盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)效率分析

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)效率分析

由于液壓傳壓的能量利用率低，且各機件系統(tǒng)效率低，因此節(jié)能一直是液壓傳壓設(shè)備的主要研究方向之一。蔣正偉等人將其劃分為五個階段：“泵壓”為第一個階段，“負荷敏感泵壓”為第二個階段，“負荷敏感泵壓”為第三個階段，“泵體積控制”為第四個階段，“泵轉(zhuǎn)壓控制”為第五個階段。盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展也可以按上述的幾個階段劃分.20世紀70年代的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動開始采用變量泵驅(qū)動液壓馬達技術(shù),但控制方式還比較簡單.大排量比例變量泵出現(xiàn)后,盾構(gòu)刀盤驅(qū)動普遍采用電液比例變量泵驅(qū)動變量(定量)馬達和比例恒功率控制技術(shù).此外,二次調(diào)節(jié)技術(shù)也有應(yīng)用的實例,Tamaki等通過一個齒輪驅(qū)動裝置實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的二次調(diào)節(jié);另外,有些刀盤驅(qū)動元件采用泵馬達,目前,二次調(diào)節(jié)主要用于改善馬達故障時液壓系統(tǒng)的性能.隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速技術(shù)逐步受到重視,彭天好等將其應(yīng)用在盾構(gòu)刀盤驅(qū)動中.盡管目前盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)普遍采用了節(jié)能的容積調(diào)速回路,但液壓系統(tǒng)效率與電機直接驅(qū)動相比仍然偏低.本文以?6.3m土壓平衡盾構(gòu)和?1.8m模擬試驗盾構(gòu)為研究對象,從提高液壓系統(tǒng)效率的角度出發(fā),分析了多種盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng),通過仿真研究各液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率,為盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)的進一步節(jié)能奠定了基礎(chǔ).1基于構(gòu)建刀盤的故障監(jiān)控系統(tǒng)原理1.1變量泵控制系統(tǒng)圖1所示為?6.3m土壓平衡盾構(gòu)的2種液壓驅(qū)動回路方案.圖1(a)為目前常用的多泵聯(lián)合驅(qū)動方式,圖1(b)為新提出的多泵組合驅(qū)動方式.圖1中2種液壓回路的共同點是:多個變量泵驅(qū)動多個高速小扭矩變量馬達;閉式液壓回路;通過雙向變量泵控制刀盤正反轉(zhuǎn);液壓馬達通過環(huán)形管路吸油或排油.2種液壓回路的區(qū)別是:圖1(a)所示為3個型號相同的大排量變量泵聯(lián)合驅(qū)動,采用統(tǒng)一的液控變量,即通過控制壓力對3個變量泵同時進行比例與恒功率控制.圖1(b)所示為2個大排量變量泵與2個小排量變量泵組合驅(qū)動,可根據(jù)不同掘進工況適當開啟不同排量泵進行組合驅(qū)動.2個大排量變量泵通過控制壓力實現(xiàn)比例與恒功率控制,2個小排量變量泵通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)比例與恒功率控制.當?shù)侗P反轉(zhuǎn)時,通過電控系統(tǒng)協(xié)調(diào).1.2速驅(qū)動方式圖2所示為?1.8m模擬試驗盾構(gòu)的2種液壓驅(qū)動回路方案.圖中,n為轉(zhuǎn)速,p為壓力.圖2(a)為目前常用的變排量容積調(diào)速驅(qū)動方式,圖2(b)為新提出的變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速驅(qū)動方式.