维尔特盾构机螺旋输送机机液压系统分析介绍.docx

维尔特盾构机螺旋输送机机液压系统分析介绍摘要：介绍了维尔特盾构机螺旋机液压驱动系统的工作原理与系统集成，系统是半开式液压系统，应用电液比例控制技术对泵排量进行实时调节，变量泵采用了压力切断的自动恒压控制技术。PLC控制系统总线是西门子PROFIBUS网络通讯 (工业现场总线)。1、 引言 土压平衡模式是在盾构开挖时，利用土仓内的土压（泥水压）或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。土压平衡盾构主要有盾体、刀盘及驱动系统、螺旋输送系统、液压推进系统、土压仓、管片拼装、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。由于土压平衡盾构具有排土简单、可靠性高、地层适应性好、对环境影响小等特点，因此被广泛应用于城市地铁、铁路、公路、市政、水利等隧道工程。螺旋输送机是土压平衡盾构机关键部件之一，螺旋输送机由筒体、驱动装置、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土装置，它的主要作用是将刀盘切下来的泥土从盾构土仓中排出，碴土在螺旋机内向外排出的过程中形成密封土塞，可保持密封土仓内压力稳定在一定范围内。盾构施工过程中，保持密封土仓内压力与开挖面水土压力保持平衡主要方法是根据土仓压力实时调节螺旋输送机的出土量，这就要求螺旋输送机能根据密闭土仓内压力反馈的信息实时精确调节控制螺旋输送机的转速，随时调整向外排土的速度，实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。此外，螺旋机闸门在任何情况下都能可靠地关闭防止发生喷涌现象。2、 螺旋输送机液压系统工作原理 1、M为电机 2、JZ4100为柱塞变量泵及控制油路集成 3、DK4100为螺旋机高低速控制阀块 4、JV4100为液压马达 5、JZ4500为柱塞变量泵 6、PV4500为恒压控制阀块集成 7、DK4500为JZ4500变量泵的控制阀块集成 8、DK4600为螺旋机安全门油缸控制阀块集成 9、DK4610为螺旋机机体收缩油缸控制阀块集成 10、DK4530为螺旋机出土口闸门油缸控制阀块集成 11、JW4540为蓄能器 12、DK4540为蓄能器控制阀块集成13、DK4640为拖曳油缸控制阀块集成图1螺旋输送机液压系统图 为了克服施工过程中存在的问题以及满足施工要求，设计了一种采用电比例反馈的盾构螺旋输送机液压系统，可实时控制螺旋机的转速，保证施工安全。图1为螺旋输送机液压系统图。从图1中可以看出螺旋输送机液压系统主要分为两个独立的系统：螺旋机马达控制系统和油缸控制系统。左侧螺旋机马达控制系统，采用比例变量泵供油，通过安全阀调节系统的最大压力。当需要调节马达转速时，此液压系统拥有高低速两个档位大范围的调节螺旋机马达转速，通过PLC系统是否为EV4101通电切换CV4101的档位，决定为先导阀芯是否供给高压油，从而实现液压马达的高低速切换。带比例电磁铁的电气控制可实现泵排量无级变化且可编程设定，随着比例电磁铁的电流的增加，变量泵的排量成比例地相应增加。此时可根据密闭土仓反馈的实时压力，操作人员通过调速旋钮手动控制螺旋输送机马达转速的大小，配合实时调控土仓压力与开挖面水土压力动态平衡。 液压马达无级调速：当电机M正传时，PLC控制系统根据程序控制为FV4102供电，操作人员通过调速旋钮手动调节可变电阻输入电流，从而控制比例阀芯的导通程度调节从先导泵注入的液压油，使比例滑块按比例滑动，实现变量泵流量的调节。内置溢流阀实现了超压保护，当回油管压力过高时，内置溢流阀导通，由于阻尼孔产生压降，使内置比例阀导通，比例滑块迅速回到中位，使变量泵停止供油。当电机反转时，与上类似。右侧为油缸控制系统，主变量泵带有压力切断功能，压力切断是一种恒压控制，当系统达到预设定的压力时(本系统为100bar)，它使泵排量向最小排量处摆动。此系统通过内置PV4500阀块集成实现。主驱动变量泵出口处单向阀ZV4504，可防止泵检修或系统停止运行时油液倒流。压力传感器PI4500检测主油路压力变化。集成阀块DK4500中CV4506主油路加压控制阀块，当EV4507通电时，变量泵为主油路供给压力油。