盾构刀盘驱动液压系统的电液控制设计

盾构刀盘驱动液压系统的电液控制设计

刀盘驱动系统的重组和小排量泵组合设刀盘系统是结构的重要组成部分。主要功能包括：开挖功能、稳定功能、搅拌功能。由于掘进断面土质状况变化很大(包括硬岩、砂砾、软土及各种混合土质等等),掘进深度不同,所需的切削力矩及转速有较大的区别,所需的刀盘驱动功率大且变化范围广。可见,刀盘系统的工况非常复杂。目前,刀盘驱动液压系统常采用大排量泵控制多台马达的方式,一旦泵出现故障,盾构停工检修将带来很大的经济损失。因此,采用系统重组技术,用小排量泵组合代替大排量泵,将容错控制思想应用于液压器件和子系统以维持系统正常运行,是非常有意义的。另外,从成本与维护的角度看,选用小排量泵更适合中国国情。1压力和强度系统由2台排量为250mL/r和2台排量为750mL/r的双向变量泵驱动8台500mL/r的变量马达,实现了主刀盘的正、反转与停止,满足软、硬岩等不同地质工况的负载要求。1.1马达变量控制回路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。系统中HD3控制型变量马达驱动刀盘转动,通过减压阀调节马达排量的控制压力值px,实现马达排量qm的变化,qm与控制压力px成反比例线性变化,变量控制曲线如图1所示。系统中HD控制型双向变量泵,通过远程电液比例溢流阀调节泵排量qp,电液比例溢流阀的压力设定范围为0～4.5MPa,对应泵排量qpmin～qpmax,实现双向变量控制,变量控制曲线如图2所示。在掘进过程中要求刀盘转速实时连续可调,本系统主要通过调节泵的排量来实现,即通过调节远程电液比例溢流阀的压力实现,马达调速仅起补偿作用。在正常工况下,马达可视为定量马达,不作变量用。为了满足软岩和硬岩的不同要求,将马达设定为两挡排量。在软岩工况,采用低速大扭矩方案;在硬岩工况,采用高速小扭矩方案。马达变量控制回路采用开关控制,如图3所示。软岩时,换向阀断电,控制马达排量变化的先导控制油直接回油箱,马达排量处于最大,实现刀盘低速转动;在硬岩时,换向阀通电,控制马达排量变化的先导控制压力油通过减压阀调定,使马达排量处于设定值(大约0.5qmmax),实现刀盘的高速转动。1.2刀盘主驱动泵模块通过改变泵变量机构的工作象限实现泵的进出油口切换,从而实现刀盘的方向控制,刀盘主驱动泵模块如图4所示。油泵控制模块中的三位四通电磁换向阀控制先导控制油的导入方向,实现泵的变量机构工作象限的切换,从而控制刀盘的转动方向。1.3功率控制模块功率限定控制由功率控制模块完成,如图5所示。刀盘驱动系统的负载压力反馈到功率控制模块,当反馈压力低于功率限定所要求的压力时(此压力随泵的工作点而变化),功率控制模块不起作用;当反馈压力高于功率限定所要求的压力时,功率控制模块将迫使泵变量控制压力降低,使泵的流量减少,刀盘转速降低,限定系统功率在设定值。超压控制是当负载压力超过系统设定的安全压力值时,系统将在安全模式下运行,系统的安全压力根据正常工况和脱困工况,分别设定为25MPa、30MPa,并通过手动换向阀来选择。系统安全模式是指刀盘驱动泵在给定的小流量下工作(此工况下的系统驱动功率小于泵功率模块的功率限定值),系统的最终压力保护将由泵出口的安全阀设定。1.4缓冲制动装置刀盘制动控制模块如图6所示。刀盘驱动系统制动回路的换向阀,在停机和掉电时处于复位位置,以满足在停机工况可靠制动的要求。制动过程压力油必须经过ue001φ1mm的阻尼孔流回油箱,使制动器刹车片延时抱闸,实现缓冲制动,避免制动冲击;同时制动回路蓄能器的能量释放将进一步延长制动时间,提高缓冲效果。松开制动的过程控制是由制动回路的节流阀和蓄能器联合作用来实现平稳无冲击要求的。在松开制动动作完成后,制动控制油路的压力将升高,使制动压力继电器动作,为刀盘驱动系统加载提供触发信号。另外,制动回路减压阀还有限定制动压力和调节制动缓冲的作用。