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采用液压变压器的盾构推进节能系统设计 施虎， 龚国芳 ， 杨华勇 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 摘要推进系统是盾构机的重要组成部分。以应用最为广泛的 6 ． 3 m土压平衡盾构推进系统为 例， 提出一种采用液压变压器的新型节能盾构液压推进系统。该系统以液压变压器作为控制元件， 4组推 进液压缸分别由4 个相应的液压变压器控制， 系统的动力源由蓄能器和补油泵共同提供。采用液压变压 器的推进系统结构简单 、 能量利用率高， 避免了传统阀控系统中存在的严重溢流截流损失。 介绍系统的工 作原理和设计流程， 提出设计步骤和设计方法 ， 通过较精确的计算， 确定一种装机功率相对阀控方式较小 的盾构推进液压系统。 在拥有同样设计推进能力的情况下， 与通常的阀控系统相比， 液压变压器推进系统 可使装机功率降低 3 0 ％， 体现出较大的节能优势。 c 二 ccl‘ 0 c c0 c c0． c c0． c cc _ cc c 0cc cc 己0cc cc _ 0c c 巴 - c 关键词 盾构 ； 推进 系统 ； 液压变压器 ； 节能 ； 设计 推进系统为盾构向前推进提供推动力 ，是盾构 机的重要组成部分 。 由于推进系统的载荷很大 ， 液压 技术在盾构推进系统中得到了广泛应用。现有盾构 推进液压系统采用 阀控形式 ， 能量损失严重 ， 而损失 的能量 以发热形式释放使掘进工作环境恶化 ，对施 工极为不利。液压变压器是近年发展的一种全新 的 液压能量转换元件 ，理论上能够无损传输液压能Ⅲ 。 采用液压变压器原理的盾构推进液压系统能够极大 地降低系统的装机功率 ， 达到节能降耗的目的。 l 工作原理 图1 6 ． 3 m盾构推进系统液压缸分布示意图 由于盾构推进系统承担着盾构的推进和姿态控 制的任务 ，通常沿盾构圆周方向将推进液压缸分为 若干组， 进行协调控制。 图 1 为城市地铁建设中广泛 应用的 6 ． 3 m土压平衡式盾构推进液压系统液压 缸布置 图， 共 3 2套液压缸 ， 分为 4组。图中 z 1 ～ 代表液压缸 ， 在 、 、 、 处装有位移传感器 ， 用 于检测所在分组 的推进位移 ，以控制整个盾构的前 进速度以及各分组之间的同步运动关系。 图 2为采用液压变压器的盾构推进节能液压系 统单组工作原理图。 当盾构停止推进时， 调节变量泵 1 ． 油箱2 ．补油泵3 ． 电机4 ． 溢流 阀 5 ． 蓄能器 6 ． 1 变量 泵／ 马达6 ． 2定量泵， 马达 7 ．二位三通 电磁换向阀 8 ． 液压缸 图 2 液压变压器推进系统单组工作原理图 国家“ 8 6 3 ” 计划项 目 2 0 0 7 A A 0 4 1 8 0 6 作者简介 施虎 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山西应县人， 博士， 研究方向 掘进装备电液控制技术。 一 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ／ 马达 6 ． 1 的排量 ， 使连接变量元件和定量元件的轴 ，、 、 、 ． l 1 n 保持转矩平衡 ，此时泵 ／ 马达 6 ． 1 、 6 ． 2均保持静止。 小矶 当盾构 向前推进时 ， 调节变量泵 ／ 马达 6 ． 1的排 由于液压变压器盾构推进系统与普通系统的不 量使之变小 ， 两元件中间轴的合转矩为正 ， 元件 6 ． 1 、 同之处主要在于驱动部分的差异，因此本文论述的 6 ．2 分别工作在泵、 马达工况， 液压变压器正向旋转。 系统设计即指液压系统动力泵站部分的设计。推进 二位三通电磁换向阀 7 电磁铁断电，推进液压缸有 系统执行部分的设计与普通系统类似， 此处从略。 杆腔连接油箱 ， 活塞杆伸 出， 盾构向前推进 。 3 ． 1 定量泵／ 马达的选择 当盾构推进距离到达一环管片宽度时，调节变 推进系统共有 4个分组 ，每个组采用 1 个液压 量泵 ／ 马达 6 ． 1的排量使之变大 ， 两元件中间轴的合 变压器控制。 