圖2中2種液壓回路的共同點是:單個變量泵驅(qū)動2個高速小扭矩定量馬達;開式液壓回路;通過三位四通換向閥控制刀盤正反轉(zhuǎn);采用閉環(huán)控制方式.2種液壓回路的區(qū)別是:圖2(a)所示為變排量容積調(diào)速方式,圖2(b)所示為變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速方式,動力源為變頻電機+定量泵,通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)液壓泵輸出流量的調(diào)節(jié).2變量泵與變量馬的效率分析2.1斜管式柱塞變量泵或馬達的泵變量泵的容積效率:ηpv=qVoutqVin=10-3npVg-ql10-3npVg式中:qVout為泵(或馬達)的輸出體積流量;qVin為泵(或馬達)的輸入體積流量;np為泵的轉(zhuǎn)速;Vg為泵(或馬達)的排量;ql為泵(或馬達)的泄漏量,ql=CsΔp/μ,其中,Cs為與泵(或馬達)結(jié)構(gòu)相關(guān)的泄漏系數(shù),Δp為泵(或馬達)進出口壓差,μ為動力黏度.設(shè)泵的排量比β=Vg/Vgmax(0<β≤1),其中,Vgmax為泵(或馬達)的最大排量,則ηpv=1-CsΔp10-3μnpVgmaxβ.斜盤式柱塞變量泵的機械效率:ηpm=ΤpoΤpi=ΤpoΤpo+Τpf.式中:Tpi為泵的輸入扭矩;Tpo為泵沒有容積損失的輸出扭矩,Tpo=9550ΔpqVin/(60np),其中,qVin=10-3npVgmaxβ;Tpf為泵的摩擦阻力矩,Τpf=fvnp60D2+fkD3Δp+zfAΔpcos(θβ)r+Τc,其中,fv為黏性摩擦系數(shù),f為庫侖摩擦系數(shù),D為缸體直徑,k為與配油盤結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù),z為滑履數(shù)量,A為滑履與斜盤接觸面積,r為滑履中心到軸心的半徑,Tc為與壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)摩擦阻力矩.則ηpm=[1+(CvnpΔp+Cf+Τc0.159VgmaxΔp)1β]-1.式中:Cv為黏性阻尼系數(shù),Cv=fvD2×9550Vgmax×10-3;Cf為機械阻尼系數(shù),Cf=60fkD3+60zfAcos(θβ)r9550Vgmax×10-3.2.2u3000馬達性能ηmv=qVoutqVin=10-3nmVg10-3nmVg+ql.式中:nm為馬達的轉(zhuǎn)速.設(shè)馬達的排量比α=Vg/Vgmax(0<α≤1),則ηmv=[1+CsΔp10-3μnmVgmaxα]-1.斜盤式柱塞變量馬達的機械效率:ηmm=ΤmoΤmi=Τmi-ΤmfΤmi.式中:Tmo為馬達輸出扭矩;Tmi為不考慮泄漏馬達的輸入扭矩,Tmi=9550ΔpqVout/(60nm),其中,qVout=10-3nmVgmaxα;Tmf為馬達的摩擦阻力矩,Τmf=fvnm60D2+fkD3Δ+zfAΔpcos(θβ)r+Τc.則ηmm=1-1α(CvnmΔp+Cf+Τc159VgmaxΔp).3基于液壓機的模擬模型建設(shè)3.1子模型與參數(shù)多泵聯(lián)合驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示,多泵組合驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.仿真模型根據(jù)實際系統(tǒng)搭建,包括主回路、補油回路和控制壓力回路,控制壓力回路進行變量泵的比例與恒功率控制.模型中,采用7個摩擦扭矩發(fā)生器模擬不同工況下的刀盤扭矩,其中一個信號源為隨機諧波信號源,用于模擬負載的波動,其余的信號源為分段線性信號源;通過液阻模擬大排量泵與液壓馬達的泄漏,因此,相應(yīng)子模型的容積效率設(shè)定為1;AMESim液壓元件庫中沒有的子模型,通過HCD庫搭建,它們是3位3通換向閥、功率限制閥、2位4通換向閥和順序閥的子模型.模型中采用各種傳感器并通過函數(shù)模型計算效率.根據(jù)效率公式,2種液壓泵效率參數(shù)分別根據(jù)A4VSG750型變量泵和A4VG250型變量泵樣本參數(shù)逆推設(shè)定.幾個主要子模型的參數(shù)值如下:負載轉(zhuǎn)動慣量I=4.5×104kg·m2;負載黏性阻尼系數(shù)C=500N·m·(r/min)-1;馬達最大排量Vgmax=500mL/r;馬達機械效率ηm=1-(2.6×10-4nm/Δp+0.042+0.2/Δp)/α;A4VSG750型變量泵機械效率為1/(1+(2.362×10-4np/Δp+0.05+0.2/Δp)/β);A4VG250型變量泵機械效率為1/(1+(1.16×10-4np/Δp+0.034+0.2/Δp)/β).3.2液壓馬達性能仿真模型模擬盾構(gòu)的變排量容積調(diào)速液壓系統(tǒng)仿真模型見圖5,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速液壓系統(tǒng)仿真模型見圖6.