盾构刀盘驱动液压系统的实验研究

1引言

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)。

可见，盾构刀盘驱动所需功率大且功率变化范围宽。

2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，即

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。

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。

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。

5总结

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。

参考文献:
[1]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出社，2002.
[2]吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等.实用电液比例技术[M].杭州:浙江大学出版社，1993.9.
[3]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，2004(1).(end)