煤矿斜井盾构机推进系统分区控制研究

煤矿斜井盾构机推进系统分区控制研究

推进系统是支撑机的一项重要系统，它为推动构建机的发展提供了动力。盾构机推进系统具有驱动功率大、负载变化频繁、安装空间狭小、工作环境恶劣等特点,基本上都是采用液压系统驱动,主要由液压泵站、推进油缸及控制阀组组成。根据盾构机在不同地质条件和工况下掘进的要求,对推进系统的参数进行相应调整,使得盾构机能够按照设计路线高效、稳定地向前掘进。1盾构机设计方案推进系统由推进油缸为盾构机提供推进动力。推进油缸数量根据盾构机所需的推进力及管片结构进行设计,本工程盾构机设计为34根,其中有15组双缸、4组单缸,推进油缸沿盾体内壁周向布置推进系统具有两种工作模式,一种是推进模式,即盾构机向前掘进,刀盘旋转开挖掌子面的过程;另一种是管片拼装模式,即1个掘进循环结束,刀盘停止开挖,由管片拼装机拼装混凝土衬砌管片的过程。1.1推进油缸设计推进模式下推进油缸采用分区控制,设上下、左右4个分区,A区(上)8根推进油缸、B区(右)8根推进油缸、C区(下)10根推进油缸、D区(左)8根推进油缸。其中,C区推进油缸数量最多,这样设计可使盾体下部提供较大的推进力,防止盾构机因刀盘和盾体自重而向下栽头。4个分区各有1根推进油缸带内置式行程传感器,可在盾构机掘进时检测推进速度和推进行程。推进油缸的推进速度在盾构机掘进时可实时无级调节,根据盾构机的实际工况选择合适的推进速度,可提高盾构机的工作效率,降低设备的损耗。4个分区的推进压力可以独立调节,以实现盾构机姿态调整和曲线掘进的需要,如图1所示。1.2片拼装模式管片拼装模式下,推进油缸主要是配合管片拼装机拼装管片,以及稳定盾体防止其后退。在管片拼装模式下,每组推进油缸可独立动作。为减少管片拼装的时间,推进油缸的伸缩速度设计为一个较快的固定值,不需要进行实时调节。推进油缸的工作压力也设置为一个固定值,在该设定压力下,推进油缸提供的推力足够顶住盾体防止后退,同时又不至于过大将刀盘顶进掌子面。2斜井坡度调查本工程为某煤矿1号矿井的主斜井,长6553m,埋深688m,斜井坡度为6°下坡。盾构机刀盘开挖直径7620mm,中盾直径7550mm,管片长1500mm,所需最大推进力为39500kN,最大推进速度为120mm/min2.1推进系统缸径d的确定根据盾体内空间布局及管片结构,推进油缸数量设计为34根。推进系统液压泵选用REXROTH品牌A4VSO系列轴向柱塞变量泵(额定工作压力35MPa),该系列液压泵为工业重载泵,工作压力高、质量可靠、寿命长,可适应煤矿斜井盾构机的恶劣工况。推进油缸规格设计ф230/200-2200时,推进系统所能提供的最大推力为:式中:D为油缸缸径;p该推力可满足本工程盾构机的推力需求,并有较大裕量,推进油缸规格设计合适。实际工作时推进油缸所需的最大工作压力为:式中:F2.2压泵驱动电机在盾构机最大推进速度为120mm/min时,推进油缸所需的流量为:式中:v为盾构机推进速度。液压泵驱动电动机为三相四极异步电动机,电动机转速约1500r/min,则所需液压泵排量为:式中:n为电动机转速;η则液压泵排量需>115mL/r,参照A4VSO系列液压泵选型样本并考虑拼装管片时推进油缸需要快速伸缩,选择液压泵排量为180mL/r,液压泵型号为A4VSO180DRG。