资源描述:
液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 1 4年 第 0 2期 盾构刀盘驱动模拟装置液压系统设计与研究 冯欢欢 , 王助锋 , 张合沛, 陈 桥 中铁隧道集团 盾构及掘进技术 国家重点实验室 , 河南 郑州4 5 0 0 0 1 摘要 论述 了一种盾构刀盘驱动模 拟装置液压系统工作原理 , 从变量泵 、 电机及液压马达选型 、 发热计算 等方 面对 其液压系统进行 了 设计 与研究 , 并 根据实验需求 , 按照等 比缩放原则 , 设计 了模拟刀盘惯性负载的惯性轮。该模 拟装置 ,能够为进行盾构刀 盘驱动液压控 制 系统 的研究提供可靠 的实验平 台。 关键词 盾构 ; 刀盘驱动 ; 液 压系统 ; 模拟装置 ; 实验平台 ; 设计 中图分类号 T H1 3 7 . 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 1 4 0 3 De s i g n a nd S t u d y 0 1 1 t he Hy d r a u l i c S y s t e m o f a S h i e l d Cut t e r Dr i v e S i mu l a t o r F E N G Hu a n h u a n , WA N G u 币 n g , Z H A NG He - p e i , C HE N Q i a o S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S h i e l d Ma c h i n e a n d B o r i n g T e c h n o l o g y , C h i n a R a i l w a y T u n n e l G r o u p, Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 , C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m wo r k i n g p ri n c i p l e o f a s h i e l d c u t t e r d ri v e s i mu l a t o r w a s e x p o u n d e d ,wh i c h wa s d e s i g n e d a n d s t u d i e d f r o m t h e a s p e c t s o f v a r i a b l e p u mp , e l e c t r i c mo t o r , a n d h y d r a u l i c mo t o r s e l e c t i o n , h e a t c a l c u l a t i o n , a n d S O o n . Ba s e d o n t h e e x p e ri me n t a l r e q u i r e me n t s , i n e r t i a wh e e l w a s d e s i g n e d o n a p r o r a t a b a s i s , w h i c h wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e i n e r t i a l o a d o f c u t t e r . T h e s i mu l a t o r wi l l p r o v i d e r e l i a b l e e x p e r i me n t a l p l a tf o r m f o r r e s e a r c h i n g o n the h y d r a u l i c s y s t e m o f s h i e l d c u t t e r h e a d . Ke y wo r d s s h i e l d; c u t t e r h e a d; h y d r a u l i c s y s t e m; s i mu l a t o r ; e x p e ri me n t a l p l a tf o r m; d e s i g n 0 引言 盾构刀盘驱动液压系统是一个具有大功率 、大 时 滞性、 功率变化范围宽等特点的非线性 时变系统 。 