盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動方式研究

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動方式研究

1刀盤驅(qū)動方式的選擇預(yù)制開挖機(jī)是一種集成機(jī)械制造、新材料、新技術(shù)、電子、自動化等高科技技術(shù)的大型高新技術(shù)建筑設(shè)備。它適用于地下埋路的地下通道工程。具有挖掘速度快、質(zhì)量高、人員技術(shù)工作強(qiáng)度低、安全高、地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的開挖和爆炸法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)具有良好的整體效果?，F(xiàn)在，它已經(jīng)進(jìn)入了原油和能源的自動控制、智能化和多功能化的方向。盾構(gòu)的主要組成包括刀盤系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋機(jī)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。刀盤是盾構(gòu)的關(guān)鍵部件之一,是盾構(gòu)主要工作部件。刀盤的主要功能有:開挖功能、穩(wěn)定功能和攪拌功能。刀盤驅(qū)動具有功率大且變化范圍廣的特點(diǎn),這是因?yàn)樨?fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的,如切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大。目前,刀盤主要驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、變頻電機(jī)驅(qū)動方式。(1)刀盤液壓驅(qū)動主要由液壓泵站、閥塊組、管路、驅(qū)動液壓馬達(dá)、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)速通過液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)具有體積小,便于刀盤調(diào)速及過載保護(hù)的特點(diǎn)。(2)變頻電機(jī)驅(qū)動主要由變頻電機(jī)、減速機(jī)、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成。變頻電機(jī)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),刀盤通過電機(jī)調(diào)節(jié),有較大轉(zhuǎn)矩儲備,傳動效率高。兩種驅(qū)動方式在盾構(gòu)上都得到廣泛的使用。從這兩種刀盤驅(qū)動方式的性能對比中可知,針對各種不同的地層,它們都具有良好的調(diào)速性能,使刀盤能夠很好地開挖。變頻驅(qū)動設(shè)備費(fèi)用高,控制技術(shù)復(fù)雜,但是具有較高的傳動效率,較低能源消耗,可節(jié)省電力費(fèi)用;液壓驅(qū)動具有良好的抗沖擊能力和過載保護(hù)性能,占用空間小,維修保養(yǎng)相對簡單,可靠性高。目前采用閥控馬達(dá)的控制方式,系統(tǒng)功率勢必按所需的最大功率設(shè)計(jì),在遇到欠負(fù)載工況時(shí),系統(tǒng)效率低下,大量的功率將通過熱的形式耗散,使系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重,進(jìn)而影響盾構(gòu)推進(jìn)速度。本系統(tǒng)為863項(xiàng)目“盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺”的刀盤驅(qū)動液壓子系統(tǒng)。采用變量泵控制定量馬達(dá)的液壓系統(tǒng)來驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動,除了很好地提供動力外,還要研究刀盤的負(fù)載敏感控制和盾構(gòu)所特有的節(jié)能問題。2壓力傳感控制如圖1所示為刀盤結(jié)構(gòu)及其部分液壓原理圖。