2.3驱动电机功率按照盾构机推进系统的极限工况,即在实际最大推力和最大推进速度下掘进,推进液压泵所需驱动功率为:式中:η考虑到盾构机极少在极限工况下工作,选用90kW电动机可保证盾构机推进系统在一般工况下驱动功率有足够的裕量,也可满足盾构机偶尔在极限工况下工作。推进系统配置如表1所示。3推广系统控制原则3.1推进油缸分区控制方案推进系统液压泵P1采用轴向柱塞变量泵,由电动机M1驱动,用比例溢流阀V2对泵进行远程压力控制。泵出口溢流阀V1起安全保护作用。压力传感器S1和压力表S2用于检测泵出口压力。手动球阀V3用于泵的调试和检修,单向阀V4可防止系统的负载波动对液压泵造成冲击(见图2)。4个分区的推进油缸各采用1个阀组进行独立控制。各分区控制阀组工作原理一致,现以B区推进油缸控制阀组为例进行分析。推进油缸分区控制阀组由几个功能块组合而成。公共块Z2控制整个分区控制阀组的油源,对油源进行调节后输送到单组油缸控制块。单组油缸控制块Z3,Z4,Z5分别独立控制1组推进油缸的伸缩。其中,控制带行程传感器油缸TCC04的控制块Z4上安装有压力传感器S3,用于检测推进油缸无杆腔的工作压力。3.2推进缸压力和姿态调整系统从液压泵P1输出的压力油经过滤器F1过滤后进入公共块Z2的P口,在推进模式下,电磁球阀V6不得电,阀芯处于左位,进入P口的压力油经电磁球阀左位进入二通插装阀V7的控制油腔将V7关闭。压力油再经过滤器F2过滤后进入比例调速阀V5,经V5进行流量调节后输送到单组油缸控制块,比例溢流阀V8对比例调速阀V5输出的压力油进行压力调节。单组油缸控制块Z3上的电液换向阀V9在推进模式下右侧电磁铁得电,阀芯切换到右位,进入控制块的压力油流经电液换向阀V9右位及液控单向阀V11。电磁球阀V13在推进模式下不得电,压力油经电磁球阀V13右位进入二通插装阀V12的控制油腔将V12关闭。电磁球阀V15在推进模式下不得电,阀口关闭。流经液控单向阀V11后的压力油进入推进油缸无杆腔,推动油缸活塞杆伸出,活塞杆通过撑靴顶在已经拼装成环的管片上,反推盾体向前移动,配合刀盘的旋转,开挖掌子面。溢流阀V14用于限定推进油缸无杆腔的最大工作压力,防止因掌子面压力过大反推盾体而损坏推进油缸及其他设备。液控单向阀V11在推进油缸不动作时可将油缸无杆腔的压力油锁住,防止推进油缸在外力作用下回缩导致盾体倒退。单向阀V10可防止回油管路中的压力将液控单向阀V11误开启。盾构机掘进时,不同工况下的推进速度和姿态调整通过4个分区控制阀组的比例调速阀和比例溢流阀的联合调节来实现。4个分区控制阀组的比例调速阀由1个电位计进行统一同步控制,电位计调节到一个控制值后,根据各分区推进油缸数量的不同,控制程序会给出对应比例的控制电流到各分区的比例调速阀,调节各分区的压力油流量,当其他条件一致时,各分区的推进速度相同。实际工况下,假设整个掌子面的地质均匀一致,由于刀盘和盾体自重的关系,在直线掘进时,下部(C区)推进油缸的阻力会比较大,上部(A区)推进油缸的阻力比较小,这时需根据负载阻力的不同通过比例溢流阀将4个分区设定不同的工作压力;使得各分区比例调速阀输出的压力油经比例溢流阀溢流损失的流量保持与各分区推进油缸数量相应的比例,这样最终实际输送到各分区推进油缸的压力油流量也保持相应的比例,盾构机保持直线掘进。保持4个分区的设定压力不变,调节电位计的设定值可调节盾构机的推进速度。