盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)閥塊試驗(yàn)臺(tái)

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摘要:介紹了盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)分區(qū)工作原理,設(shè)計(jì)了推進(jìn)液壓系統(tǒng)閥塊試驗(yàn)臺(tái),詳細(xì)闡述了其測(cè)試原理和測(cè)試方法。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中的主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,并對(duì)其主要元器件進(jìn)行了選型。測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)表明所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)可滿足推進(jìn)液壓系統(tǒng)集成閥塊功能的檢測(cè);同時(shí)也表明所設(shè)計(jì)的集成閥塊是可靠的,能成功應(yīng)用于推進(jìn)液壓系統(tǒng)中,滿足現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工的要求。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)集成閥塊試驗(yàn)臺(tái)

  盾構(gòu)機(jī)是集多學(xué)科技術(shù)于一體的專(zhuān)用于地下隧道開(kāi)挖的大型工程裝備。它具有開(kāi)挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、安全性高、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1、2]。   推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)任務(wù),要求完成盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運(yùn)動(dòng),使得盾構(gòu)機(jī)能沿著事先設(shè)定好的路線前進(jìn),是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)?？紤]到盾構(gòu)機(jī)具有功率大、變負(fù)載和動(dòng)力遠(yuǎn)距離傳遞及控制等特點(diǎn),其推進(jìn)系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞、分配及控制[3]。   由于盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣,并且工作空間有限,要求控制系統(tǒng)閥塊均采用集成技術(shù),并要具有高的可靠性。本文主要對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)閥塊試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行介紹,為推進(jìn)系統(tǒng)閥塊的性能檢測(cè)提供一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。   1推進(jìn)液壓系統(tǒng)閥塊試驗(yàn)臺(tái)原理設(shè)計(jì)   為了對(duì)設(shè)計(jì)的推進(jìn)系統(tǒng)閥塊進(jìn)行性能測(cè)試,根據(jù)閥塊的測(cè)試要求設(shè)計(jì)了1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的測(cè)試:1)閥塊密封性能測(cè)試;2)比例壓力閥調(diào)壓性能測(cè)試;3)比例流量閥調(diào)速性能測(cè)試;4)液控單向閥保壓性能測(cè)試;5)插裝閥控制測(cè)試。圖1為所設(shè)計(jì)的推進(jìn)系統(tǒng)閥塊試驗(yàn)臺(tái)原理圖。圖中序號(hào)12～22所示為被測(cè)試的推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊原理圖。推進(jìn)液壓系統(tǒng)采用帶電比例溢流閥的恒壓變量泵作為動(dòng)力源,向4個(gè)分區(qū)同時(shí)供油,由于采用了分區(qū)控制,4個(gè)分區(qū)只是在盾構(gòu)截面的分布位置不同,其控制方式和工作原理則完全相同[4]。如圖所示,比例溢流閥14調(diào)節(jié)液壓缸推進(jìn)壓力,與壓力傳感器檢測(cè)的壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制,實(shí)時(shí)控制推進(jìn)壓力;比例調(diào)速閥22調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量,與安裝在液壓缸內(nèi)的內(nèi)置式位移傳感器檢測(cè)到的位移構(gòu)成速度閉環(huán)反饋控制,實(shí)時(shí)控制推進(jìn)速度。插裝閥12和二位三通電磁換向閥13可短路比例調(diào)速閥22,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓缸的快速運(yùn)動(dòng),從而減少液壓油進(jìn)入液壓缸的沿程壓力損失。插裝閥21和二位三通電磁換向閥15則用來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓缸快速回退,減小液壓油回程阻力。三位四通電磁換向閥20用來(lái)完成工作狀態(tài)的切換,可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓缸的前進(jìn)、后退和停止?fàn)顟B(tài)。