盾构刀盘主驱动闭式液压系统.docx

盾构刀盘主驱动闭式液压系统 3胡国良1 , 刘乐平1 , 龚国芳2 , 杨华勇2(1. 华东交通大学 机电工程学院 , 南昌 330013 ; 2. 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室 , 杭州 310027)摘要 : 刀盘主驱动系统是盾构的关键核心部分 ,是进行掘进作业的主要工作装置 。采用电液比例控制技术设计了盾构刀盘主驱动闭式液压系统 ,并对其转速控制 、方向控制 、制动控制以及 系统换油冷却等作了详细介绍 。分析了刀盘主驱动系统调试安装的注意事项及调试结果 ,为盾构法施工提供了相应技术支持 。关键词 : 盾构 ; 刀盘主驱动系统 ; 闭式液压系统中图分类号 : TH137文献标志码 : A文章编号 :100320794 (2007) 0920148204Closed - loop Hydra ulic System of Cutter - devices f or ShieldTunneling MachineHU Guo - liang1 , L IU Le - ping1 , GO NG Guo - fang2 , YANG Hua - yong2(1. College of Mechanical & Electrical Engineering , East China Traffic University , Nanchang 330013 , China ;2. State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control ,Zhejiang University , Hangzhou 310027 ,China) Abstract :Cutter - devices hydraulic system is a key component of shield tunneling machine . A closed - loop hydraulic system of cutter - device was designed using electro - hydraulic control techniques , the rotation con2 trol , direction control , braking control , oil fresh and cool system of cutter - devices hydraulic system were also expounded in detail . The matters need attention in installation and debug results are analyzed , which can pro2 vide technique support for shield tunneling.Key words : shield tunneling machine ; cutter - devices hydraulic system ; closed - loop hydraulic system0引言刀盘主驱动系统是盾构的重要组成部分 ,主要 功能包括开挖功能 、稳定功能和搅拌功能 。由于掘进断面土质状况变化很大 ,掘进深度不同 ,所需的切 削力矩及转速有较大的区别 ,导致刀盘驱动功率大且变化范围广 ,所以目前刀盘驱动方式主要采用液 压驱动 。本文对土压平衡式盾构机的刀盘主驱动液压系统进行了设计 ,并对其安装调试进行了相关分析 。1刀盘驱动液压系统设计原刀盘驱动液压系统采用的是 3 台大排量泵控 制 8 台马达的方式 ,这种控制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 2 台小排量泵组合代替其中 1 台 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很有必要的 。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 。 因此设计时刀盘主驱动系统由 2 台 750 mLr 排量的双向变量泵 ( 主泵) 、2 台 250 mLr 排量的双向变量 泵 ( 辅助泵) 、8 台 500 mLr 排量的变量马达组成闭 式控制回路驱动刀盘转动 ,实现刀盘的转速控制 、扭矩控制和方向控制 。从而满足软 、硬岩不同地质工况的负载要求 。系统中 2 台主泵和 2 台辅助泵并联供油 ,采用 电液比例控制 ,只需改变控制电流的大小和方向 ,即 可相应地控制泵的流量和流向 ,从而控制刀盘的转 速和转 向 。系 统 内 还 设 有 补 油冲 洗 泵 、循 环 冷 却 泵 、换油阀组 、安全阀组 、过滤器和电子压力继电器 等辅助设备 ,以确保系统安全和可靠地运行 。1 . 1刀盘主驱动泵控制模块2 台 750 mLr 排量的双向变量泵采用的是带有 换油阀块的 A4VSG750 HD 型变量泵 ,其局部控制模 块如图 1 所示 ,它具有以下功能 :(1) 系统过载保护功能 在换油阀内有 2 个安 全阀 ,可防止系统超载 。(2) 系统换油功能 由 2 个单向阀和 1 个三位 液动换向阀组成闭式回路换油控制模块 。(3) 变量控制功能 由远程比例溢流阀调节控 制压力 ,主驱动泵变量机构的位置反馈由反馈弹簧 转换为力反馈与控制压力相平衡 ,实现泵排量与控制压力的线性比例关系 。