载荷特征预测的盾构机刀盘节能驱动技术研究

边野++刘志明++吕贺峰

摘 要：随着社会的发展，在城市中有很多的地铁隧道，而且这种隧道的使用被国内外广泛使用着，盾构机是当前社会挖掘地下空间的主要工具，但相对的这个机械强大的动力所费的能源也是非常庞大的，所以研究节约能源的盾构机驱动系统是现在工程设计师需要解决的问题，本文针对盾构机的操作系统进行分析，结合刀盘液压系统的特点，为盾构机所存在的问题进行解决。

关键词：盾构机；液压驱动系统；地下隧道

中图分类号：U455.39 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0070-02

盾构机是一种用于挖掘地下隧道的庞大机械，具有安全可靠，工作环境良好等特点，盾构机还能很好的适应地址结构复杂且水位高的施工环境，而且有些隧道较深只能用盾构机施工。

1 盾构机的结构特点

（1）刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部件，也是盾构机进行工作的重要装置，盾构机的刀盘操作系统由于直径大，所用机械功率大的原因，导致其转速很慢，刀盘因为地质结构的原因直径达，输出转矩大，抗撞击性好而且可以双向旋转，在满足工作正常进行的情况下，还要求刀盘操作系统应具有装机功率小，可靠性大等特点。

（2）因为需要在各種不同的地质工作，操盘操作系统大体上有三种分别是，液压，变频电机，双速驱动三种，变频驱动和双速驱动也统称为电驱动系统，主要工作于大直径的隧道，因为直径大的隧道要求刀盘的转速高且曲线平稳，所以电驱动系统适合直径大的通道。液压驱动试用于中小型的软土工程的隧道，以为土质软要求转速低，且扭矩大的驱动刀盘。本文主要针对中小型液压驱动系统进行设计。

2 液压系统驱动转盘的基本原理

2.1 以6.28m盾构机刀动驱动液压器为例其相关的工作参数表（如表1所示）

由表1可知，该液压系统是利用三个双向电比例控制变量柱泵塞从而控制六个马达，由于电动机的级别是四级，所夙瑶输出的转速为2000转每分钟，所以运用的TVWS系统可以通过双向比例控制变量柱塞泵，达到大流量，低降压的效果，TVWS系列的控制方式是通过斜盘反馈机制控制流量的多少，所以在控制范围内并没有流量损失，所以可以减少能源损失使能源利用率达到很高。

2.2 液压驱动系统的节能原理

刀盘液压驱动系统主要用的是变量泵—变量马达闭式容积调速回路，系统主泵采用两台用于闭式回路的斜盘式双向比例变量柱塞泵，主泵同时集成了补油泵、闭式回路控制回路和主泵变量控制回路，因为这种回路的液压泵所流出的量符合负载的量，在能源上没有溢流和节流损失，并且工作效率高，在刀盘系统工作的时候既要求驱动控制系统能低速大转矩还能高速小转矩，所以对马达的调节能力是种考验，而液压驱动控制系统是有变量泵和定量马达组合调速的，所以在要求高速小转矩的情况下，泵在低压大流量场合运行，要求低压大转矩的时候，泵在高压小排量场合运行。

2.3 对刀盘的转速控制

液压控制系统对主泵流量的控制可以用电液的比例所显示，在输出流量上可以通过电磁阀实际电信号的比例大小完全的控制流量输出的多少，这可以实现对刀盘旋转速度的控制，但控制电液比例十分不好掌握，通过控制电液比例可以建立不同的反馈形式。刀盘驱动系统的马达是通过泵的流量调节转速的，利用马达的传感器实现对马达转速的实际控制，即使所给的信号与设定值的数据有差别，马达转速传感器也可以根据差别的多少改变泵的流量，使流量与马达转速的设定值相同

2.4 对刀盘系统安全的控制

液压控制系统的主泵装置中有一个二级压力切断装置，此装置能使主泵的出口出现压力超过限定值时，使泵的变量减少到只与泵的泄露值相等，达到卸压得目的，这种卸载方式能很好节约能量，不会使设备出现溢流损失的现象，使整个系统的能量利用率提高，泵流量出口的压力级一般为28Mpa这是使系统能正常工作的压力值，当泵的牌排量大于35Mpa时会启动自动卸载装置，使刀盘脱困超载状况。液压驱动机的主泵是补油泵和闭式回路控制回路，通过集成使系统结构简单，减少了管路和降低了泄漏，便于维护和使用。补油泵有3个作用，即为闭式回路补油、强制冷却和控制主泵变量机构。补油泵首先用来补充液压泵、液压马达及管路等处的泄漏损失，并通过更换部分主油路油液来控制系统中油液的温度。系统中的补油压力为主泵的吸油口压力，补油泵的排量为76L/min。补油泵通过两个单向阀分别向系统中回油管路补油。刀盘驱动液压系统变量控制机构的控制油分别通过单向阀引自泵的2个油口和补油泵，使控制油始终接有压力和流量，当泵处于正、反向转换时，泵处于零排量工况，没有压力油输出，此时，控制油来自补油泵，补油泵控制油压力由顺序阀设定。此时，控顺序阀由于主油路没有压力而关闭，此时利用补油泵的压力驱动变量机构，保证主泵换向。

3 结语

液压驱动刀盘系统是通过比例控制输出流量的，通过输出电信号的大小改变相应的比例，这种控制比例能更好的满足马达转速快速调节的要求，刀盘液压驱动系统可以很好的适应中小型盾构机对软土的挖掘，因为软土的特殊结构，盾构机的刀盘必须满足低俗大扭转和高速小扭转，所以液压驱动系统可以很好的满足这一要求。另外液压驱动系统中的回路也能很好的控制流量的输出，保证输出与负载相适应，减少溢流盒节流的能量损失，可以更好的提高能量利用率，使系统的功率效率最高。

参考文献：

[1]郑久强.盾构刀盘驱动液压系统研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2015.

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