1.5泵马达壳体冲洗流量控制闭式液压系统回路效率高,噪声低,但必须解决系统的散热问题。液压系统设计功率N=945kW;液压系统总效率η=70%;发热功率Nh=945×30%=283.5kW。换油回路需要满足的条件:据热平衡计算,刀盘驱动系统的换油流量应大于550L/min。由于液压泵单泵的换油流量限定在200L/min,故必须考虑3个泵换油的分流问题。而换油是通过系统补油实现,故必须考虑泵补油要求,补油压力大于1.6MPa。补油系统采用螺杆泵输送的油源,分别在每个泵的换油路上加装阻尼的方案,实现换油分流和换油量的控制;而在其中一个泵的换油路上加装溢流阀,实现补油压力的控制。螺杆泵自带溢流阀,在本系统中起安全作用。其原理参考等效阻尼网络图(见图7)。壳体冲洗流量的作用为冷却泵马达的壳体,以限定泵马达的壳体温度。保持泵马达轴端有合适的压力,确保轴端密封。泵马达壳体冲洗流量的控制由阻尼孔的参数和换油泵的工作压力来保证;泵马达的壳体压力由壳体冲洗流量的大小和系统泄油管路的设计、布置来保证。1.6马达进回油口的补油单向阀设计8个液压马达并联工作,考虑到大减速器的加工误差因素,且安装高度有别,在机械同步的影响下,必然存在每个马达动态流量的微观不均匀性,且供油管路较长,管路动态流量的响应较差,系统设计必须考虑马达进回油管路的补油问题,以防汽蚀现象和油击现象的发生,从而减少系统的振动。通过马达进回油口的补油单向阀来解决。由于马达进回油口的压油管路的补油是取自换油泵,这将引起换油压力的波动,产生一系列不利的影响,所以在换油路上又增设两个蓄能器,来吸收换油回路的压力脉动。2辅助泵的工作原理通过试验验证小排量泵的重组技术,以及电液比例控制技术。2台排量750mL/r的双向变量泵为主泵,试验时始终开启;2台排量250mL/r的变量泵作为辅助泵,通过分别开启一个辅助泵或同时开启两个辅助泵验证驱动系统加入小排量泵后的工作情况,即系统重组后的工作情况,同时也反映单个泵的损坏对整个系统的影响。电控系统采用PLC控制器,通过彩色触摸屏进行控制,与主机系统联机,并与主机同时工作。系统数字显示液压系统泵A口和B口工作压力,泵的输出流量从0～100%。为了便于说明,将试验中的两个辅助小排量泵称为1号和2号泵。试验前,两泵的出口球阀均关闭。2.1刀盘推进转速与系统压力打开前端球阀,打开1号泵的出口球阀,启动1号泵。此时压力表显示2.6MPa左右,是辅助泵的压力,主泵设定一个转速后,将1号泵控制信号加载至最大控制信号的10%。保持主泵控制信号不变,分步增大1号泵的控制信号,即加大1号泵的排量。刀盘推进转速与系统压力如图8、图9所示。由图8可知,辅助泵合并后,刀盘的转速稳定上升,当比例控制信号至最大控制信号的75%后,流量基本饱和。分析发现,单个辅助泵全流量对应刀盘转速约0.4r/min。由图9可知,1号泵试验时系统压力基本恒定,出现的压力波动是由于刀盘土仓压力变化等引起的。试验说明,系统能正常工作,电液比例控制调节刀盘转速达到预期要求。启动2号泵,关闭1号泵的出口球阀,打开2号泵的出口球阀。按照同样的方式加载2号泵。刀盘推进转速与系统压力如图10、图11所示。由图10、图11可知,比例控制信号至最大控制信号的70%基本饱和,同样2号泵全流量对应刀盘转速约0.4r/min,2号泵刀盘推进试验时系统压力基本恒定,出现的压力波动同样是由于刀盘土仓压力变化等引起的。2.2刀盘推进转速与系统压力先将1号泵和2号泵控制信号加载至最大控制信号10%后,再次打开1号泵的出口球阀,主泵控制信号不变,分步加载1号泵和2号泵控制信号,加大双泵的排量,刀盘推进转速与系统压力如图12、图13所示。由图12可知,比例控制信号与刀盘转速不成比例,比例控制信号也没有达到最大值,这是由于恒功率控制限定了系统压力,比例控制不再起作用,因此曲线与前面几组曲线不同。由图13可知,系统压力稳定,能够实现多泵的组合。3比例控制和恒功率控制本系统采用小排