高效节能技术在盾构液压系统中的应用.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 6 ．2 0 1 2 高效节能技术在盾构液压系统中的应用 冯欢欢 l 1 ， 吴向东 ， 杜雨轩 ， 蔡 华 1 ． 西南交通大学 机械工程学 院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 盾构及掘进技术 国家重点实验室， 河南 郑州4 5 0 0 0 3 摘要 介绍了泵控调速技术 、 二次调节技术 、 负载敏感技术 、 能量 回收技术 等高效节能技术 的原理及其在盾构 液压系统 中的应用现 状 ， 总结 了盾构液压系统使 用与管理 的节能措施 ， 展望了盾构液压节能技术的发展趋势 。 关键词 盾构 ； 液压系统 ； 高效节能技术 ； 发展趋势 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 2 0 6 0 0 0 1 0 4 Th e Ap p hc a t i o n o f H i g he f fi c i e n c y En e r g y s a v i n g Te c h no l o g y i n S h i e l d Hy d r a u l i c S y s t e m FENG Hu a n -hu a n 一， X g_d o n g ， DU Yu -x u a n ， C AI Hu a 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t o f J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． 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 ri n g T e c h n o l o g y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e o f h i g h e ffic i e n c y e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o gy ， s u c h a s p u mp c o n t r o l s p e e d r e g u l a t i o n ， s e c o n d a r y r e g u l a t i o n ， l o a d s e n s i t i v e a n d e n e r g y r e c o v e r y ， a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s t a t u s i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f s h i e l d ． T h e n i t s u mma l i z e s s o me e n e r g y - s a v i n g me a s u r e s o f t h e u s e a n d ma n a g e me n t ． u s e d i n t h e s h i e l d h y d r a u l i c s y s t e m． I Jo o k o u t t h e d e v e l o p me n t R e n d o f s h i e l d h y d r a u l i c e n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o gy ． Ke y wo r ds s hi e l d； hy d r a u l i c s y s t e m； hi g he ffi c i e nc y en e r gy s a v i ng t e c h no l o gy ； d e v e l o pme nt t r e nd O 前 言 当前能源和节能问题 日益受到人们重视 ，液压系 统的节能设计也成为液压技术工作者所关注的重大课 题。液压系统节能的 目的是提高系统的能量利用率或 提高系统的效率，在满足性能要求 的情况下实现节能 对于系统具有极其重要 的意义 。实现高效节能的主要 途径是通过对液压系统 的控制元件 、 执行元件 、 工作介 质等方面进行改进可减少能量损失 、提高能量的利用 率 。借助于辅助设备实现能量 回收使得能量再次被利 用 ， 进而达到 良好的节能效果[ 1 1 。 盾 构 施工 法在 隧 道 与地下 工 程 的掘 进 中得 到越 来 越广泛的应用 ，为装备制造业 的发展起到积极地推动 作用 ， 也为基础元件产业 “ 十二五” 技术发展提 出新 的 要求。同时盾构是高能耗机械， 因此对其液压控制系统 的节能研究更为迫切 。盾构液压系统中常用的节能液 压元件有 限压式变量泵 、恒功率变量泵 、恒压式变量 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 收稿 日期 2 0 l 2 0 1 一 l 6 作者简介 冯 欢欢 1 9 8 7 一 ， 男， 湖北随州人 ， 在读 硕士 ， 现从事盾 构及掘 进液压技术研究。 