溢流閥18用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)載保護(hù),推進(jìn)瞬間液壓缸進(jìn)油口會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)載,此時(shí)溢流閥18立即開(kāi)啟形成短路,進(jìn)、回油路自循環(huán),使過(guò)載油路得到緩沖。二位二通電磁換向閥17用來(lái)實(shí)現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)液壓缸卸載檢修,可減小卸載中的壓力沖擊。二位二通電磁換向閥17前的阻尼孔可防止二位二通電磁換向閥17卸載時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊。插裝閥12、21前的阻尼孔用來(lái)調(diào)節(jié)插裝閥的開(kāi)啟速度,改變插裝閥的靜動(dòng)態(tài)特性和減小液壓沖擊。阻尼孔直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般取0.8～2.5mm。   根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊的工作原理,試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試原理及測(cè)試方法如下:   ⑴首先,給測(cè)試閥塊加壓,檢驗(yàn)閥塊密封性能,同時(shí)檢驗(yàn)閥塊回路是否暢通。   ⑵二位四通閥7調(diào)置為左位,三位四通閥20置于左位,比例調(diào)速閥22置于最大開(kāi)口,節(jié)流閥11置于某一開(kāi)口,啟動(dòng)液壓泵,調(diào)節(jié)比例溢流閥14,通過(guò)壓力表讀數(shù)可以檢驗(yàn)閥塊比例溢流閥調(diào)節(jié)功能是否正常。   ⑶二位四通換向閥7調(diào)置為左位,三位四通換向閥20置于左位,比例溢流閥置于最大值,加載節(jié)流閥11置于最大開(kāi)口,啟動(dòng)液壓泵,調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥22,通過(guò)壓力表讀數(shù)可以檢驗(yàn)閥塊比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)功能是否正常。   ⑷二位四通換向閥7調(diào)置為右位,啟動(dòng)液壓泵,關(guān)閉比例調(diào)速閥22,關(guān)閉加載節(jié)流閥11,給閥塊加壓到一某值,關(guān)閉液壓泵,可以檢測(cè)液控單向閥16和插裝閥21的保壓性能。打開(kāi)加載節(jié)流閥11,可以同時(shí)檢測(cè)三位四通換向閥20的密閉性。調(diào)節(jié)溢流閥18,可以檢測(cè)溢流閥18的過(guò)載卸荷能力。給二位二通換向閥17上電,檢測(cè)是否有壓力沖擊聲音,從而選擇合適的阻尼孔,減小壓力沖擊。   ⑸二位四通換向閥7調(diào)置為左位,三位四通換向閥20置于右位,比例溢流閥14置于最大壓力,比例調(diào)速閥22和加載節(jié)流閥11置于某一開(kāi)口,啟動(dòng)液壓泵,給二位三通換向閥13和15通斷電,通過(guò)壓力表讀數(shù)可以檢驗(yàn)閥塊插裝閥通斷功能是否正常。   2測(cè)試系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算   根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)要求,測(cè)試系統(tǒng)壓力應(yīng)大于或等于推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力。推進(jìn)系統(tǒng)最大工作壓力為21.5MPa,那么測(cè)試系統(tǒng)壓力可取22MPa。   2.1系統(tǒng)流量的確定   推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行元件液壓缸的尺寸為Φ200/Φ160×1900mm,系統(tǒng)要求每區(qū)液壓缸回退時(shí)的最大速度v為1.4m/min,其中下位區(qū)有10個(gè)液壓缸,回退時(shí)所需流量為上位區(qū)有6個(gè)液壓缸,其回退所需流量為95L/min,左、右區(qū)各有8個(gè)液壓缸,其回退所需流量為126.6L/min。   本測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊壓力控制性能進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,流量控制性能可以模擬上位區(qū)即6個(gè)推進(jìn)液壓缸流量控制性能研究,因此系統(tǒng)流量確定為95L/min。   2.2主驅(qū)動(dòng)泵的參數(shù)計(jì)算及選型   根據(jù)計(jì)算出的流量和系統(tǒng)壓力選取主驅(qū)動(dòng)液壓泵。選擇時(shí),泵的額定流量應(yīng)與計(jì)算所需流量相當(dāng),不要超過(guò)太多。但泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高出25%或更高些。根據(jù)泵流量公式得出泵的排量為式中:Vg——液壓泵理論排量(mL/r)   q1——系統(tǒng)需要流量(L/min),q1=95L/min   n——電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),n=1500r/min   ηv——液壓泵容積效率,ηv=0.9   根據(jù)計(jì)算,液壓泵選取德國(guó)Rexroth產(chǎn)品,型號(hào)為A10VO71DR。該泵為變量泵,應(yīng)用于開(kāi)式系統(tǒng)。其額定壓力為28MPa,峰值壓力為35MPa,理論排量為71mL/r,可滿足系統(tǒng)工作要求。   