盾构推进液压系统阀块试验台

介绍了盾构推进液压系统分区工作原理, 设计了推进液压系统阀块试验台, 详细阐述了其测试原理和测试方法。对试验台系统中的主要参数进行了设计计算, 并对其主要元器件进行了选型。测试结果和现场推进表明所设计的试验台系统可满足推进液压系统集成阀块功能的检测; 同时也表明所设计的集成阀块是可靠的, 能成功应用于推进液压系统中, 满足现场盾构施工的要求。

盾构机是集多学科技术于一体的专用于地下隧道开挖的大型工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等特点,与传统的钻爆法隧道施工相比具有明显的优势[1、2]。

推进系统承担着整个盾构机的顶进任务, 要求完成盾构机的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动, 使得盾构机能沿着事先设定好的路线前进, 是盾构机的关键系统。考虑到盾构机具有功率大、变负载和动力远距离传递及控制等特点, 其推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配及控制[3]。

由于盾构推进系统的工作环境恶劣, 并且工作空间有限, 要求控制系统阀块均采用集成技术, 并要具有高的可靠性。本文主要对推进系统阀块试验台的工作原理和设计计算进行介绍, 为推进系统阀块的性能检测提供一个测试平台。

1 推进液压系统阀块试验台原理设计

为了对设计的推进系统阀块进行性能测试, 根据阀块的测试要求设计了 1 个试验台。该试验台可以实现以下几个方面的测试: 1) 阀块密封性能测试; 2) 比例压力阀调压性能测试; 3) 比例流量阀调速性能测试; 4) 液控单向阀保压性能测试; 5) 插装阀控制测试。

图 1 为所设计的推进系统阀块试验台原理图。图中序号 12～22 所示为被测试的推进系统集成阀块原理图。推进液压系统采用带电比例溢流阀的恒压变量泵作为动力源, 向 4 个分区同时供油, 由于采用了分区控制, 4 个分区只是在盾构截面的分布位置不同, 其控制方式和工作原理则完全相同[4]。如图所示, 比例溢流阀 14 调节液压缸推进压力, 与压力传感器检测的压力构成压力闭环反馈控制, 实时控制推进压力; 比例调速阀 22 调节进入系统的流量,与安装在液压缸内的内置式位移传感器检测到的位移构成速度闭环反馈控制, 实时控制推进速度。插装阀 12 和二位三通电磁换向阀 13 可短路比例调速阀22, 实现推进液压缸的快速运动, 从而减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装阀 21 和二位三通电磁换向阀 15 则用来实现推进液压缸快速回退, 减小液压油回程阻力。三位四通电磁换向阀 20 用来完成工作状态的切换, 可实现推进液压缸的前进、后退和停止状态。溢流阀 18 用来实现系统过载保护, 推进瞬间液压缸进油口会出现瞬时过载, 此时溢流阀 18立即开启形成短路, 进、回油路自循环, 使过载油路得到缓冲。二位二通电磁换向阀 17 用来实现故障停机时液压缸卸载检修, 可减小卸载中的压力冲击。二位二通电磁换向阀 17 前的阻尼孔可防止二位二通电磁换向阀 17 卸载时产生的压力冲击。插装阀 12、21 前的阻尼孔用来调节插装阀的开启速度, 改变插装阀的静动态特性和减小液压冲击。阻尼孔直径根据经验值一般取 0.8～2.5 mm。

根据推进系统集成阀块的工作原理, 试验台系统测试原理及测试方法如下:

⑴首先, 给测试阀块加压, 检验阀块密封性能,同时检验阀块回路是否畅通。

⑵二位四通阀 7 调置为左位, 三位四通阀 20 置于左位, 比例调速阀 22 置于最大开口, 节流阀 11 置于某一开口, 启动液压泵, 调节比例溢流阀 14, 通过压力表读数可以检验阀块比例溢流阀调节功能是否正常。

⑶二位四通换向阀 7 调置为左位, 三位四通换向阀 20 置于左位, 比例溢流阀置于最大值, 加载节流阀 11 置于最大开口, 启动液压泵, 调节比例调速阀 22, 通过压力表读数可以检验阀块比例调速阀调节功能是否正常。

⑷二位四通换向阀 7 调置为右位, 启动液压泵,关闭比例调速阀 22, 关闭加载节流阀 11, 给阀块加压到一某值, 关闭液压泵, 可以检测液控单向阀 16和插装阀 21 的保压性能。打开加载节流阀 11, 可以同时检测三位四通换向阀 20 的密闭性。调节溢流阀18, 可以检测溢流阀 18 的过载卸荷能力。给二位二通换向阀 17 上电, 检测是否有压力冲击声音, 从而选择合适的阻尼孔, 减小压力冲击。