由于 4组液压缸数量不 同， 相应的液压 转矩为负 相对于前一工况 ， 元件 6 ． 1 、 6 ． 2分别工作 变压器元件规格也不尽相同。 根据设计要求 ， 盾构的 在马达 、 泵工况 ， 液压变压器反 向旋转 。二位三通电 最大推进速度为 8 0 mm ／ m i n ， 则对于 A、 c两组而言， 磁换 向阀 7电磁铁得电 ，推进液压缸无杆腔连接主 各有 8个液压缸 ， 推进所需的最大流量为 油路 ， 活塞杆退回， 盾构开始管片拼装作业。 Q A Q 8 v A 8 v x1 T d 2 2 4 _ 3 L ／ mi n 由于在推进 系统 工作过程 中变量泵 ／ 马达 6 ． 1 式 中 推进速度 ； ． 和定量泵 ／ 马达 6 ． 2 都存在泄漏 ， 以及液压缸在工作 ～液压缸 内径。 过程 中需要主油路供油 ，因此系统设置了相应的补 B组 1 0个推进液压缸所需最大流量为 油泵和蓄能器 ，用于补充系统在 1 个工作循环周期 Q B 1 O v A 3 0 ． 4 L ／ mi n 内所损失的能量。 在实际应用中， 蓄能器 的充油过程 D组 6 个推进液压缸所需最大流量为 可以在管片拼装机工作时完成 ，此时推进系统停止 Q 6 v A 1 8 ． 2 L ／ rai n 工作 。 若期望马达转速 n不低于 2 2 0 0 r ／ mi n t3 1 ， 容积效 ． 、 、 ． 率 J， 7 为 9 5 ％， 则相应 的定量泵 ／ 马达的排量为 2设 计 日称 g A g c Q A ／ 1 1 ． 6 m 某地铁施工所用 的 6 ． 3 m土压平衡盾构推进 q ． Q s ／ r l n 1 4 ． 5 mL ／ r I 液压系统的主要参数如表 1 所示。为了便于与传统 q o Q D ／ l n 8 ．7 m L ／ r 阀控推进系统的节能效果相比较，推进液压系统参 综合考虑成本、 流量、 转速及过载等因素， 选取 i 数主要以表 1 所列数值为参考依据。考虑到降低系 各组定量泵 ／ 马达参数如表 3 所示。 统最高工作压力 的设计 目标 ，本系统设计参数如表 表3 定量 马达参数 二 ∥ 1， J 、0何 l q J l卜 ／J 匕 ／ 二J l u I d ’ fi x m上 里 A 、 C 、 B组 D组 不变 ，但直径增加为 2 2 0 m m， 其总推进力 略有减小 ， 额定排量／ mL ／ r 1 6 额定排量 ／ mL ／ r l 2 但仍不失可比性 。 最高转速 ／ r ／ m i n 3 1 5 0 最高转速／ r ／ m i n 3 1 5 0 表 1 6 ． 3 m盾构推进系统主要参数阁 最低转速 ／ r ／ mi n 5 O 最低转速 ／ r ／ m i n 5 0 额定压力 ／ M P a 3 5 额定压力 ／ MP a 3 5 最大总推进力 ／ k N 3 1 6 5 0 单缸推力 ／ k N 9 8 9 最高压力 ／ MP a 4 0 最高压力 ／ MP a 4 0 最大推进速度 ／ m m ／ m i n 8 0 液压缸 内径 ／ ram 2 0 o 缩回速度／ m ／ m i n 1 ．4 活塞杆直径／ m m 1 6 0 3 ． 2 变量泵， 马达的选择 推进液压缸数， 个 3 2 最高工作压力／ M P a 3 1 ． 5 根据液压变压器的工作原理[4 1 ， 液压缸在匀速推 表 2 推进系统主要设计参数 最大总推进力 ／ k N 3 04 1 O 单 缸推力 ／ k N 9 5 0 最大推进速度 ／ m m ／ m i n 8 0 液压缸内径 ／ m m 2 2 0 缩回速度 ／ m ／ m i n 1 ． 4 活塞杆直径 ／ m m 1 6 0 推进液压缸数 ／ 个 3 2 最高工作压力 ／ M P a 2 5 P q 1 p - p L g 2 1 式中 p 变量泵 ／ 马达 出口压力 ， 即系统压力 ； p _一负载压力 ； g 。 变量泵 ／ 马达的排量 ； 9 厂定量泵 ／ 马达的排量。 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 司得 q 1 1 - p L ／ p q 2 可见 ，变量泵 ／ 马达的排量要小于定量泵 ／ 马 达的排量 ， 并且与系统压力和负载压力有关 。 