泵 、 蓄能器 、 电液伺服阀、 插装阀等。常用的液压节能技 术有泵控调速技术 、 二次调节技术 、 负载敏感技术 、 能 量 回收技术 、 压力匹配技术等。 1 泵控调速技术 泵控马达容积调速系统具有功率损失小 、 效率高 、 发热量小 、 节能及调速方便等特点 ， 被广泛应用于大功 率液压伺服系统中。随着现代技术的发展 ， 越来越多的 新技术融人到了泵控调速技术 中，提高了系统的控制 性能 。 1 ． 1 P l D控制 技术 P I D控制原理简单 、 使用方便 ， 其参数可根据过程 动态特性及时调整 ， 适应性强 。P I D参数 的调节和优化 决定了系统最终能达到的控制性能 。而 P I D参数整定 是控制系统设计的核心内容。 袁建畅【司 通过 Z N整定方 法 与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k中的非线性控制设计模块 N C D， 对泵控马达容积调速系统 中的 P I D控制器参数进行优 化设计 ， 提高了系统的稳定性 。 1 ． 2 变频 技术 变频容积调速系统结合 了电气控制和液压传动控 制两方面 的优势 ， 与传统 的相 比， 具有节能高效 、 性 能 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 2年 第 6期 良好 、 结构简单 、 价格合理 、 控制方便等一系列优点 ， 具有 良好的发展前途。基于变频技术的液压容积调速系统， 既能满足速度控制要求 。 又能获取变频调速和直接容积 调速双重节能的效果， 其控制结构图如图 1 所示。 f L ⋯ 妥 图 1 变 频 窨 积 调 速 控 制 结构 图 赵庆龙嘲 在分析变频调速技术的基础上 ， 通过实验 验证 了交流变频容积调速回路具有调速范围宽 、分辨 率高 、 节能性好 、 抗污能力强 、 易于实现计算机控制等 优点。王世民等f4 ] 分析了交流变频容积调速回路的调速 特性 。并采取模糊控制策略提高了液压 马达的响应速 度及转速稳定性。 交流变频液压调速技术 由于发展时间较短 ，受变 频技术和液压元器件的影响 ， 还存在诸如动态响应慢 、 低速性能差 、 调速精度低等问题 ， 尤其是变频器的谐波 污染问题 ， 是 目前影响其推广的主要原因之一 。 1 ． 3 在刀盘驱动液压系统中的应用 盾构刀盘 的液压驱动技术随着工业技术 的发展在 不断进步 ， 成功解决了多马达驱动的冗余干涉问题 ， 液 压 回路从 阀控 的节流调速回路发展到泵控的容积调速 回路 ， 能耗大大降低。刀盘的转速控制是 由变量泵和变 量马达组成的闭式容积调速 回路完成 的。其液压原理 图如 图 2所示 I5 ] a 变 排 量 答积 调 运 驱 动 方 式 b 变 转速 答 积 调 运 驱 动 方 式 图 2两种 刀盘容积调 速驱动方式 采用泵控马达调速方式 ， 可实现刀盘的转速控制 、 扭矩控制 和方 向控 制。这种 回路 调速范 围宽 ， 在 0 ～ 1 ． 5 r ／ m i n采用恒扭矩调速模式 。在 1 ． 5 3 ． 0 r ／ m i n采用恒 功率调速 ， 可通过软件编程实现。采用此种方法可有效 地减小所选泵的排量， 降低系统的成本。 2 二次调节技术 二 次调节闭环控制是 一种闭环控 制静液传动方 2 案， 对改善静液传动系统的效率非常有效 ， 这种调节技 术不但能实现功率适应 ．而且还可以对工作机构的制 动动能和重力势能进行回收与重新利用。同时， 在恒压 网络开式 回路上可以连接多个互不相关的负载 。通过 调节可逆式轴 向柱塞元件 的斜盘摆角来适应外负载的 转速 、 转角 、 转矩或功率的变化。二次调节静液传动系 统在控制与功能上 的特点为解决静液传动技术中 目前 尚未解决的某些传动问题和替代有关传动技术提供 了 有利的条件。以图 3说明二次调节静液传动系统 工作 原理， 它是通过调节输出端可逆式二次元件 1 柱塞泵 的斜盘倾角来改变马达排量的 ，使马达倾角在伺服 阀 的输入电压的控制之下变化嘲 。 1 一 二 次 兀 件2 一 变 量 控 制 油 缸3 一 电液 伺 服 阀 4 一 恒压变量泵5 一 液压蓄能器 图 3二次调节静液传动系统 图 将二次调节原理应用到盾构 E P B螺旋输送电液控制 系统中不仅能够改善系统土压控制品质。 还能取得明显的 惯性能回收效果用 。其电液控制原理图如图4所示。 1 一 驱 动 油 源 变 量 泵2， 5 -安 全 阀 3 一单 向 l阋 4 。 6 一 电磁换 向阀7 一 蓄能器8 一 伺服阀控制油源泵9 一 溢流阀 1 O 一 伺服阀 1 l 一 二次元件 液压马达／ 泵 图 4螺旋输送机液压 系统原理图 3 负载敏感技术 负载敏感技术 ， 就是将负载所需 的流量 、 压力与泵 源的压力流量匹配起来 ，以最大程度提高系统效率的 一 种高效节能技术 。它具有节能高效的特点， 不仅可使 多个执行元件同时并相互独立地 以不同速度和压力工 作 ，还可用于协同电子操纵系统进行相当复杂 的液压 系统精确的、 可调的能量控制。