(4) 方向控制功能 由三位四通电磁换向阀控 制压力油的导入方向 ,切换主驱动泵变量机构的工 作象限 ,实现泵吸油口和压油口的切换 ,进而实现刀3 国家 863 高技术研究发展计算资助项目 (2003AA420120) 148第 28 卷第 9 期盾构刀盘主驱动闭式液压系统 胡国良 ,等Vol128No19盘的转向控制 。1 . 3 刀盘制动控制刀盘制动控制应满足以下要求 : 停机状态下应 保证可靠制动 ;制动过程应具有自动缓冲功能 ;松开 制动应平稳无冲击 ;松开制动动作完成后 ,应能提供 主驱动加载触发信号 。刀盘制动控制模块如图 3 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 1mm 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 。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 . 4闭式回路换油和泵马达壳体的冷却 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 。刀盘主驱动液压系统发热功率约为 28315 kW ,占系统总功率的 30 % 。根据热平衡计 算 ,刀盘驱动系统的换油流量应大于 550 Lmin 。由 于液压泵单泵的换油流量限定在 200 Lmin ,故必须 考虑 3 个泵换油的分流问题 。而换油是通过系统补 油实现的 ,所以必须考虑泵的补油要求 ,补油压力应 大于 116 MPa 。补油系统采用螺杆泵为压力油源 。采用分别在 每个泵的换油路上加装阻尼的方案来实现换油分流 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 , 在系统中起安全作用 。其原理如图 4 。图 1 主驱动变量泵控制模块局部原理图1 . 2 刀盘转速控制 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 。刀盘转速的大小主要由刀盘主驱动变量泵的排量qp 、刀盘主驱动变量泵的数量 zp 、刀盘主驱动变量马达的排量 qm 、刀盘主驱动变量马达的数量 zm 、刀盘主驱 动装置减速器与大齿圈的总减速比 i 以及刀盘主驱动 电机的转速 ndm 决定 。在正常情况下 , zp 、zm 、i 、ndm 均 为常数 ,故可调节的变量只有 qp 和 qm 。通过调节变量泵和变量马达的排量可实现刀盘 转速的实时调节 。一般情况下主要是通过调节泵的 排量实现 ,2 个排量 750 mLr 变量泵通过调节远程 电液比例溢流阀的压力实现 ,2 个排量 250 mLr 电 液比例变量泵由专用电控系统控制 ,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 ,特将 马达设定为 2 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 2 所示 , 软岩工况时 ,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 ;硬岩工况时 ,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 处于设定值上 ( 根据负载工况 , 初定为 6 MPa ,对应 马达排量 300 mLr) ,实现刀盘的高速转动 。图 4 换油和冷却系统的等效阻尼网络图壳体冲洗流量的作用有 2 个 : 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 。变量泵壳体的冲洗流量要求 30 Lmin ; 变量马达壳体的冲洗流量要求 20 Lmin 。泵马达壳体冲洗 流量的控制由阻尼孔的参数和补油泵的工作压力来 保证 。变量泵的壳体压力小于 015 MPa ; 变量马达的图 2 马达变量控制模块 图 3 刀盘制动模块原理图 149 Vol128No19 盾构刀盘主驱动闭式液压系统 胡国良 ,等第 28 卷第 9 期壳体压力小于 014 MPa 。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 。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 。这可 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 2 个蓄能器来吸收换 油回路的压力脉动 。2 刀盘驱动系统调试安装2 . 1 安装前的准备状态 。(3) 以转速尽可能低的方式启动电动机 ,直至系 统建立起补油压力 。(4) 补油压力建立起来后 ,将电动机增至额定转速 ,检测补油压力数值 。如果补油压力不符合要求 , 要立即关掉电动机 ,查明原因并予以解决 ;如补油压 力正常 ,则关掉电动机 ,联接好泵的控制信号并重新 起动电动机 ,检查泵的中位状态是否良好 。(5) 将原动机增至额定转速 , 向泵输入控制信 号 ,使系统尽可能慢地投入工作并检查系统的正反向工作状况 。(6) 连续慢慢地让系统正反向交替工作至少 5 min 。(7) 如果油液中气泡较多 ,需等待气泡消失后 ,再次起动电动机 , 让系统正反向交替工作几分钟 。 然后再关掉电动机 。如有必要 ,这个过程要反复进 行多次 ,直至气泡完全消失 。3刀盘主驱动系统调试分析调试时 2 台排量 750 mLr 的双向变量泵和 2 台 排量 250 mLr 的变量泵均打开 。