恒压网络技术在TBM液压系统中的运用

杨新举，宋法亮,3，李 增，赵海雷,3

（1.中铁隧道局集团有限公司，河南 洛阳 471000；2.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001；3.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）

1 引 言

在全断面岩石掘进机（TBM）中，液压系统是其重要动力源之一。由于TBM功能设定复杂，TBM上液压系统执行器不仅数量众多，而且需具备同时工作的能力。为保证执行机构所要求的运动方向、速度、转速、力和力矩，TBM普遍使用多泵多回路液压系统通过流量反馈信号控制泵流量，使流量按需分配到各职能部件，实现不同工况的最佳匹配[1]。在TBM中，一般通过恒压网络（CPR，Common Pressure Rail，压力共轨），来实现流量的按需分配。在液压系统中，恒压系统比恒流系统更具有优点，恒压网络不仅适合多负载并行工作, 同时具有较高的能量利用效率，控制性能好，具有广泛的应用前景[2]。

以应用于高黎贡山隧道的中铁305号为例，其辅助系统就是一种典型的恒压网络系统（如图1），辅助系统和撑靴高压系统共用一个恒压泵，恒压泵压力油其中一路通过减压阀供辅助系统，设泵出口压力为p0，减压阀设定压力ps为减压阀处压力损失满足Δp=p0-ps=q2/(K2A2)，恒压泵压力p0，根据流量变化，减压阀调整开口大小，以满足出口压力为ps。在系统中，要求p0、ps保持不变。为方便定性分析，忽略减压阀调整过程对系统的影响。在减压阀旁边设置有蓄能器，可以减少流量变化和管道压降对p0和ps的影响。

图1 中铁305号的恒压网络系统（局部）

下面先从恒压源和液阻控制两部分，来分析恒压网络的工作原理，而后通过对不同工况下的讨论，来研究恒压网络的整体特性。

2 TBM液压系统中的恒压源

理论上来说，定量泵加溢流阀，可以作为恒压源，但为节能，TBM广泛采用恒压变量泵，旁边辅以长闭溢流阀作为安全阀。

图2为中铁305号的撑靴泵，该泵为TBM的撑靴高压撑紧系统和辅助系统液压源，是一种典型的DR.G（远程恒压变量）控制型，差压阀的X外控口所接远程溢流阀，其设定压力必须低于泵最大压力[3]。泵出口对应的差压阀，左边是泵出口压力油，右边是经过阻尼口后的压力油。泵里面的排量控制缸可以控制变量泵的斜盘角度，进而控制泵的排量，配用的弹簧仅起复位作用。其工作原理是，当泵出口压力未达到远程溢流阀的设定值时，固定液阻无液压油通过，差压阀不动，泵的排量维持在最大值。当泵的出口压力达到远程比例溢流阀的设定值时，溢流阀卸荷，阻尼口处产生压差，差压阀因出现压差而右移，泵的出口压力通向泵的排量控制缸，推动缸使泵降低排量，泵保持恒压状态，即恒定在远程恒压阀的设定下。

图2 恒压变量泵

3 TBM恒压网络中液阻控制

图3为两个液压缸并联，当两个液压缸同时运动时，由于液压油总是流向压力低的地方。所以，只有在

时，两个液压缸才能同时运动。而在液阻回路中，该TBM的辅助系统中的典型控制回路（图4），则可以满足多执行器同时运动。

设定系统压力为减压阀设定压力Ps，负载压力为Pn，节流口压差为ΔPn，忽略管道压降的影响。

在图4中，由于节流阀起着流量分配和限流的作用，两执行器打开时执行器工作时，压力油就不会过多的流向一个缸而影响另一个缸的速度[4]，满足ΔPn=Ps-Pn，系统压力与负载的压力两者之间的压差ΔPn消耗在节流阀上，各换向阀P口压力

图3 两个并联的液压缸

图4 中铁305号液压系统的液阻回路

为产生压降，使各执行器驱动压力（即换向阀P口压力）相等，在恒压系统的简单液阻控制中，采用进口节流回路。但由于进口节流回路无法承受负负载，对于存在负负载工况的执行器，例如扭矩油缸等，一般会采用出口节流回路，但此时扭矩油缸工作时就会对与它并联工作的执行器造成影响。

