盾构液压核心元器件性能测试方法研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 1 。 0 1 7 盾构液压核心元器件性能测试方法研究 高会中， 王助锋， 冯欢欢 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 在全面分析液压系统核心元器件性能测试技术的基础上 ， 针对传统液压测试方法的不足 ， 依据液压系统元器件性能测试技术 的发展趋势 ， 并结合已有的成熟技术 ， 提出了一种盾构液压系统核心元器件性能测试方法。并以盾构常用比例控制泵和比例阀等为 例 ， 进行了详细说明， 能够为盾构的液压系统核心元器件产品设计、 故障预防及诊断提供指导。 关键词 盾构 ； 液压系统 ； 液压元器件 ； 虚拟仪器 ； 性能测试 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 1 卜0 0 5 7 - 0 4 S t u d y o n t h e Pe r f o r ma nc e M e a s u r i n g M e t h o d s of Co r e Co mpo ne n t s f o r S hi e l d M a c h i n e Hy d r a u l i c S ys t e m G A OHu i - z h o n g， W A NGZ h u -f e n g ， F E NGHu a n h u a n S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S h e i 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 ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f the h y dra u l i c c o r e c o mp o n e n t s p e r f o r ma n c e t e s t i n g t e c h n o l o g y ,a n e w t e s t i n g me tho d wa s p r o p o s e d t o o v e r c o me t h e s h o r t a g e o f t r a d i t i o n a l h y dra u l i c t e s t i n g me tho d s ，a c c o r d ing t o t h e d e v e l o p me n t tr e n d o f h y d r a u l i c t e s t i n g t e c hn o l o gy an d c o mb i n e d wi th the e x i s t ing ma t u r e t e c hn o l o g i e s ． T h e t e s t i n g me tho d s f o r p r o p o r t i o n a l c o n tr o l p u mp s an d v a l v e s o f s h i e l d ma c h i n e we r e d e s c r i b e d i n d e t a i l ， h o p i n g p r o v i d e g u i d a n c e for the c o r e c o mp o n e n t s d e s i g n ， f a u l t p r e v e n t i o n an d d i a g n o s i s o f s h i e l d h y dra u l i c s ys t e m ． K e y wo r d s s h i e l d ma c h i n e ； h y dra u l i c s y s t e m ； h y dr a u l i c c o mp o n e n t s ； v i r t u a l i n s t r u m e n t ； p e r f o rm an c e t e s t O 引言 盾构是一种现代化的大型隧道施工专用机械 ， 液 压系统是盾构的动力源和执行机构 ， 起着动力传递和 运动控制的重要作用。盾构液压系统是由众多元器件 组成的， 具有负载多变、 控制精度和可靠性要求高及环 境恶劣等特点n ～ 。