其外 负载也随开挖面地质条件 的变化而实时变化 如果采 用 阀控马达 的系统形式 .系统功率必然按所需的最大 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[ 1 - 5 ] 。采用 全局功率 自适应 的泵控马达 系统是解决这一 问题的有 效途径 , 也是盾构液压控制技术的发展趋势[6 - 1 0 ] 。 为更好 研究并推广泵控马达技术在盾构刀盘驱动系统 中的应 用 .本文针对一种盾构刀盘驱动模拟实验装置 的液压 系统进行 了设计与分析 1 工作 原理 盾构刀盘驱动模拟实验装置液压 系统主要 由驱动 部分和负载模拟部分组成 变量柱塞泵 3与变量马达 4 共同组成驱动系统 . 在进行刀盘驱动实验时 , 通过改变 基金项 目 国家 9 7 3计划 课题 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 8 ; 国家 国际科技合作 专项 2 0 1 1 D F B 7 1 5 5 0 收稿 13期 2 0 1 3 0 6 1 8 作者简介 冯欢欢 1 9 8 7 一 , 男 , 湖北随州人, 助理工程师, 硕士 , 主要从 事盾 构液压系统设计与研究 14 变量泵的排量及方 向来调节刀盘转速及转 向 .进行刀 盘泵控马达调速实验 。变量马达 4为弯轴结构式轴向 柱塞变量 马达 . 排量通过 内部集成 比例阀进行控制 . 其 输出轴装有力矩转速传感器 1 4 .可实时检测刀盘 的转 速和输 出力矩 .回路 中的压力传感器可以实时检测系 统的压力 , 根据转速和压力 或转速和马达输 出力矩 制定各种控制策略, 对刀盘转速进行实时控制。其基本 液压原理如图 1 所示 负载模拟部分 的惯性负载 由惯性轮模拟 .盾构掘 进时刀盘切削土体和克服摩擦 的扭矩则 由液压泵 7施 加 , 扭矩大小通过调整 比例溢流阀 1 3来控制 另外 , 通 过改变 比例溢流阀 l 3的输入信号可获得不 同的扭矩 加载形式 。由于加载回路溢流阀在进行加载时会产生 大量热量 . 故在其出口处装有冷却器 l 2 . 通过冷却器强 制冷却 回路 .从而保证加载闭式回路温升在允许 范围 之 内。 2 液 压系统设计 刀盘实验系统按照系统压力 ≥3 0 MP a . 单泵流量 ≥5 0 L / mi n的要求进行设计 在实验系统中 . 由于需要 进行不 同负载条件下的刀盘驱动模拟实验 .因此该加 载系统需具备变惯性负载 、 变力矩负载加载的功能。其 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s& S e a l s , NO . 0 2 . 2 0 1 4 1 一 电机2 一 联轴器3 一 电控变量柱塞泵4 一 双 向变量马达5 一 齿轮箱6 一 惯性加载轮7 一 定量泵8 一 直动式溢流阀 9 、 l O 一 单 向阀 l 1 一 直动式 减压阀 1 2 一 风冷器 1 3 一 比例溢流阀 1 4 一 力矩转速仪 1 5 一 排气 阀 图 1 液压 系统原理 图 他设计参数和功能要求如下 a 刀盘转速应 0 ~ 3 r / mi n连续 实时可调 . 在转速 ≤ 1 . 5 r / m i n时均可输出最大扭矩 b 刀盘要能实现双向回转 c 液压马达安装力矩转 速传感器 . 实时检测 刀盘 的转速与力矩 . d 刀盘驱动液压系统设置液压油压力传感器 . 实现 液压控制系统的实时监测和数据采集 通常 , 西6 . 3 m盾构刀盘转动由八个液压马达驱动 . 因此该实验系统按照与实际系统相 当的单个马达的驱 动 系统 设 计 。表 1中给 出该 刀盘 驱 动 实 验 系统 及 6 . 3 m实际土压平衡盾构刀盘 系统主要参数要求 表 1 模拟装置主要参数对比 参数 盾构刀盘驱动模拟装置 媚 . 3 Ⅲ盾构刀盘系统 最大驱动力矩 脱困力矩 转速范围 调速方式 1 3 6 . 