液壓系統(tǒng)為開式回路,可適應(yīng)兩種工況,即軟巖工況時(shí)的低速大轉(zhuǎn)矩和硬巖工況時(shí)的高速小轉(zhuǎn)矩,兩種工況轉(zhuǎn)換可通過控制電磁換向閥5.3來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電磁鐵C斷電時(shí),溢流閥5.1確定系統(tǒng)最高壓力,此時(shí),系統(tǒng)壓力設(shè)定為10MPa,輸出轉(zhuǎn)矩小,但流量大(最大為300L/min),輸出轉(zhuǎn)速高;當(dāng)電磁鐵C通電時(shí),溢流閥5.2確定系統(tǒng)最高壓力,此時(shí),系統(tǒng)壓力設(shè)定為20MPa,輸出轉(zhuǎn)矩大,但流量小,輸出轉(zhuǎn)速低。刀盤轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)變量泵6的排量實(shí)現(xiàn),壓力傳感器3測量液壓馬達(dá)的進(jìn)油口壓力,壓力信號經(jīng)處理后反饋到變量泵的比例閥上,構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。變量控制機(jī)構(gòu)使得泵的排量在其整個(gè)范圍內(nèi)可無級調(diào)節(jié),并與比例電磁鐵的控制電流成比例,恒功率控制優(yōu)先于變量控制,即低于功率曲線(功率雙曲線)時(shí)排量受控制電流的調(diào)整,如果設(shè)定流量或工作壓力使功率曲線超過,則恒功率控制取代電控變量并按照恒功率曲線減小排量。液壓馬達(dá)1的正反轉(zhuǎn)可通過電液換向閥4來控制,電磁鐵B1通電,馬達(dá)正轉(zhuǎn),電磁鐵B2通電,馬達(dá)反轉(zhuǎn),由主閥P口的單向預(yù)壓閥8建立最低的控制油壓力,該閥的開啟壓力約為0.85MPa。3設(shè)計(jì)閥座和液壓站1插裝件、控制板及插裝閥塊二通插裝閥是采用先導(dǎo)控制、座閥結(jié)構(gòu)主元件和插裝式連接的新型控制元件。它具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)、性能可靠、流動阻力小、動作可靠、易集成、無泄漏等一系列優(yōu)點(diǎn),特別適用于大流量液壓系統(tǒng)的集成化控制。本系統(tǒng)的安全壓力由插裝閥5設(shè)定,通過2個(gè)先導(dǎo)閥和1個(gè)電磁換向閥為系統(tǒng)設(shè)定了2個(gè)最高壓力,以適應(yīng)挖掘中的兩種工況。插裝件為錐閥結(jié)構(gòu),是D型帶阻尼孔的NG32通徑插件。通過合理設(shè)計(jì)控制蓋板的流道,與先導(dǎo)控制閥組合后可以控制插裝件的工作狀態(tài),控制蓋板內(nèi)還配置一個(gè)阻尼螺塞,調(diào)整插裝件的響應(yīng)時(shí)間。先導(dǎo)控制閥采用NG6通徑溢流閥和電磁換向閥,控制插裝閥的啟閉。所有插件安裝在符合DIN24342的安裝孔內(nèi),閥塊按回路要求加工主級及先導(dǎo)油路通道,與插裝件、控制蓋板和先導(dǎo)控制閥件構(gòu)成液壓系統(tǒng)控制塊體。集成閥塊采用了三維參數(shù)化設(shè)計(jì),用PRO-E軟件建立的閥體三維實(shí)體是一個(gè)逼真的零件,可以方便、直觀地檢查其上的油孔與油孔之間的位置關(guān)系是否符合液壓系統(tǒng)原理的邏輯要求,各安裝孔的位置是否符合設(shè)計(jì)要求。此外,建立了閥體上要安裝的各種液壓元件的三維模型。通過虛擬裝配,觀察裝配體的各個(gè)部位,檢查設(shè)計(jì)的正確性、合理性和準(zhǔn)確性。2液位控制繼電器和溫度由于液壓站放置在盾體內(nèi)部,決定了液壓站的布局為串列式,即泵與電機(jī)在前,油箱在后。盾體一節(jié)長為3m,限制了油箱的長度,為了盡可能增大油箱的體積,油箱設(shè)計(jì)成具有最大截面的異形油箱。通常,刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)的能耗較大,需要散發(fā)的最大熱功率可按主驅(qū)動電機(jī)的功率損失全部轉(zhuǎn)化成熱量計(jì)算。系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)的熱功率為:其中Nηηηη經(jīng)溫升校核,系統(tǒng)溫升不在允許溫升范圍內(nèi),所以系統(tǒng)設(shè)置了水冷卻器。根據(jù)要求,液壓系統(tǒng)需要對油箱液面、溫度實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控,在油箱上安裝了液位控制繼電器和溫度控制繼電器。液位控制繼電器是高位觸發(fā),系統(tǒng)報(bào)警;低位觸發(fā),系統(tǒng)停機(jī)。溫度控制繼電器既能輸出開關(guān)信號,又能輸出模擬信號。溫度達(dá)到55℃,繼電器觸發(fā),冷卻系統(tǒng)起動;溫度低于40℃,繼電器觸發(fā),冷卻系統(tǒng)