仿真模型省略了真實系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的壓力控制部分,模型中,三位四通換向閥通過HCD庫元件搭建.仿真模型中定量泵子模型不考慮效率,其容積損失通過一個液阻模擬.兩液壓泵效率參數(shù)分別根據(jù)A4VSG250型變量泵和A4VSO250型定量泵樣本參數(shù)確定,忽略液壓馬達機械效率隨著壓力和轉(zhuǎn)速的變化.2個仿真模型中相同的主要子模型參數(shù)值如下:I=4800kg·m2,c=900N·m·(r/min)-1,Vgmax=45mL/r,ηm=1,馬達泄漏系數(shù)CmL=1.1L/(min·MPa);另外,圖5模型中,A4VSG250型變量泵的機械效率為1/(2.362×10-4np/Δp+1.05+0.2/Δp);圖6模型中,A4VSO250型定量泵的機械效率為1/[1+(0.034+0.386/Δp)/β],其泄漏系數(shù)CpL=1.8L/(min·MPa).表1列舉了不同負載率δ下ABB公司的異步電機效率,包括355L4A型、315L4A型異步電動機,以及變頻調(diào)速時315L4A型異步電動機的效率.4比較機電系統(tǒng)效率的分析4.1通插裝式小排量泵組合驅(qū)動系統(tǒng)仿真根據(jù)不同馬達排量對應(yīng)的刀盤扭矩設(shè)置了6種仿真工況(不同馬達排量或不同刀盤扭矩).仿真時,多泵聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)3個大排量泵同時運行,而多泵組合驅(qū)動系統(tǒng)最初只有2個大排量泵同時運行,小排量泵隨著刀盤轉(zhuǎn)速增加在需要的時候并入系統(tǒng)中.兩驅(qū)動系統(tǒng)效率對比仿真結(jié)果如圖7所示.結(jié)果表明,多泵組合驅(qū)動系統(tǒng)效率比多泵聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)效率高,當馬達排量為500cm3/r,刀盤轉(zhuǎn)速為1r/min時,刀盤扭矩為4000kN·m,效率可提高7%.;當馬達為300cm3/r,刀盤轉(zhuǎn)速為2r/min時,刀盤扭矩為2000kN·m,效率可提高6.7%.多泵組合驅(qū)動系統(tǒng)效率高的原因是由于驅(qū)動電機的負載率和液壓泵的排量比提高了.4.2不同刀盤轉(zhuǎn)速對效率比變批量容積風速的影響根據(jù)模擬盾構(gòu)實際運行情況,按刀盤扭矩分為3種工況.2種驅(qū)動系統(tǒng)效率的對比仿真結(jié)果如圖8所示.圖8(a)為在黏土層掘進(刀盤扭矩40kN·m),當?shù)侗P轉(zhuǎn)速分別為0.5、1.0和1.5r/min時,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)效率比變排量容積調(diào)速效率高26.0%、19.6%和15.3%,刀盤轉(zhuǎn)速越低效率差越大,變化幅度大.圖8(b)所示為在砂土層掘進(刀盤扭矩為100kN·m),當?shù)侗P轉(zhuǎn)速分別為0.5、1.0和1.5r/min時,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)效率比變排量容積調(diào)速效率高12.8%、10.1%和9.2%,刀盤轉(zhuǎn)速越低效率差越大,但變化幅度小.圖8(c)為在砂礫土層掘進(刀盤扭矩為60kN·m),當?shù)侗P轉(zhuǎn)速分別為2、3和4r/min時,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)效率比變排量容積調(diào)速效率高10.6%、6.2%和4.0%,刀盤轉(zhuǎn)速越低效率差越大,變化幅度大.結(jié)果表明,相同工況下,當?shù)侗P轉(zhuǎn)速為0.5～4.0r/min時,變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速比變排量容積調(diào)速的效率高4%～26%,在負載小、刀盤轉(zhuǎn)速低的情況下節(jié)能效果更為明顯.盾構(gòu)刀盤驅(qū)動的變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)效率比變排量容積調(diào)速效率高的原因是:1)定量泵取代變量泵后Vg/Vgmax明顯提高;2)定量泵的機械效率比變量泵的機械效率高;3)變頻驅(qū)動時電機的利用率提高了.5結(jié)論(1)液壓系統(tǒng)效率m土壓平衡盾構(gòu)為研究對象,對比分析了閉式泵控回路的多泵聯(lián)合驅(qū)動和多泵組合驅(qū)動兩種方