8 k Nm 4 3 7 7 k Nm 1 6 3 . 3 k ND 1 5 2 2 5 k NⅢ 0 ~3 r / m i n O 3 r / m i n 0 ~L 5 r / m i n恒扭矩, ≥l | 5 r / i n 恒功率 刀盘大齿圈减速比 L 5 . 9 4 ,减速机减速比 6 5 1 . 4 2 2 . 1 变量 泵 与 电机选 型 1 变 量泵 该实验系统采用超高压 系统 .系统正常工作压力 选为 3 1 . 5 MP a , 依据系统流量和压力 , 以及控制要求 . 选 用丹佛斯公司 9 0系列 . 排量为 7 5 mL / r 电控双 向变量泵 进行供油 , 该系列泵 的额定压力为 4 2 MP a . 最高压力为 4 8 MP a , 补油压力为 2 MP a 。补油泵排量为 2 0 mL / r . 流量 为 3 0 L / rai n 1 5 0 0 r / m i n 。 补油泵功率为 l k W 9 0系列变量泵可配合 9 0系列马达或其他型式 的 液压 产品组成液压 驱动 系统 以实现流体 的传 动与控 制 。设计概念采用平行布置轴向柱塞及滑靴并通过一 可倾斜式斜盘改变柱塞 冲程进而实现泵排量改变 泵 出口油液方向随斜盘方 向变化而改变 .从而实现马达 输出轴正/ 反转 向切换。 该系列泵专为闭式系统设计 . 使 用 比例 阀及 借助于斜 盘倾角 的电反馈可进 行无级 调 速。初选 WE G公司的同步转速为 1 5 0 0 r / mi n的三相异 步 电机。则 系统最大输 出流量为 q r / p v Vp g 0 . 9 5 1 48 5 x7 5x1 0 1 0 5. 75 L / mi n 式 中J, 7 液压泵容积效率 , 0 . 9 5 ; 电机额定转速 , 1 4 8 5 r / mi n 。 2 电机 刀盘驱动最大输 出功率为 Nm pq 5 2. 0 2k W 电机的输 出功率为 式 中 叼 叼 p 叼 p 0 . 9 5 0 . 9 5 x 0 . 9 5 x 0 . 9 5 叩 液压泵机械效率 , 0 . 9 5 ; 马达机械效率, 0 . 9 5 ; 马达容积效率 , 0 . 9 5 。 6 3 . 8 7 k W 刀盘驱动实验系统装备功率取 7 5 k W.选择 WE G 公 司电机 ,型号为 I C E 2 8 0 S / M一 7 5 k W。其额定转速为 1 4 8 5 r / mi n 。 2 . 2液 压 马达选 择 为提高试验系统与实际系统之间的相 似性 .根据 1 5 液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 l 4年 第 0 2期 实际盾构刀盘驱动系统的通常选 用减 速机 的减 速 比. 系统输出最大扭矩时刀盘 的转速为 1 . 5 r / m i n . 此时马达 的相 应转 速为 n v i i 1 . 5 x 5 . 9 4 x 5 1 .4 2 4 5 8 . 1 5 r / mi n 式 中 刀盘额定转速 , 1 . 5 r / mi n 。 马达总排量为 翌 2 ’ n T 叼 4 5 8 . 1 5 x 0 . 9 5 2 4 3 mL / r 为进行多马达驱动同步控制实验 .采用双马达并 联驱动形式 选用华德液压 A 6 V型电比例变排量轴 向 柱塞马达 ,马达型号为 A 6 V1 0 7 E P 2 F Z 2 ,最大排量为 1 0 7 m L / r , 额定压力为 3 5 MP a , 最高压力为 4 0 MP a 。电控 马达的优点在不仅 可进行现行系统 的高低速档控制 . 也可实现刀盘马达无级调速控制 .与单纯 的变排量泵 控系统相 比可以获得更大的转速调整范围.获得更低 的稳定转速 刀盘额定工况下马达输出总扭矩为 △ 7 7 一 2 9 . 5 一 一 x2 1 4x O. 9 5 21 T 9 5 5N IT I 设定系统脱 困压力为 3 5 MP a .则刀盘脱 困工况下 马达输出扭矩 为 △ p k 叼 一 一 3 3x21 4 x0. 9 5 一 1 0 6 8. 3 N 11 1 选取加载回路系统压力为 3 0 MP a .