2.3電機(jī)功率計(jì)算及選型   根據(jù)公式得電機(jī)功率為式中:N——所需電機(jī)功率(kW)   qp——泵的額定流量(L/min)   Vg——泵的排量(mL/r),Vg=71mL/r   n——電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),n=1500r/min   ηm——泵的機(jī)械效率,ηm=0.9   ηv——泵的容積效率,ηv=0.9   △p——系統(tǒng)壓力差(MPa),△p=22MPa   根據(jù)計(jì)算,選取ABB公司的Y2-250M-4-B35型電機(jī),其功率為55kW,滿足系統(tǒng)要求。2.4油箱設(shè)計(jì)   油箱采用開(kāi)式油箱,箱內(nèi)液面與大氣相通,在油箱頂部設(shè)置空氣濾清器,并兼作注油口用。油箱有效容積一般為泵每分鐘流量的3～7倍,泵的每分鐘的流量為油箱有效容積應(yīng)為95.8×7=670.6L,按有效容積為80%計(jì)算油箱的總?cè)莘e為840L?？沙醪蕉ㄓ拖淙叺某叽鐬?000mm×1000mm×850mm。   2.5輔助元件計(jì)算選型   過(guò)濾器是液壓系統(tǒng)中的重要元件。它可以消除液壓油中的污染物,保持油液清潔度,確保系統(tǒng)元件工作的可靠性。根據(jù)其要求,系統(tǒng)壓力管路過(guò)濾器選用溫州黎明公司的ZU-H250×10DFP。   根據(jù)油箱的有效容積為670.6L和系統(tǒng)最大流量95L/min,選用黎明公司的濾清器EF7-100。其加油流量為110L/min,空氣流量為1055L/min。按照吸油管路流速v為0.5～1.5m/s,確定吸油管路內(nèi)徑:取標(biāo)準(zhǔn)軟管通徑內(nèi)徑Ф50mm,可滿足要求。   按照液壓油管路流速v為4～7m/s,確定液壓油管路內(nèi)徑:取標(biāo)準(zhǔn)軟管通徑Ф19mm,可滿足要求。   3泵站及試驗(yàn)臺(tái)三維設(shè)計(jì)及實(shí)物圖   為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,以及試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)各部件整體組裝的結(jié)構(gòu)緊湊性和密封性,采用了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Pro/E建立的三維實(shí)體,能夠完全再現(xiàn)各個(gè)實(shí)物零件的真實(shí)特征,從而方便、直觀地進(jìn)行實(shí)體虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)分析。通過(guò)觀察裝配體的各個(gè)部位,檢查設(shè)計(jì)的正確性、合理性和準(zhǔn)確性,使各種問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段就被發(fā)現(xiàn)解決,提高了設(shè)計(jì)效率[5]。圖2為采用Pro/E設(shè)計(jì)的系統(tǒng)泵站及試驗(yàn)臺(tái)三維布置圖。圖3為所要測(cè)試的推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊圖,圖4為推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊試驗(yàn)臺(tái)。4調(diào)試結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)   通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上調(diào)試發(fā)現(xiàn),集成閥塊和各個(gè)元件之間的密封性能好,回路也暢通,可長(zhǎng)時(shí)間在系統(tǒng)工作壓力22MPa下工作,并可承受最大峰值壓力35MPa,滿足系統(tǒng)密封性能要求。調(diào)節(jié)比例閥的放大板電流,比例調(diào)速閥和比例溢流閥可在標(biāo)定范圍內(nèi)0～100%無(wú)級(jí)調(diào)速,也能滿足系統(tǒng)工作要求。同時(shí)插裝閥的通斷功能、溢流閥的過(guò)載卸荷能力以及換向閥的壓力沖擊均符合設(shè)計(jì)要求。   把所設(shè)計(jì)的推進(jìn)系統(tǒng)集成閥塊安裝在盾構(gòu)機(jī)上,在現(xiàn)場(chǎng)施工中進(jìn)行實(shí)際推進(jìn)。圖5為盾構(gòu)機(jī)4個(gè)分區(qū)的推進(jìn)壓力曲線圖,從圖中可以看出,4個(gè)分區(qū)的推進(jìn)壓力趨勢(shì)都比較平穩(wěn),其中A組和C組壓力相接近,B組壓力最小,D組壓力最大,這主要是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)4個(gè)分組的布置以及上下土層土壓力和水壓力的不同導(dǎo)致的。   圖6為推進(jìn)系統(tǒng)4個(gè)分區(qū)的推進(jìn)位移曲線,從圖中可以看出,4個(gè)分區(qū)的位移曲線跟隨性比較好,這也保證了盾構(gòu)機(jī)的同步推進(jìn),避免超挖和欠挖。5結(jié)束語(yǔ)   測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)能用于檢測(cè)推進(jìn)液壓系統(tǒng)集成閥塊的各種功能?，F(xiàn)場(chǎng)施工證明所設(shè)計(jì)的推進(jìn)系統(tǒng)閥塊是可靠的,能成功應(yīng)用于推進(jìn)液壓系統(tǒng)中,滿足實(shí)際盾構(gòu)施工的要求。   參考文獻(xiàn)   [1]楊華勇,龔國(guó)芳.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及其液壓技術(shù)的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2004(1):27-29.   [2]錢(qián)七虎,李朝甫,傅德明.全斷面掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)地下工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J].建筑機(jī)械,2002(5):28-35.   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