一旦液压系统核心元器件出现故障 就会导致盾构停机检修 ， 给施工生产带来重大损失。 因此如何准确获得液压系统核心元器件控制性能 ， 对 基金项 目 国家 9 7 3 计划 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 8 ； 中铁隧道集团科技创新计划 隧研合 2 0 1 2 ～ 0 5 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 6 作者简介 高会中 1 9 8 8 一 ， 男， 河南新乡人 ， 助理工程师 ， 本科， 主要从 事盾构掘进技术研究工作。 于盾构液压控制系统选型设计、 预防或及时排除故障 等都具有重要意义。本文将针对盾构液压系统特点， 对其主要液压元器件的常见故障现象、 静动态特性指 标进行分析， 并设计了一种液压元器件测试系统， 能够 为类似盾构液压元器件的性能测试提供参考。 l 液压元器件性能测试技术 1 ． 1 测试技术现状 目前计算机辅助测试 C A T 技术已经普遍应用于 液压元件眭能测试， 但是传统的液压C A T IJ 试系统存在 着结构复杂、 故障率高、 维护难度大等一系列缺点嘲 。随 着仪器技术与计算机技术的深层次结合 ， 基于虚拟仪 器测试技术成为液压计算机辅助测试技术发展的新方 向。虚拟仪器测试技术的基本思想是通过应用软件将 2 0l 2一O 7一O4． 【 2 ] 王鸿云． 木片打包机设计及木片压缩应力松弛研究[ D 】 ． 哈 尔滨 东北林业大学， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 赵洪刚． 木片打包机的模具及压实理论的研究[ D ] ． 哈尔滨 东北林业大学， 2 0 0 2 ． [ 4 】 于建国， 王鸿云， 赵振伟， 等． 木片压缩 自动打包机的设计与 研究[ J ] ．林业机械与木工设备， 2 0 1 3 ， 6 9 - 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一 液 叫 压力传感器 信 莞 叫 流 最 传 感 器 一 号 数 虑 器 调 据 工拟 - 1 输入电流采集 一 理 采 ／ L _ J 、 控仪 装 集 ＼ r - 1 ／ 机器 羹 叫 转 速 传 感 器 置 卡 s 著 警 - 1 扭 矩 传 感 器}_一 比例放大器 卜 一 I ． ．＆ I l 一 图 3 基于虚 拟仪器技术的液压测试系统框 图 2 核心元器件性能测试方法 盾构液压系统核心元器件主要包括 电液 比例控制 泵、 比例溢流阀、 比例调速阀、 比例方向阀等， 它们性能 的好坏直接影响到盾构液压系统的控制特性， 下文将 基于虚拟仪器液压测试系统 ， 并结合实际盾构液压系 统 ， 对各液压核心元器件在盾构液压系统 中的应用状 况以及性能特性测试方法进行详细分析。 2 ． 1 电液 比例控制泵 电液 比例控制泵在盾构推进系统 、 刀盘 液压驱动 系统、 螺旋输送机系统及管片拼装机系统中都是不可 或缺的动力元件 ， 其驱动功率大、 变化范围宽等特点， 能很好满足液压系统执行机构连续调节的需求。深圳 某地铁海瑞克盾构刀盘驱动系统由三台大功率电液比 例轴向变量柱塞泵和八个斜轴式变量柱塞马达等构成 泵控马达驱动系统 。在一次盾构掘进时 ， 刀盘液压泵 突然出现故障无法重新启动 ， 且补油泵压力达不到设 计要求的最低补油压力 ， 后经将刀盘泵拆检， 发现泵内 部结构严重损坏、 滑靴失效、 回程盘断裂 。由此可见 电 液比例泵的性能优劣直接关系到盾构的可靠性 ， 一旦 比例泵出现故障就会导致盾构相关执行机构失灵 ， 降 低盾构施工效率和安全性能， 因此需要对其性能进行 测试以保证其具有 良好的品质。图4 为基于虚拟仪器 液压测试台的电液比例泵性能测试回路图。 电液比例泵主要性能参数为压力脉动值、 流量与 压力特性、 容积效率与压力特性 、 总效率与压力特性 等， 通常可用压力一 流量 p - Q 特性、 压力一 电流 p - b 滞回特性以及流量一 电流 Q - I 滞 回特性来表示 ， 可 通过以下测试方法获得其性能指标 1 压力一 流量特性测试 通过分别改变 图 5中比 例溢流阀2 和比例节流阀5 的比例放大板上的电压值 ， 得到某一状态下压力 流量 的坐标 ， 记录所有设定状态 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 01 4 1 一 安 全闽2 、 7 一 比例溢流 阀3 一 负载敏感 阀4 一 压力限制器 5 一 比例节流阀 6 一 被试 比例泵 8 一 压力传感器 9 一 流量计 图4 电液比例泵测试回路示意图 下压力流量的值 ， 用最小二乘法拟合后 ， 即可得压力一 流量特性曲线 ； 2 压力滞回特性测试 将加载溢流阀7 全部关闭， 比例溢流阀2 完全打开后， 虚拟仪器中的信号源产生某 一 频率的三角波信号， 使比例溢流阀2 的阀口逐步打开 后再 逐步关闭 ， 这时泵出 口压力也 随着逐渐增 大继而 逐渐减小。