则加载系统液 压泵 的排量 为 堕 2 5 2 . 1 m L / r 卸, 7 2 8 x 0 .9 5 ⋯‘ 根据系统 的最大工作压力和所需排量 .以及系统 的工作特性要求 .选用华德液压 A 2 F系列定量泵作为 加载液压泵 , 型号为 A 2 F 2 5 0 W5 Z 1 ; 该系列泵的额定工 作压力为3 5 MP a 。 最高工作压力为 4 0 MP a 。 3 发热计算 闭式液压系统具有效率高 。 噪声小 的特点 . 但是必 须解决系统的散热问题 , 系统的装备功率为 7 5 k W。由 于加载回路采用比例溢流阀加载形式 .则该 回路的全 部能量以发热的形式耗散 , 系统的发热功率为 H pq 4 6 . 9 k W 因此 ,采用在 比例溢流阀出口加冷却器的方法 , 考 虑实验条件限制 . 通过风冷却器对加载闭式回路中的油 液进行冷却。选择上海毅微系列风冷器 , 其型号及主要 参数 为 A E 2 2 1 2 0 一 F MA 2 一 T 5 5 , 3 5 b a r动态 额 定 压 力 , 2 2 0 v 5 0 H z , 0 . 5 5 k W , 当量冷却功率 1 . 7 3 k W/ C, 1 2 3 L / mi n 。 1 6 4 惯性轮设计 查阅相关资料 , 6 . 3 m盾构的刀盘质量约为 5 8 . 5 t . 计 算转动惯量时将刀盘简化为圆柱体 , 则其转动惯量为 塾 2 9 0 2 3 3 k g . m 8 8 6 ⋯ 折合到单个液压马达折合转动惯量为 毒 3 . 1 2 kz K g . m J m 一 一 一 。 i 3 0 5 式 中 刀盘系统总减速比 根据空间布置需求 , 惯性轮的直径选为 0 . 5 m. 则 由 J MD。 / 8可得惯性轮的厚度为 65 . 1 9 ⋯I l l l l l , ‘ 一 一 ●一 UJ . 1 7 pa x D 7 . 8 r r xO . 5 圆整为 7 0 mm。则惯性轮尺寸为 5 0 0 x 7 0 m m。 5 结论 随着盾构工法在我 国地下空间领域应用范 围的不 断拓展及施工条件的复杂化 .刀盘驱动液压系统作为 盾构关键控制系统 .其控制性能 的好坏将对盾构施工 质量产生更为直接影响。本文论述了一种盾构刀盘液 压驱动系统模拟装置 。 对其液压系统进行 了设计研究 . 通过后期平台研制和相关实验验证了所设计的液压系 统能够满足预期要求 参考文 献 【 1 】1 乐南更. 变转 速泵控马达调速系统关键技术研究[ D ] . 淮南 安 徽理工大学. 2 0 1 2 . 『 2 1 许 明. 基 于能量调 节 的电液变 转速 阀控马 达驱 动系统 研究 1 . 杭州 浙江大学, 2 0 0 9 . [ 3 ] 彭伟春 . 关 于工程机 械液压 系统散 热 的几 种方 案[ J ] . 工程 机 械, 2 0 0 3 , 1 2 3 8 3 9 . 【 4 ] 苏华礼, 徐铭, 马慧 民. 液压系统 的发热与对策分 析[ J ] . 机 床与 液压, 2 0 0 8 , 6 . 【 5 】 张婷 . 节能、 减排 、 降耗 液压技术如何适应 可持续发 展要 求[ J ] . 液压气动与密封, 2 0 1 1 , 1 7 4 7 7 . 『 6 1 冯欢欢, 吴 向东, 杜雨轩, 等. 高效节能技术 在盾构液压 系统中 J g 2m[ J ] . 液压气动与密封,2 0 1 2 , 6 1 I 4 . [ 7 ] 刘 佳东, 彭 天好 , 朱刘英 , 等 . 泵 控马达 复合 调速 系统 控制[ J ] . 流体传动 与控制, 2 0 1 0 , f 4 1 6 1 9 . 『 8 1 杨华 勇, 邢彤 。 龚 国芳 . 变转速泵控 模拟盾构 刀盘驱 动系统研 究『 J ] . 浙江大学学报 工学版 , 2 0 1 0 , 2 3 7 3 3 7 8 . [ 9 】 郑久强, 龚国芳, 胡 国 良. 盾构 刀盘液压驱 动系统[ J ] . 液压气动 与密封, 2 0 0 5 , 4 . [ 1 o 】 何於琏. 盾构机模拟试验台 中的刀盘驱动液压 系统 [ J ] . 矿 山机 械, 2 0 0 6 , 5 3 0 3 1 .
展开阅读全文