盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

張競(jìng)爭(zhēng)

摘 要：文章主要分析了盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，闡述其具體的工作設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)。針對(duì)目前盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)相對(duì)更加簡(jiǎn)單、性能更加優(yōu)越的盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；刀盤驅(qū)動(dòng)；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送渣土、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測(cè)量等多門學(xué)科技術(shù)，其專業(yè)從事工程隧道的挖掘工作，具有挖掘效率高、施工影響小、高質(zhì)量的安全性能以及對(duì)于周邊環(huán)境的影響小等特點(diǎn)。目前我國(guó)在這一大型工程設(shè)備的設(shè)計(jì)制造工作仍然處于起步階段，因此進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)技術(shù)研究對(duì)于打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，推動(dòng)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義。據(jù)此文章將針對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開相關(guān)的探索，具體的設(shè)計(jì)思路及過程詳見下文。

1 盾構(gòu)刀盤的驅(qū)動(dòng)方式

在盾構(gòu)機(jī)的組成部件中，刀盤是掘進(jìn)工作的主要工作機(jī)構(gòu)，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)而言是核心工作部分。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)中的刀盤來(lái)說，其具體的作用有：隧道巖土破碎切削功能、固定盾構(gòu)機(jī)整體平穩(wěn)功能以及攪拌推進(jìn)功能。刀盤的驅(qū)動(dòng)方式能夠?qū)崿F(xiàn)效率高、范圍廣的要求，同時(shí)刀盤的推進(jìn)速度也會(huì)隨著具體掌子面的實(shí)際地質(zhì)情況而有所變化，例如在針對(duì)硬巖層與軟土層所用到的動(dòng)力及刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)有巨大的差別。

在目前盾構(gòu)刀盤的主流驅(qū)動(dòng)方式中，主要有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要存在以下特點(diǎn)，適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速；采用電磁設(shè)計(jì)，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值；在一定程度上能夠節(jié)省能耗。而文章主要探討、設(shè)計(jì)的是刀盤的液壓驅(qū)動(dòng)方式，其主要的構(gòu)成部件有液壓泵、閥組、液壓管路、液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減速緩沖部件、大小規(guī)格不一的齒輪、主軸承以及相應(yīng)的密封件構(gòu)成，通過液壓馬達(dá)所提供的動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，刀盤的旋轉(zhuǎn)速度由液壓馬達(dá)及其相應(yīng)動(dòng)力傳動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，液壓驅(qū)動(dòng)刀盤的盾構(gòu)機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)修理較為簡(jiǎn)便和結(jié)構(gòu)可靠、刀盤旋轉(zhuǎn)速度易掌控并且具有過載保護(hù)的能力。

2 刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如圖1所示。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般為開放回路，能夠普遍適應(yīng)以下兩類施工工況：即軟土地層，一般采用增大刀盤旋轉(zhuǎn)速度降低刀盤扭矩的方案；而硬巖地層下的施工工況，一般采用降低刀盤旋轉(zhuǎn)速度加大刀盤扭矩的方案。此兩類工況下的施工轉(zhuǎn)換能夠使用電磁換向閥5.3來(lái)完成，若電磁鐵C出現(xiàn)失電情況時(shí)，可通過設(shè)置溢流閥5.1來(lái)確保液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大壓力，此刻，將液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的壓力值調(diào)整到25MPa，刀盤的扭矩就會(huì)增大，而因?yàn)橐簤簞?dòng)力不足，刀盤的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)降低。對(duì)于液壓系統(tǒng)的刀盤旋轉(zhuǎn)速度而言，只需調(diào)節(jié)液壓變量泵6的壓力即可完成對(duì)于刀盤旋轉(zhuǎn)速度的實(shí)際控制，對(duì)于液壓系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源馬達(dá)而言，通過對(duì)于壓力傳感器3的調(diào)節(jié)控制，即可完成測(cè)量進(jìn)油口壓力的工作，將測(cè)得到的進(jìn)油口壓力通過信息系統(tǒng)的計(jì)算處理之后，將其運(yùn)用到液壓變量泵6的比例閥之上，最終形成對(duì)于刀盤旋轉(zhuǎn)速度的整體內(nèi)部系統(tǒng)控制。