CV4502为主油路溢流阀远程控制阀块。当EV4503通电时，溢流阀PV4501保压工作。拖曳油缸控制集成阀块DK4640中，有手动控制阀CV4641控制油缸的伸缩。平衡阀系统PV4642使系统产生背压，运行平稳，同时拥有过载保护。节流阀QV4644调节油缸伸缩速度。螺旋机出土口闸门油缸控制阀块集成DK4530中由电液伺服阀CV4531接收操作盘控制信号使EV4540和EV4541相应动作，实现油缸伸缩。蓄能器JW4540，平时存储一定量的高压油，保证在液压系统不工作时油缸能回缩关闭出土口闸门，防止喷涌。油缸位移传感器SF4500精确监控闸门位置，及时反馈到操作室。螺旋机安全门油缸控制阀块集成中通过电磁阀EV4602和EV4603控制换向阀CV4601相应相位导通，控制安全门的开关，平衡阀系统PV4604使系统产生背压，运行平稳，同时拥有过载保护。当油缸伸出或回收到位时限位器导通，保证安全门开关到位。螺旋机机体收缩油缸控制阀块集成DK4610，控制过程与螺旋机安全门油缸控制阀块集成相似。3、计算机主体控制过程PLC螺旋机转速的比例控制框图如图2可变电阻安全继电器电比例柱塞比例放大器AD模块DA模块柱塞马达传感器PC工控机 螺旋输送机变量泵上集成了比例控制阀，配有比例放大器伊顿公司的ER9.3-10型。控制时，通过可变电阻器调节输入电压，输入信号和转速传感器反馈信号比较后形成控制信号，经过PID调节和功率放大(ER9.3-10型放大器)后，电比例阀实现驱动和控制主变量泵的流量，从而实现对液压马达转速的闭环调节控制。 比例控制的给定输入信号，由PC工控机设定后，反馈到PC机控制界面，同时传输给下位机(PLC)，然后通过PLC的模拟量模块进行DA转换后输入给比例放大器，从而实现螺旋机转速的闭环控制。4、PLC及电气控制系统本系统采用可靠性高、控制性强、又便于编程的以PLC为中心的电气控制系统，PLC控制系统采用施耐德公司的Modicon TSX Micro的PLC模块。网络结构为西门子PROFIBUS-DP现场总线开放性网络，系统的中央处理器在预定的周期内与分布式IO站点循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。即本系统PLC的CPU集中在操作室一处，通过数据线与分散在各处的IO模块交换信息，控制管理PLC电气控制系统。螺旋机液压系统采集的信息主要包括:油箱温度、油箱液位、螺旋机油压(PF4100)、螺旋机过滤器阻塞(PA4100)、螺旋机转速、拖曳油缸油压(PE4643)、螺旋机出土口闸门位移(SF4500)、安全门和螺旋机机体伸缩油缸限位器开关。螺旋机液压系统控制信号主要包括:螺旋机主油泵调速阀(FV4101、FV4102)、高低速切换阀CV4101(EV4101)、油缸油泵加压控制阀块CV4506(EV4507)、溢流阀远程控制阀块CV4502(EV4503)及各个油缸换向阀。PLC应用软件有一个主程序和若干个子程序构成，用于解决系统中的各类监控需求问题。维尔特盾构机PLC的应用软件由梯形图和指令两种形式交替编制而成。PLC软件主要实现的功能:根据来自计算机的操作指令，对盾构机各部分设备进行自动监控；保证PLC系统主从站之间、PLC与计算机之间的数据交换；模拟量的处理和转换；显示各种故障和报警；土压平衡PID控制功能等。5、故障分析及诊断维尔特盾构机的螺旋输送机系统是集机、电、液于一体的复杂系统，在使用过程中所发生的故障也是多种多样的。本文主要针对实际工作中螺旋输送机系统出现的问题，提出一些关于改型盾构机的一些典型故障诊断、排除方法的探讨。 (1)、出土口闸门无法动作。诊断故障最常用的方法是故障排除法，通常是换向阀上电磁阀断路不工作，从液压管路图(如图1)中，启动JZ4500，泵可正常工作。启动操作室闸门开关，用万用表检测EV4541和EV4540是否导通，能正常工作。检测中发现主油路无压力，用万用表检测主油路加压控制阀EV4507断路，接通后，闸门可正常工作。 (2)、控制界面无马达速度显示。此次问题发生在始发调试阶段，依照电气图，系统接线正确。应用替代法跟换新的速度传感器，依然无速度显示，跟换接线端子，可正常显示。诊断为模块出点损坏。 (3)、液压马达旋转方向与操作室控制方向相反。此