该系统 设计 中只考虑液压变压器的降压功能使用 ，即p L P 。由于在一次运行过程中， 蓄能器压力是不断变化 的， 所以为保证推进力控制在合理 的范围之内， q 在 推进过程 中也是一个变化的值。取蓄能器的工作压 力范围为 2 7 MP a 3 5 MP a ， 而负载压力最大值为 2 5 MP a ， 最小值为液压缸回退过程中无杆腔的压力 ， 根 据活塞面积比可算得最小负载压力为 l 2 ． 7 MP a 。于 是 可以估算 出变量泵 ／ 马达的排量调 节范 围 q 1 - - 0 ． 0 7 4～0 ． 6 3 7 q 。所选变量泵 ／ 马达参数如表 4所 示 ， 其排量大小可实现无级调节。 表 4变量泵玛 达参数 A、 C、 B、 D组 数值 最大排量 ／ m L ／ r 2 8 最高转速 ／ r ／ mi n 5 5 5 0 最低转速 ／ r ／ mi n 5 0 额定压力 P a 3 5 最高压力 ／ MP a 4 0 3 ． 3 蓄能器的选择 根据推进 系统参数 ，液压 缸活塞直 径 d 2 2 0 m m， 隧道管片宽度 L I 2 0 0 m m， 则可计算出对于单 个液压缸而言，其活塞杆在伸出时用于做功的液压 油液体积变化 V L d 2 L ／ 4 4 5 ．6 L 根据样本资料 ，取定量泵 ／ 马达和变量泵 ／ 马 达的容积效率为 9 5 ％。由于变量泵 ／ 马达 的排量 q 在运行过程 中随蓄能器压力的变化而变化 ，所 以在 设计中采用估算的方法确定 q t／ q 2 [3J ， 取其平均值为 0 ． 3 5 5 。因液压缸推进和回退时两个泵 ／ 马达的工况 不同， 在此分别加 以讨论计算。 图 3为两种工况下液 一 3 8一 1 推进 2 回退 图 3 两种模式下蓄能器容积计算说 明图 压系统能量流图， 图中以单液压缸作为执行器件 。 当盾构推进时， 变量泵 ／ 马达为泵工况， 定量泵 ／ 马达为马达工况。 假设推进系统的 4个分组共用 1 个蓄能器 ， 则流量关系为 Q ∑ Q 一 Q i 1 Q T i l Q k g 1 ／ q 2 2 Q “ Q z r l Q ． Q T ir l 则 Q Q t i／ r l Q “ r l q ／ q ， 等式两边 同乘以时间 ， 则 i 1 盾构推进 1 个管片宽度蓄能器需要提供的油液体积 为 1 0 4 0 ． 2 L 。 当推进液压缸回退时 ，变量泵 ／ 马达为马达工 况 ， 定量泵 ， 马达为泵工况 。 仍假设推进系统的 4 个 分组共用 1 个蓄能器。由于推进液压缸通常成对退 回从而留出拼装 1 片管片的空间 ，待该管片拼装完 成后再将其它无管片区域的液压缸成对缩回，如此 缩回、 拼装交替进行 ， 最后将管片拼满隧道圆周。因 此系统不会 出现全部退 回的工况 。以常见 的管片 “ 5 1 ” 分块形式来计算 ， 拼装 管片 时最多需 同时退 回6根液压缸。则流量关系为 Q Q 2 - Q 1 - Q Q Q F 3 Q 2 Q L r l Q T Q 叼 式 中 仇 指 3对液压缸 回退时无杆腔共 同排出 油液的流量 ， Q 指 3对液压缸回退时有杆腔共同吸 人的油液流量。则 Q Q L r l Q Lq ／ q 2 r l Q ， 等式两边同 乘以时间 ，则 3 对推进液压缸在回退 1 个管片宽度 时， 蓄能器回收的油液体积为 2 8 ． 8 L 。 在选择蓄能器 时 ， 只考虑推进时蓄能器供油工况 ， 不考虑回退时蓄 能器回油工况。 蓄能器在本系统中被用来提供压力油 ，但由于 盾构推进速度较慢 按最大速度计算推进 1 个管片 宽度所需时间为 1 5 m i n ， 蓄能器释放能量的速度较 慢， 可以认为蓄能器内气体在等温条件下工作， 等温 指数取 k l t ， 则有 p i n 。眦 p 。 n i 4 一一 A 5 式中 p 。 ，一蓄能器最低工作压力 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - 蓄能器最低工作压力时的气体体积； p 一 蓄 能 器 最 高 工 作 压 力 35 M Pa；P J 孽 。