采集泵的出口压力值和通过比例溢流阀上 电磁铁的电流值 ， 即可绘制出压力滞回曲线 ； 3 流量滞回特性测试 在负载溢流阀7 完全打开， 比例溢流阀2 设定的压力略大于额定压力但低于安全 阀压力 的情况下 ， 虚拟仪器 中另一信号源产生某一 固 定频率三角波信号， 使比例节流阀5 的阀口逐渐打开又 逐渐关闭， 通过计算可知泵出口流量和通过比例节流 阀电磁铁两端的电流， 从而绘出流量滞回曲线。 2 ． 2 比例溢流阀 比例溢流阀是盾构液压系统必不可少的压力控制 元件， 起着限压、 保压、 稳压及远控调压的重要作用 。 在推进系统 中， 比例溢流阀用于调节液压缸的推进压 力 ， 与传感器实时检测的压力构成压力闭环反馈控制， 从而实时控制推进压力 。某型盾构在掘进过程中， 推 进液压缸突然不能正常推进 ， 经检查后发现电液比例 溢流阀阀芯卡死在开 口位置 ， 造成比例溢流阀开启值 小于设定开启值 ， 进而导致液压缸控制阀组油压大于 比例溢流阀实际开启值 ， 油泵输出的部分压力油通过 溢流阀流回油箱 ， 导致压力油与回油路出现短接， 从而 使推进液压缸控制阀组油压降低， 以致无法建立起液 压缸正常工作所需压力 ， 最终造成推进液压缸不动作， 严重影响了施工进度。针对 比例溢流阀特点， 设计基 于虚拟仪器的电液比例溢流阀测试回路如图5 所示。 比例溢流阀的压力一 电流特性、 压力一 流量特性， 具 体测试方法如下 l 一 变量泵2 一 溢流阅3 一 电磁 阀4 一比例调速 阀5 一 蓄能器 6 一 被试比例溢流阀7 ． 8 一 压力传感器9 一 节流截止阀 1 0 一 流量传感器1 1 、 1 2 一 截止阀1 3 一 压力表 图5 电液比例溢流阀液压回路图 1 压力一 电流特性测试 ①打开节流截止阀9 、 1 1 ， 关闭截止阀1 2 、 电磁阀3 ； ②调节变量泵 1 输出流量为 2 0 L ／ m in ； ③调节溢流阀2 压力为 1 5 M P a ； ④向比例调速 阀4 输入一定幅值电信号， 使流过被试比例溢流阀6 的流 量为5 L ／ m i n ； ⑤给定被试比例溢流阀6 频率为0 ．0 1 H z 三 角波电流控制信号， 其在起始电流和额定电流之间循环 变化； ⑥实验结束后整理数据即可得到压力一 电流特眭。 2 压力一 流量特性测试 ① 一 ③与前面相同； ④向 被试 比例溢流阀输入3 0 ％一1 0 0 ％的某个电流控制信 号 ； ⑤通过调节通过调速阀 4的流量 ， 使通过被试 阀 6 的流量在最小初始流量与额定流量5 L ／ mi n 之间循环变 化； ⑥实验结束后整理数据即可得到压力一 流量特性。 2 ． 3 比例调速阀 比例调速阀是盾构液压控制系统重要的流量控制 元件 ， 多用于执行元件负载变化大， 而且对运动速度稳 定性要求又高的工作场合。在盾构推进液压系统中采 用电液 比例调速阀来调节进入系统的流量， 与安装在 液压缸内的内置式位移传感器检测到的位移构成速度 闭环反馈控制， 达到实时控制推进速度阍 ， 有效避免了 推进液压缸在工作过程中由于加速或减速引起的冲 击 ， 提高了盾构推进系统的性能和效率。某型盾构在 施工过程中， 发现其中一组液压缸与其他组液压缸不 同步， 经检测发现， 该组比例调速阀中的减压阀卡死于 打开位置， 导致通过节流阀的流量下降， 经更换该比例 调速阀， 系统恢复正常。为避免此类事故多次发生， 需 要对 比例调速阀进行测试 ， 以检验其是否符合使用标 准。图6 为基于虚拟仪器液压测试台的电液比例调速 阀测试回路图。 1 一 液压泵2 一 溢流阀3 一 温度计4 一 压力传感器5 一 压力表 6 一 被测比例调速阀 7 ． 