⑸二位四通换向阀 7 调置为左位, 三位四通换向阀 20 置于右位, 比例溢流阀 14 置于最大压力, 比例调速阀 22 和加载节流阀 11 置于某一开口, 启动液压泵, 给二位三通换向阀 13 和 15 通断电, 通过压力表读数可以检验阀块插装阀通断功能是否正常。

2 测试系统主要参数计算

根据推进系统要求, 测试系统压力应大于或等于推进系统设计压力。推进系统最大工作压力为21.5 MPa, 那么测试系统压力可取 22 MPa。

2.1 系统流量的确定

推 进 系 统 执 行 元 件 液 压 缸 的 尺 寸 为Φ200/Φ160×1 900 mm, 系统要求每区液压缸回退时的最大速度 v 为 1.4 m/min, 其中下位区有 10 个液压缸, 回退时所需流量为

上位区有 6 个液压缸, 其回退所需流量为 95L/min, 左、右区各有 8 个液压缸, 其回退所需流量为126.6 L/min。

本测试系统主要对推进系统集成阀块压力控制性能进行相关测试, 流量控制性能可以模拟上位区即 6 个推进液压缸流量控制性能研究, 因此系统流量确定为 95 L/min。

2.2 主驱动泵的参数计算及选型

根据计算出的流量和系统压力选取主驱动液压泵。选择时, 泵的额定流量应与计算所需流量相当,不要超过太多。但泵的额定压力可以比系统工作压力高出 25% 或更高些。根据泵流量公式得出泵的排量为

式中: Vg——液压泵理论排量(mL/r)

q1——系统需要流量(L/min), q1=95 L/min

n——电机转速(r/min),n =1 500 r/min

ηv——液压泵容积效率, ηv=0.9

根据计算, 液压泵选取德国 Rexroth 产品, 型号为 A10VO71DR。该泵为变量泵, 应用于开式系统。其额定压力为 28 MPa, 峰值压力为 35 MPa, 理论排量为 71 mL/r, 可满足系统工作要求。

2.3 电机功率计算及选型

根据公式得电机功率为

式中: N——所需电机功率( kW)

qp——泵的额定流量(L/min)

Vg——泵的排量( mL/r) , Vg=71 mL/r

n——电机转速(r/min),n =1 500 r/min

ηm——泵的机械效率, ηm=0.9

ηv——泵的容积效率, ηv=0.9

△p——系统压力差( MPa) , △p =22 MPa

根据计算, 选取 ABB 公司的 Y2- 250M- 4- B35型电机, 其功率为 55 kW, 满足系统要求。

2.4 油箱设计

油箱采用开式油箱, 箱内液面与大气相通, 在油箱顶部设置空气滤清器, 并兼作注油口用。油箱有效容积一般为泵每分钟流量的 3～7 倍, 泵的每分钟的流量为

油箱有效容积应为 95.8×7=670.6 L, 按有效容积为 80% 计算油箱的总容积为 840 L。可初步定油箱三边的尺寸为 1000 mm×1000 mm×850 mm。

2.5 辅助元件计算选型

过滤器是液压系统中的重要元件。它可以消除液压油中的污染物, 保持油液清洁度, 确保系统元件工作的可靠性。根据其要求, 系统压力管路过滤器选用温州黎明公司的 ZU- H250×10DFP。

根据油箱的有效容积为 670.6 L 和系统最大流量 95 L/min, 选用黎明公司的滤清器 EF7- 100。其加油流量为 110 L/min, 空气流量为 1 055 L/min。按照吸油管路流速 v 为 0.5～1.5 m/s, 确定吸油管路内径:

取标准软管通径内径 Ф50 mm,可满足要求。

按照液压油管路流速 v为 4～7 m/s, 确定液压油管路内径:

取标准软管通径 Ф19 mm, 可满足要求。

3 泵站及试验台三维设计及实物图

为了提高系统设计的准确性, 以及试验台系统各部件整体组装的结构紧凑性和密封性, 采用了三维参数化设计软件 Pro/E 建立的三维实体,能够完全再现各个实物零件的真实特征, 从而方便、直观地进行实体虚拟装配和运动分析。通过观察装配体的各个部位, 检查设计的正确性、合理性和准确性, 使各种问题在设计阶段就被发现解决, 提高了设计效率[5]。图 2 为采用 Pro/E 设计的系统泵站及试验台三维布置图。图 3 为所要测试的推进系统集成阀块图, 图4 为推进系统集成阀块试验台。

4 调试结果及现场推进

通过在试验台上调试发现, 集成阀块和各个元件之间的密封性能好, 回路也畅通, 可长时间在系统工作压力 22 MPa 下工作, 并可承受最大峰值压力35 MPa, 满足系统密封性能要求。调节比例阀的放大板电流, 比例调速阀和比例溢流阀可在标定范围内0～100%无级调速, 也能满足系统工作要求。同时插装阀的通断功能、溢流阀的过载卸荷能力以及换向阀的压力冲击均符合设计要求。