盾構掘進機刀盤驅(qū)動方式研究

1刀盤驅(qū)動方式的選擇預制開挖機是一種集成機械制造、新材料、新技術、電子、自動化等高科技技術的大型高新技術建筑設備。它適用于地下埋路的地下通道工程。具有挖掘速度快、質(zhì)量高、人員技術工作強度低、安全高、地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點。傳統(tǒng)的開挖和爆炸法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢，同時具有良好的整體效果?，F(xiàn)在，它已經(jīng)進入了原油和能源的自動控制、智能化和多功能化的方向。盾構的主要組成包括刀盤系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、螺旋機系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。刀盤是盾構的關鍵部件之一,是盾構主要工作部件。刀盤的主要功能有:開挖功能、穩(wěn)定功能和攪拌功能。刀盤驅(qū)動具有功率大且變化范圍廣的特點,這是因為負載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的,如切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大。目前,刀盤主要驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、變頻電機驅(qū)動方式。(1)刀盤液壓驅(qū)動主要由液壓泵站、閥塊組、管路、驅(qū)動液壓馬達、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。液壓馬達驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)速通過液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)具有體積小,便于刀盤調(diào)速及過載保護的特點。(2)變頻電機驅(qū)動主要由變頻電機、減速機、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。變頻電機驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤通過電機調(diào)節(jié),有較大轉(zhuǎn)矩儲備,傳動效率高。兩種驅(qū)動方式在盾構上都得到廣泛的使用。從這兩種刀盤驅(qū)動方式的性能對比中可知,針對各種不同的地層,它們都具有良好的調(diào)速性能,使刀盤能夠很好地開挖。變頻驅(qū)動設備費用高,控制技術復雜,但是具有較高的傳動效率,較低能源消耗,可節(jié)省電力費用;液壓驅(qū)動具有良好的抗沖擊能力和過載保護性能,占用空間小,維修保養(yǎng)相對簡單,可靠性高。目前采用閥控馬達的控制方式,系統(tǒng)功率勢必按所需的最大功率設計,在遇到欠負載工況時,系統(tǒng)效率低下,大量的功率將通過熱的形式耗散,使系統(tǒng)發(fā)熱嚴重,進而影響盾構推進速度。本系統(tǒng)為863項目“盾構模擬試驗平臺”的刀盤驅(qū)動液壓子系統(tǒng)。采用變量泵控制定量馬達的液壓系統(tǒng)來驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動,除了很好地提供動力外,還要研究刀盤的負載敏感控制和盾構所特有的節(jié)能問題。2壓力傳感控制如圖1所示為刀盤結構及其部分液壓原理圖。液壓系統(tǒng)為開式回路,可適應兩種工況,即軟巖工況時的低速大轉(zhuǎn)矩和硬巖工況時的高速小轉(zhuǎn)矩,兩種工況轉(zhuǎn)換可通過控制電磁換向閥5.3來實現(xiàn)。當電磁鐵C斷電時,溢流閥5.1確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設定為10MPa,輸出轉(zhuǎn)矩小,但流量大(最大為300L/min),輸出轉(zhuǎn)速高;當電磁鐵C通電時,溢流閥5.2確定系統(tǒng)最高壓力,此時,系統(tǒng)壓力設定為20MPa,輸出轉(zhuǎn)矩大,但流量小,輸出轉(zhuǎn)速低。刀盤轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)變量泵6的排量實現(xiàn),壓力傳感器3測量液壓馬達的進油口壓力,壓力信號經(jīng)處理后反饋到變量泵的比例閥上,構成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。變量控制機構使得泵的排量在其整個范圍內(nèi)可無級調(diào)節(jié),并與比例電磁鐵的控制電流成比例,恒功率控制優(yōu)先于變量控制,即低于功率曲線(功率雙曲線)時排量受控制電流的調(diào)整,如果設定流量或工作壓力使功率曲線超過,則恒功率控制取代電控變量并按照恒功率曲線減小排量。液壓馬達1的正反轉(zhuǎn)可通過電液換向閥4來控制,電磁鐵B1通電,馬達正轉(zhuǎn),電磁鐵B2通電,馬達反轉(zhuǎn),由主閥P口的單向預壓閥8建立最低的控制油壓力,該閥的開啟壓力約為0.85MPa。3設計閥座和液壓站1插裝件、控制板及插裝閥塊二通插裝閥是采用先導控制、座閥結構主元件和插裝式連接的新型控制元件。它具有結構簡單、抗污染能力強、性能可靠、流動阻力小、動作可靠、易集成、無泄漏等一系列優(yōu)點,特別適用于大流量液壓系統(tǒng)的集成化控制。本系統(tǒng)的安全壓力由插裝閥5設定,通過2個先導閥和1個電磁換向閥為系統(tǒng)設定了2個最高壓力,以適應挖掘中的兩種工況。插裝件為錐閥結構,是D型帶阻尼孔的NG32通徑插件。通過合理設計控制蓋板的流道,與先導控制閥組合后可以控制插裝件的工作狀態(tài),控制蓋板內(nèi)還配置一個阻尼螺塞,調(diào)整插裝件的響應時間。先導控制閥采用NG6通徑溢流閥和電磁換向閥,控制插裝閥的啟閉。所有插件安裝在符合DIN24342的安裝孔內(nèi),閥塊按回路要求加工主級及先導油路通道,與插裝件、控制蓋板和先導控制閥件構成液壓系統(tǒng)控制塊體。集成閥塊采用了三維參數(shù)化設計,用PRO-E軟件建立的閥體三維實體是一個逼真的零件,可以方便、直觀地檢查其上的油孔與油孔之間的位置關系是否符合液壓系統(tǒng)原理的邏輯要求,各安裝孔的位置是否符合設計要求。此外,建立了閥體上要安裝的各種液壓元件的三維模型。通過虛擬裝配,觀察裝配體的各個部位,檢查設計的正確性、合理性和準確性。2液位控制繼電器和溫度由于液壓站放置在盾體內(nèi)部,決定了液壓站的布局為串列式,即泵與電機在前,油箱在后。盾體一節(jié)長為3m,限制了油箱的長度,為了盡可能增大油箱的體積,油箱設計成具有最大截面的異形油箱。通常,刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)的能耗較大,需要散發(fā)的最大熱功率可按主驅(qū)動電機的功率損失全部轉(zhuǎn)化成熱量計算。系統(tǒng)應散發(fā)的熱功率為:其中Nηηηη經(jīng)溫升校核,系統(tǒng)溫升不在允許溫升范圍內(nèi),所以系統(tǒng)設置了水冷卻器。根據(jù)要求,液壓系統(tǒng)需要對油箱液面、溫度實現(xiàn)自動監(jiān)控,在油箱上安裝了液位控制繼電器和溫度控制繼電器。液位控制繼電器是高位觸發(fā),系統(tǒng)報警;低位觸發(fā),系統(tǒng)停機。溫度控制繼電器既能輸出開關信號,又能輸出模擬信號。溫度達到55℃,繼電器觸發(fā),冷卻系統(tǒng)起動;溫度低于40℃,繼電器觸發(fā),冷卻系統(tǒng)