵站。模拟土箱内的多个断面布

置有压力传感器，刀盘转速通过在刀盘上布置2个接近开关进行测量，主顶的位移通过布

置在液压缸内的位移传感器测量。

4实验研究

本实验为刀盘转速开环控制实验，一个操作员调节螺旋机的转速和推进速度控制旋钮

使盾构前进并保持正面土压力与盾构土仓内压力平衡，另一操作员调节刀盘转速控制旋钮。

盾构共推进1.5 m ，平均推进速度为 2.5 cm/min 。刀盘调速电流曲线如图4a所示。

1 S 1

2 16 20

28 32 3fi 10 44 4fi 52 56 60

HH/min

4 8 ~ii f6 20 24 32 ^6 1-1 48 52 56 60

时f可/mm

U閒

56

52

4H

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40

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10

a）們构丿J盘调速

b）盾构燧輕

•

减

图4b所示刀盘转速有较大的波动，原因是由于没有及时加注泡沫且土质较粘，刀盘有卡住的现象。但是，刀盘转速曲线的趋势表明，刀盘转速能够按照操作员的调节作出相应的变化。图4c所示的刀盘转矩曲线表明，刀盘转矩变化大，可能是螺旋机的排土速度没有及时调节的原因。对比图

4b和图4c，说明在刀盘转矩有较大波动下，刀盘转速能够根据调速信号按比例调速。盾构刀盘驱动液压系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，通过在模拟盾构实验台上的掘进实验，证明该系统能适应掘进中的复杂工况，实现刀盘的调速。