当盾构机掘进过程中遇到地质突变,负载阻力突然加大时,推进系统工作压力会跟随有一个小范围升高,如果负载阻力保持较高,因推进分区压力没有进行调节保持在负载阻力突变前的设定值,因此大部分压力油将从比例溢流阀溢流,推进速度下降,推进系统工作压力不会一直升高。这样可防止盾构机推进力突然大幅度升高引起刀盘负载扭矩随之大幅升高可能导致的刀盘卡死或盾体侧滚,具有弹性保护作用当盾构机进行转弯调向或姿态调整时,需要根据调节的方向对4个分区比例溢流阀的设定压力进行调整。如果需要向左转弯,则在直线掘进设定压力的基础上调大右侧(B区)分区推进油缸的工作压力,使右侧分区压力油溢流流量减小,实际到达推进油缸的流量增大,速度加快;同时调小左侧(D区)推进油缸的工作压力,使左侧分区压力油溢流流量增大,实际到达推进油缸的流量减小,速度减慢,实现向左转弯调向3.3管片拼装模式从液压泵P1输出的压力油经过滤器F1过滤后进入公共块Z2的P口,在管片拼装模式下,电磁球阀V6得电,阀芯切换到右位,二通插装阀V7的控制油腔通过电磁球阀V6的右位与回油路连通,压力油进入二通插装阀V7工作腔将阀口打开,压力油流经二通插装阀V7后输送到单组油缸控制块。单组油缸控制块在管片拼装模式下推进油缸的伸出控制与推进模式下一致。管片拼装模式下缩回推进油缸时,因推进油缸无杆腔压力较大,为降低换向冲击,需先将无杆腔泄压。按下推进油缸回缩按钮后,电磁球阀V15先得电,阀口打开,推进油缸无杆腔的压力油经节流孔D1和电磁球阀V15与回油路连通,压力逐渐释放。3s后电磁球阀V15断电,电液换向阀V9左侧电磁铁和电磁球阀V13同时得电,电液换向阀V9阀芯切换到左位,压力油经电液换向阀左位进入推进油缸有杆腔,推动油缸活塞杆回缩,压力油流经电液换向阀后同时将液控单向阀V11打开,从推进油缸无杆腔流回的液压油一部分经液控单向阀V11、电液换向阀V9和单向阀V10流入回油路。电磁球阀V13得电后阀芯切换到左位,二通插装阀V12的控制腔通过电磁球阀V13左位与回油路连通。从推进油缸无杆腔流回的液压油大部分进入二通插装阀V12工作腔将阀口打开后流入回油路。推进油缸实现缩回。4推进油缸优化本工程盾构机在掘进施工过程中,工作性能稳定,无重大故障,仅在盾构机掘进初期出现一次B区推进阀组压力调节问题。即在盾构机推进模式下,B区工作压力调至11MPa后无法继续调高,其他分区压力调节正常。根据故障现象,故障点应该在B区推进阀组内部,首先检查公共块上的比例调速阀和比例溢流阀,用万用表测量比例调速阀和比例溢流阀的控制电流与操作指令相符。在推进模式下屏蔽B区所有推进油缸动作,即B区推进阀组上所有电液换向阀V9不得电,将比例调速阀控制电流比例给到20%,将比例溢流阀控制电流从0开始逐渐增大,此时实际压力随电流增大而增大,可达到程序设定的最大压力30MPa,由此可以确定比例溢流阀工作正常。再在推进模式下逐个屏蔽单组推进油缸,分别屏蔽推进油缸TCC04和推进油缸TCC05时,故障现象与最初一致。当屏蔽推进油缸TCC06时,现象出现变化,B区工作压力可调至14MPa(因施工因素限制,未继续调高),因此判定故障点在单组油缸控制阀组Z5内部。可能的压力泄漏点有溢流阀V14、电磁球阀V15、二通插装阀V12。按照从易到难的原则,首先更换电磁球阀V15,试验后故障未消除。再更换电磁球阀V13,试验后故