_ 一 蓄 能 器 最 高 工 作 压 力 时 的 气 体 体 积 ； 工 作 中 蓄 能 器 需 要 输 出 油 液 的 体 积 。 P 衄 A ， 羞 P Ⅲ x ＼ 2 T ， A n ，T、 P ＼ ＼ 一 ， ／ ／ 一 一 1一p 一 ⋯ 、 一 B ’ ＼ 取 蓄 能 器 充 气 过 程 为 等 温 过 程 ， 充 气 压 力 ～ 一， M p。 r o l l GT由n I ／ 一 ⋯T ，彳 里 I ， 一 一 1 1 父 T 雪 靠 j 1 1 个公称容积为 4 5 0 L的蓄能器 ， 这样的系统显 { 是不合理的， 因此选择 2个 4 5 0 L的蓄能器补油 ， 图4 推进系统能量转换原理图 } 从上述公式推导回去可知， 在盾构推进过程中 ， 蓄 i 器可以提供的油液体积为 1 8 3 L ，其余油液由补 系统流量发生变化， 功率曲线从 1 过渡到2 。 j 泵提供 。 与常规 阀控推进系统相 比翻 ， 液压变压器推进系 4 补油泵的选择 统节能效果很 明显 ， 可达 3 0 ％， 同时也 降低 了系统 由上述计算可知， 推进系统在向前推进时， 除蓄 的装机功率。 器提供外 ， 3 2个液压缸在 1 个行程内 1 2 0 0 m m 、 } 需补充的流量为 Q p V ／ t 1 0 4 0 ． 2 1 8 3 8 0 ／ 1 2 0 0 5 7 ． 2 L ／ m i n 通过理论计算和对比分析可知，采用蓄能器作 其中 t 为液压缸走完 1 个行程的最短时间。取 为辅助动力源 ，将液压变压器应用到盾构推进液压 、油泵的容积效率 7 ／ b 9 0 ％， 电机转速n l 5 0 0 r ／ m i n ， 系统中， 能使系统装机功率显著降低 ， 为液压推进系 J 补油泵的排量 统的节能开辟 了新途径 ， 具有工程应用潜力。 q p Q J r l b n 4 2 ． 3 mL ／ r ． 所选择的补油泵参数如表5 所示。 参 考 文 献 霾 8 表 5 补油泵参数 [ 1 ]欧阳小平， 徐兵 ， 杨华勇 液压变压器及其在液压系统 中的节能应用[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 3 4 1 0 0 1 0 4 ． 参 数 数 值 用 ∞⋯ J I I I_、 J L ⋯ J 杭州 浙江大字 ， 2 0 o 5 ‘ 额定排量 ／ mL ／ r 4 4 - 3 最高转速 ／ r ／ m i n 2 8 5 0 最 低转 速／ r ／ m in 5 0 【3 ] 刘 贺， 徐兵， 欧阳 小 平， 等 ．采用 液 压 变 压 器 原理 的 液 压l 额定压力 ／ MP a 3 5 电梯 能系统设计【 J 】 _ 液压与气动 ，2 0 0 3 1 0 1 9 2 1 ． ≯ 最高压力 ／ MPa 4 0 r 4 1苦 齐 林姜 绯 海旱 成 林 漓 蛮 乐 器 的 晤 硼 苴 存 一 【 4 J重 玄 朴 ， 蚕 继 母 ， 矢 盟 朴 ． 敝 也 嵛 J尿 埋 具 仕 一 5 电机的选择 次调节系统中的应用[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 1 1 1 3 0 3 2 ． 电机所需提供 的功率 P - p Q J r ／ 4 2 k W 式中 一 补油泵的总效率 ， 取 8 0 ％。 则可选取额定功率为 4 5 k W 的电机 。 4 能耗分析 从上述计算可看 出，液压变压器系统的节能之 处在于它理论上能够实现能量的无损转换 。对照图 4可以看 出， 从 A点到 B点或从 A 到 曰 点 ， 系统 工作状态发生变化但能量守恒。 由于补油泵的存在 ， 【 5 】章宏 甲， 黄谊． 液压传动【 M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 004 ． 通 信 地 址 浙 江 大 学 流 体 传 动 及 控 制 国家 重 点 实 验 室 3 1 0 0 2 7 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 3 1 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m