9 一 节流阀8 - 陕 速切换阀1 O 一 流量计 图6 电液比例调速阀测试回路 5 9 液 压 气 动 与 霜≯ ；J “ ／20 1 4年 第 1 1 期 电液比例调速阀的稳态控制特性 、 稳态负载特性 及流量损失特性测试方法如下 1 稳态控制特性测试 关 闭阀 8 ， 节 流 阀7 全开 ， 调节溢流阀2 ， 使被试比例调速阀6 的进 口压力为额定 压力， 计算机的输出电压每分钟变化一次， 通过被试比 例方向阀6 的流量也做相应的变化， 实验结束后对数据 进行分析处理， 即可得到输出流量口 与电流信号关系的 曲线， 此曲线即是比例调速阀的稳态控制特性曲线； 2 稳态负载特性测试 关 闭阀 8 ， 节流 阀7 全开 ， 给定一组不变的电压信号 ， 使通过被试 比例调速阀的 流量为对于电压信号的流量， 调节溢流阀2 使进口压力 从 0 至额定压力值之间变化， 实验结束后， 保存实验数 据、 输出流量g 与压差△ p 关系的曲线 ， 此曲线即是稳态 负载特性曲线 ； 3 流量损失特性 测试 关 闭阀 8 ， 节流 阀7 全开 ， 给被试 比例调速阀6 输入一最大控制电流信号， 立即使 电流信号为O ， 使被试比例调速阀6 处于全闭位置 ， 再 调节溢流阀2 使被试阀6 进口压力为额定压力 ， 实验结 束后保存实验数据和实验曲线。 2 ． 4 比例方向阀 电液比例方向阀是构成盾构电液控制系统的关键 元件 ， 它可以按输入信号的极性和幅值大小， 同时对液 流方向和流量大小进行调节 ， 从 而实现对执行元件运 动方向和速度的控制 ， 是具有方向控制功能和流量控 制功能的双参数复合控制阀。管片拼装液压系统中一 般采用多路比例方向阀分别控制管片拼装机的左右伸 缩 、 水平移动和垂直回转各液压缸的双向运动嘲 ， 较好 地保证了管片拼装机的工作速度连续可调、 电控信号 与液压缸的运动速度对应成比例， 操作简便、 准确。某 型盾构施工过程中， 管片拼装机做周向回转运动时出 现卡顿、 抖动等现象， 连接管路也剧烈抖动， 观察泵出 口压力表 ， 发现压力显示大范围的波动。经故障检测 发现 ， 有杂质进入比例方向阀， 引起节流孔堵塞 ， 致使 控制压力不平稳从而造成了振动。通过清理电液比例 方向阀， 重新调整节流孔 ， 故障得以解决。类似事故会 给施工生产带来 巨大损失 ， 为此要对 比例方 向阀进行 性能测试。图7 为基于虚拟仪器液压测试台的电液比 例方向阀测试回路示意图。 电液比例方向阀的稳态流量特性、 流量压降特性 及负载流量特性测试方法如下 1 稳态流量特性 测试时将图8 中被试比例方向 阀6 的A 、 B 出口处的方向阀关闭， 逐步改变被试方向阀 比例电磁铁的控制电流在正负最大值之间完整循环， 被试阀A 、 B口输出流量也随之改变， 测试软件输出流 6 0 量与控制电流之间的关系， 即为比例方向阀的稳态流 量特性 ； 1 一 液压泵电机组2 一 比例溢流 阀3 一 截止阀4 一 压力传感器 5 一 压力表6 一 被试比例方向阀 7 一 电磁换向阀8 一 流量计 图7 液压 测试试验 台原 理图 2 流量压 降特性 给被试 比例方 向阀6 输入最大 控制电流时， 逐步增大图8 中比例溢流阀4 比例电磁铁 的控制电流使供油压力逐步增大， 这时通过被试阀的 流量和压 降随之变化 ， 通过采集流量与压降信号可得 到流量压降特性曲线； 3 负载流量特性 当供油压力为定值时 ， 不同阀 开口情况下 ， 逐步改变输入图8 中比例溢流阀4 的比例 电磁铁 电流 ， 相 当于逐步加载 ， 则 比例方向阀6 负载流 量也随之变化 ， 可得一簇负载流量随负载压差变化的 曲线 。 3 结语 利用基于虚拟仪器的液压元器件性能测试系统对 盾构所用液压核心元器件进行性能测试 ， 不仅能获得 比例控制泵、 比例调速阀及比例溢流阀等的性能曲线， 对盾构液压元器件选型设计提供指导， 更能为盾构施 工过程中所出现的液压系统或元器件故障提供可靠的 技术诊断手段和平台支撑 。 参考文献 【 1 】 杨华勇， 龚国芳． 盾构掘进机及其液压技术的应用[ J ] ． 液压 气动与密封， 2 0 0 4 ， 1 2 7 2 9 ． [ 2 】 胡国良， 龚国芳， 杨华勇， 等． 盾构掘进机模拟试验台液压系 统集成及试验分析[ J 1 ． 农业机械学报， 2 0 0 5 ， 3 6 1 2 1 0 2 1 0 5 ． [ 3 ] 黄琳． 基于虚拟仪器的液压试验台C A T系统设计[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 6 ． [ 4 】 贾要伟。 海瑞克盾构刀盘驱动液压系统故障分析及处理[ J ] _ 隧道建设， 2 0 1 0 ， 3 3 2 4 3 2 6 ． 【 5 】 雷天觉， 杨尔庄， 李寿刚． 新编液压工程手册[ M】 ． 北京 北京 理工大学出版社， 1 9 9 9 3 - 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