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 0100 %用 数字输入或者按键加减输入 。系统设有故障检测 ,3 个滤油器发讯器发讯时 ,系统显示 ,并有文字出现 。 为了便于说明 ,将试验中的 2 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 。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 216 MPa 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 5 、图 6 所示 。(1) 保持系统零部件的清洁仔细检查主驱动泵和变量马达以及所有的系统部件 ,如油箱 ,管路 ,阀 ,接头和散热器等 ,确保无损坏 ,无污染 ,并且集成 阀块加工部位的切屑要清理干净并进行清洗 。(2) 液压油的清洁 注意油液的污染度及湿度 , 避免任何污物进入油箱 。加油时必须经过过滤器 , 油箱内部如果涂有涂层的话 ,必须与所使用的油液 相容 。2 . 2 安装过程的实施禁止使用强力作用于液压系统 ,以避免使管路 系统和元器件承受横向作用力及内部应力 ,一定要 注意保护管路系统 ; 正确布置软管 , 避免软管的扭 转 、憋劲 、擦伤和磕碰 ; 系统的联接一定要符合推荐 标准 ,全部系统管路联接和密封要可靠 ,无渗漏现象 出现 。2 . 3投入运行调试前的注意事项 刀盘液压系统按要求安装完毕后 ,就可以开始投入运行 ,进行液压系统的调试 。调试前液压油箱 中要加入尽可能多的干净的液压油 ,同时要对泵 、马 达壳体 、主系统管路等进行注油 ,主要是由于油的黏度大 、管道长 ,油泵吸油管路中的空气排不出去 ,如 果再加上调试下线时安装工人在 30 s 内将柴油机 的速度从启动急升速到最高转速 ,补油泵的早期磨 损不可避免 。在系统最初启动时 ,最好按下述规程进行操作 ,以便最大限度地保护泵和马达液压元件 :(1) 在补油压力测压口安装适当量程的压力表 ,以便在启动调试过程中检测补油压力 。(2) 断开泵的输入控制信号 ,以确保泵处在中位图 5 1 号泵合并时刀盘转速曲线 150煤矿机械Coal Mine MachineryVol128No19Sep . 2 0 0 7第 28 卷第 9 期2007 年9 月革新改造矿用蓄电池式电机车斩波调速改造韩明武 , 马吉志 , 刘兆元(哈尔滨工业大学 , 哈尔滨 150001)摘要 : 针对串电阻调速电机车存在的弊端 ,提出进行斩波调速改造 ,以多只功率 MOSFET 并联作为开关管设计直流斩波驱动器 ,对电机车 2 台 22 kW 直流电机分别进行驱动 ,每路最大输出电 流为 150 A 。双向牵引和制动能相互自如转换 ,应用 PLC 统一进行控制 ,操作方便 ,并设计了保护 和故障报警电路 。关键词 : 电机车 ; 斩波调速 ; MOSFET ; 改造中图分类号 : TM91文献标志码 : A文章编号 :100320794 (2007) 0920151203Transf ormation of Chopping Speed f or Battery Electrical LocomotiveUsed in Coal MineHAN Ming - wu , MA Ji - zhi , L IU Zhao - yuan( Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China)Abstract : In view of the drawbacks existed in speed regulation of electrical locomotive with series resistance , the transformation of chopping speed regulation is put forward. Introduces that chopping DC drives designed with several parallel power MOSFET drive two 22 kW electromotor separately , and each output current can reach 150 A. Bidirectional traction and applying the brake can transform smoothly controlling by PLC , the op2 eration is very easy and safeguard circuit which can give an alarm if abnormal functioning is designed.Key words :electrical locomotive ; chopping speed regulation ; MOSFET ; transformation0引言电机车是煤矿井下一种主要的运输装置 ,目前 主要采用串激直流电机驱动 ,这主要是由于串激直流电动机启动力矩大 ,过载能力强 。在调速方式上 ,多年来主要采取串电阻调速方式 ,这种调速方式的弊端很明显 ,其电阻本身的能耗始终无法解决 ,造成能源的浪费 ;调速是有级的 ,机械传动不能实现软起 动 ,起动时冲击较大 ; 机车运行时 ,控制器带负荷切换 ,触头承受冲击电流较大 ,易短路烧损 ,维修量大 ;对小型蓄电池电机车来说