图4网络中的平衡阀起负载保持的作用。对于安全性要求较高的执行器，例如后支撑油缸、钢拱架举升油缸等，平衡阀一般设计在油缸上，防止平衡阀与执行器之间的油管爆裂导致执行器泄载。网络中换向阀选用Y型，使得在中位时，平衡阀与换向阀之间的管路泄压，防止换向阀在中位时，平衡阀误打开。

4 TBM恒压网络整体特性

由于需求流量可能在很大范围内变化，所以网络压力很难做到完全恒定。仅从稳态考虑，恒压网络的工况可分为3个区域（图5）。

图5 恒压网络工况

4.1 区域I——恒压区

此时，0＜系统需求流量q＜液压源能够提供的最大流量qPmax。在此区域，液压源可以工作在恒压工况。但是，在TBM液压系统辅助系统中，执行数量多，不同的工况下，系统流量的需求变化很大，同时，由于TBM结构设计的原因，部分执行器相对于液压泵站有一定的距离，管道压降的变化也不容忽视。鉴于以上原因，一般辅助系统进油减压阀旁设置蓄能器保证网络压力的稳定。

4.2 区域II——压力降低区

此时系统需求的流量qX＞液压源能够提供最大的流量qpmax。在此区域，液压源已无法恒压工况满足。网络压力PH下降。在TBM中，一般通过蓄能器来使A点右移。

蓄能器通过释放液压油，提供给网络，此时蓄能器内部压力下降，下降幅度取决于蓄能器容量和从蓄能器流出来的液压油体积。

容积为V0、预充气压力为p0的蓄能器接入设定压力为ps的恒压网络后，设此时蓄能器内压力油体积为VH，则蓄能器内气体体积为V0-VH，满足

设从蓄能器中流出以补充流量不足的液压油体积为ΔV，补充液压油压力为网络pH，则

可以得出

从式(4)中可以得出V0越大，压力变化越小，所以，增大蓄能器的容量V0，就可以减少压力下降的速度。

图6 蓄能器压力输出随输出液压油的体积而变化

从蓄能器中流出的液压油体积最多为VH，pH下降到充气压力p0后，蓄能器已无压力，网络压力pH会陡降至零（图6）。同时，从式(5)可以得出减少p0也可以增加VH，使工况点右移。不过需要注意的是，不能超过蓄能器许可的压缩比。

4.3 区域III——压力增加区

此时系统需求的流量qx＜0在此区域。液压源已不再输出流量，从一些执行器回收的流量超过了其他执行器需要的流量，使蓄能器内压力升高。直到工况C，安全压力溢流阀开启，此时，只能放弃回收流量。

当所有执行器都不工作，换向阀处于中位时，液压源仅排出极少流量，以弥补泄漏。

5 恒压网络优缺点

5.1 TBM恒压网络系统的优点

1）由于恒压网络各执行器之间干扰很小，在液压源能力允许的情况下，恒压差网络理论上可以任意增减执行器数量。

2）在TBM中执行器数量多，但执行器不同时工作。采用恒压网络，只需设置一个泵，就可以满足工作要求，成本大大减少。

3）恒压网络采用的是闭中心回路，系统执行器不工作时，恒压泵接近处于零排量状态，能效利用高。

4）系统供油管道基本上保持恒定的压力，液压油弹性对系统影响小，相对于负载敏感回路，系统稳定性更强[5]。

5.2 TBM恒压网络系统的缺点

1）系统存在节流功率损失，能效利用低，特别是在负载与系统压力相差较大时，节流阀处功率损失很大。

2）执行器运动速度受负载影响，运动不平稳。在负载变化时，节流阀处的压差改变，回路中的发生流量变化，执行器运动时速度呈现波动。

6 结论与建议

恒压网络在TBM液压系统中的应用，满足多执行器并联工作时互不干扰的要求，同时大大降低TBM液压系统的成本投入和现场维护难度。目前在TBM恒压网络系统简单的液阻控制，仍有较大的能量损失。在当下，追求高能效的呼声越来越高的形势下，如何将液压变压器等新技术引入TBM液压系统，进一步提高TBM液压系统的能效，这就对设计者提出了新的要求。