通過對(duì)于變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)了變量泵能夠在整個(gè)刀盤液壓系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并且能夠通過比例電磁閥，形成對(duì)電流大小的調(diào)節(jié)；恒功率的系統(tǒng)功率控制要在變量調(diào)節(jié)控制之前，即為若刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度的實(shí)際需求未達(dá)到相應(yīng)的功率標(biāo)準(zhǔn)，則實(shí)際排量將會(huì)受到電流的調(diào)節(jié)影響，若刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度的實(shí)際需求達(dá)到或超出相應(yīng)的功率標(biāo)準(zhǔn)，則恒功率控制就會(huì)替換相應(yīng)的電子控制變量，且依據(jù)恒功率來(lái)縮小相應(yīng)的排量標(biāo)準(zhǔn)。刀盤液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1正反方向的轉(zhuǎn)向控制，需要通過換向閥4調(diào)節(jié)，電磁鐵B1得電，刀盤液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)即實(shí)現(xiàn)正向旋轉(zhuǎn)，電磁鐵B2得電，刀盤液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)即實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，通過單向閥8實(shí)現(xiàn)對(duì)于進(jìn)油口壓力的最低控制，此閥門的啟動(dòng)壓力值一般為0.80MPa。

3 閥塊組及液壓站設(shè)計(jì)

3.1 插裝閥塊的設(shè)計(jì)

插裝閥塊主要是通過運(yùn)用先導(dǎo)元件、底座蓋板、插裝元件組成的邏輯控制閥。插裝閥塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、防御污化能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)易、通流量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、密封性能強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適合于大型液壓系統(tǒng)的集成化。此次涉及的刀盤液壓系統(tǒng)的壓力控制閥，通過安裝的插裝閥5來(lái)進(jìn)行安全保障，其中包含了2個(gè)壓力控制閥，以及1個(gè)方向換向閥，從而能夠滿足盾構(gòu)掘進(jìn)中的兩類施工工況。

3.2 液壓泵站設(shè)計(jì)

在盾構(gòu)機(jī)的機(jī)體內(nèi)，液壓泵站一般設(shè)計(jì)在其拖車一側(cè)，因此也就決定了液壓泵站的整體構(gòu)建、分列為長(zhǎng)串排列式，即液壓泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)在前部位置，液壓油箱在后部。由于盾構(gòu)機(jī)的拖車節(jié)長(zhǎng)一般為8m左右，因此使液壓油箱受到了一定的局限性。一般情況下，液壓系統(tǒng)的消耗較大，其需要散發(fā)的熱量也較大。

散發(fā)的熱量功率為：

其中 NzE-主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率

？濁mm-馬達(dá)的機(jī)械效率

？濁mv-馬達(dá)的容積效率

？濁zpm-主驅(qū)動(dòng)泵的機(jī)械效率

？濁zpv-主驅(qū)動(dòng)泵的容積效率

4 結(jié)束語(yǔ)

文章主要通過對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探索研究，分析了目前盾構(gòu)刀盤的主要驅(qū)動(dòng)方式有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)，闡述了此兩種方式各自的優(yōu)點(diǎn)。文中主要進(jìn)行了對(duì)于刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)探索，以及閥組及液壓泵站設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中推進(jìn)了一環(huán)（1.5m）時(shí)，冷卻系統(tǒng)未啟動(dòng)，整機(jī)系統(tǒng)的溫度僅僅升高了9℃，此項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)能量損耗較低。采用此類的配比變量泵能夠有效的調(diào)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)馬達(dá)。

參考文獻(xiàn)

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