负载敏感液压系统分为 阀控负载敏感 系统和泵控负载敏感系统两种 ，其液压 原理图分别如图 5所示。与阀控负载敏感系统相 比， 泵 控负载敏感系统的效率更高。 Hv d r a ul i cs Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No． 6．201 2 Q p - a 阀控负载敏感系统 b 泵控负载敏感系统 图 5两种负载敏 感液压 系统原理图 在盾构推进液压系统主油路 中采用负载敏感控制 技术 ， 即驱动泵采用带远程压力控制的恒压变量泵 ， 通 过压力传感器检测出负载变化信号 ，由负载变化信号 对泵的流量做相应的调节 ，使其输 出流量始终与各分 组所需的流量相适应 ， 其工作原理如图 6所示。 1 一 吸 油 过 滤 器2 一 球 阀3 一 电 机4 一 联 轴 器5 一 负 载 敏 感 式 变 量泵 6 一 压力表7 一 安全 阀8 一 压力管路过滤器9 一 单向阀 1 0 一 二位四通换向阀 1 1 - 压力传感器1 2 一 溢流 阀 图 6推进 系统主油路控制原理图 4 能量 回收技术 能量回收系统 的关键点是能量转化效率 ，尽量吸 收系统的剩余动能并将其最大限度地释放出去是系统 研究的目的所在嘲 。其中所涉及到的液压元器件主要包 括 液压缸 、 液压马达 、 蓄能器 、 二通插装 阀、 比例方 向 阀、 电动机等。图 7为两种常见的能量回收油路。 实现能量 回收将使液压系统 的元件增 多 ．成本随 之提高， 而节能效果与使用工况密切相关。对于周期性 地在短时间内需不断加速和制动或升降的大中功率场 合中， 节能效果十分显著。能量回收技术适用于负载质 量较大， 其动能与势能具有回收价值的系统。在制动减 速或重物下降的过程 中． 通过加设适 当的装置 ． 达到既 能控 制运 动部 件 的 速度 ，同时 又能 回收制 动动 能 与重 物势能， 并可在需要时再重新利用能量的 目的， 则系统 效率将显著提高。 1 一 定 量 象／ 马 达2 一 液 压 缸 3 一 蓄能器4 一 变量泵／ 马达 1 一 蓄能器2 一 变量泵／ 马达 a 液压缸的能量回收油路 b 液压马达 的能量 回收油路 图 7两种常见 的能量 回收油路 黎松辉等嗍 提出一种基于二次调节技术的盾构土压 平衡系统 ， 系统制动过程 中调节二次元件的排量作泵工 况 ， 在螺旋输送机的惯性带动下向系统回馈能量。模拟 实验表明， 这种基于二次调节技术的盾构土压平衡系统 能取得明显的惯性能回收效果。滕韬等【 0 1 提出一种基于 压力反馈 和电液 比例控制的新型开式刀盘驱动液压系 统， 结果表明采用电液比例控制蓄能器不仅可以吸收盾 构刀盘掘进过程中产生的系统压力冲击 ， 还可以在刀盘 制动 或 者 刀盘 突然 卡死 的情 况 下将 大 惯性 刀 盘所 具 有 的制动能储存起来 ， 在启动或者反转脱困时使用。 5 液压系统使用与管理的节能措施 上述的节能技术可以使液压系统达到很好的节能 效果 ， 但如果没有好的管理 ， 在实际工程 中也难 以真正 发挥。统计表明， 液压系统发生的故障有 9 0 ％是由于使 用管理不善所致 ， 造成的浪费是十分惊人 的， 使用管理 的 目的和价值就在于使液压 系统处于最佳工作状 态 ， 发挥系统的真正性能 ， 达到真正节能的结果。下面几点 可在盾构施工中加 以运用 1 要对操作者进行相应基础培训 ， 使其具备一定 的专业知识和管理经验 2 坚持 日常维护和保养制度 ， 减少故 障概率 ， 使 系统 运行 稳定 3 预防检查 ， 及时发现和消除液压系统 的隐患 ， 确保系统的工作效率 。 6 盾构液压节能技术 的发展趋势 随着数字技术和软件技术的不断进步 ，液压节能 化 系统将 向高性能 、 易操作 、 节能效果显著方向发展 。 具体改变途径 1 提高液压系统动力装置效率， 降低能耗， 提高工效； 2 设计出新的液压系统或者改进液压系统 ， 从而 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 6期 聚四氟乙烯改性及其应用 李海龙， 朱磊宁， 谢苏江 华东理工大学 机械工程与动力学院， 上海 2 0 0 2 3 7 摘要 论文对聚 四氟 乙烯 F E 的性能特点进行 了综述 ， 着重介绍了 F E的表面改性 、 填充改性 、 共混改性 、 化学改性 、 结构改性等 常用改性技术 ． 并 对 F E的加工工艺和在密封 、 防腐等领域 的发展应用现状作 了介绍。 关键词 聚 四氟乙烯 ； 改性 ； 应用 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 6 0 0 0 4 0 5 M o d i fie d Po l y t e t r a fl uo r o e t h y l e n e a n d I t s Ap p l i c a t i o n L 1 H a i - l o n g ， Z HU L e i - n i n g ， X I E S u - j i a n g I n s t i t u t e Re s e a r c h o f P r e s s u r e Ve s s e l a n d P r o c e s s Eq u i p me n t ， E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ． C h i n a Ab s t r a c t T h e c o m p o s i t i o n ， s t r u c t u r e ， p h y s i c s a n d c h e mi c a l p e rf o r m a n c e o f p o l y t e t r a fl u o r o e t h y l e n e P T F E a y e d e s c r i b e d ． T h e s u r f a c e mo d i fi c a t i o n、 fi l l i n g mo d i fi c a t i o n、 e x p a n d i n g mo d i fi c a t i o n a n d s t r u c t u r e mo d i fi c a t i o n f o r Pr F E a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r , a n d t h e f u t u r e d e v e l o p me n t a s p e c t s o f Pr F E a r e a l s o d e s c r i b e d ． Ke y wo r d s p o l y t e t r a flu o r o e t h y l e n e； mo d i f y i n g ； a p p l i c a t i o n 0 前 言 聚四氟 乙烯 P T F E 树脂 是普兰凯特 P l a n k e t t 博 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 7 作者简介 李海 龙 1 9 8 7 一 ， 男 ， 四川遂宁人 ， 硕士研 究生 ， 主要从事 聚合 复合 材料及功能研究 。 提高液压系统的功率 ， 降低能耗 ， 并对液压系统的能量 进行 回收与利用 ； 3 提高液压油 的清洁度 ， 净化处理循环使用过的 液压油。 防止液压设备出现泄漏现象 ； 4 液压系统中采用新型的控制元件 ， 并提高其制 造精度。 7结论 盾构 电液控制系统 的每个组成部分在系统工作时 都会产生能量损失 ， 因此 ， 要合理使用高效率的液压元 件 ， 并对液压系统进行综合调节以提高系统的效率 ， 合 理设置 和分配元件 、 管路 ， 正确选择 油液 ， 并应用新技 术 、 新材料以达到节能的 目的， 同时在系统运行过程中 要加强管理 ． 以达到液压系统真正节能的目的。 参 考文 献 【 1 】 张婷． 节能 、 减排 、 降耗液压技术如何适应可持续发展要 求【 J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 l ， 1 ． 4 士 于 1 9 3 8年发 明 ， 由 D u P o n t 公 司 于 1 9 5 0年正式 投 入 工业化生产。在 F E分子中， 氟原子取代 了聚乙烯 中 的氢原子 ， 由于氟原子半径 0 ． 0 6 4 n m 大于氢原子半径 0 ． 0 2 8 n m ， 使得碳一 碳链 由聚乙烯的平面的 、 充分伸展 的曲折构象渐渐扭转到 F E的螺旋构象 见图 1 ， 该 螺旋构象正好包 围在 P T F E易受化学侵袭的碳链骨架 - -一 - - - - - 一- - - - 一 f 2 1 袁建畅， 任 京芹． 泵控 液压马达 容积调速 系统 的 P I D参数 整 定[ J ] ． 矿 山机械，2 0 1 0 ， 1 o ． 【 3 】 赵庆 龙． 变频 容积 调速 液压 系统 的实验 研究 【 J 】 ． 煤 矿机 电， 2 0 1 1 ， 2 ． 【 4 】 王世 明 ， 李天石． 交流变频容积调 速 回路 的特性 与速度控 制 【 J j ． 机床与液压， 1 9 9 9 ， 5 ． [ 5 】 施虎， 等． 3 m试验盾构 刀盘 驱动液压系统设计及仿 真分析 f R 】 ． 北京 第五届全国流体传动与控制学术会议 暨 2 0 0 8年中 国航空学会液压与气动学术会议， 2 0 0 8 ． 【 6 】 姜继海， 于庆涛． 二次调节静液 传动技术【 J 】 ． 流体传动与控制， 2 0 0 5 ， 4 ． 『 7 1 黎松辉． 基于二次调 节原理 的盾构 E P B系统节 能特性研 究 f D 】 ． 广州 广东工业大学， 2 0 0 7 ． 【 8 】 吴 向东， 安维胜 ． 液 压 系统的能 量 回收方 法【 J J ． 液 压与 气动， 2 0 0 1 ， 1 2 ． 【 9 】 黎松辉， 李笑 ． 二次调节技术 在盾构 E P B模 拟系统惯 性能 回 收 中的应用『 J 1 ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 ． 【 l O 】滕韬 ， 等 ． 盾构刀盘驱动液 压系统压力冲击吸收 特性分析 【 J 】 ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 1 1 ， 5 ．