浅析管片机旋转运动液压系统

邱 健 陈 亮 李树茂

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

管片机作为盾构机的重要组成部分之一，在推进完成后，要将提前制作好的管片拼装到隧道表面，以支撑刚刚开挖的隧道表面。管片吊机将管片吊装到管片输送小车上，由管片输送小车将管片运到管片机下方，最后由管片机通过一系列动作将管片安装到预定位置，形成衬砌环。管片机液压系统完成了从抓取管片到管片安装成型的一系列动作，其设计质量直接影响到工程的施工进度。

1 管片机工作原理

管片机用于完成管片从管片输送小车起吊到拼装成环，管片机的六个运动方向（六个自由度）确保了管片的拼装。

管片机的前后运动：由托梁上轴向移动油缸实现；管片机的旋转运动：由马达驱动回转架来实现；管片机的提升运动：由回转架两侧的油缸实现；用于调整管片姿态的三个运动（摆动、抓持及回转）：由抓举头上的摆动油缸、抓持油缸及回转油缸实现。

图1 旋转运动液压原理图

2 管片机旋转运动液压系统

在管片机旋转运动液压系统中，系统压力由泵出口调压模块上的溢流阀设定，液压油经减压阀后通过控制电液比例多路阀。为保证多路阀进出口压差恒定，使通过换向阀阀口的流量与输入信号成正比，与负载无关，为此选取的电液比例多路阀带有进口压力补偿器。预留的梭阀引出最高压力反馈到泵源的接口，形成负载敏感泵。电液比例方向阀出口大部分液压油进入马达平衡阀块，只有一小部分经过梭阀，然后通过三通减压阀控制液压马达制动油缸，调节马达摆角的大小。

马达平衡阀块设置平衡阀，可以有效防止旋转过程中由惯性引起的冲击，还可以有效防止由于胶管爆裂、管片失控等意外事故的发生。其具有性能优良，体积小、功能完善、工作平稳可靠等特点，且集合了马达的制动控制、平衡控制和安全保护控制等多项功能，是比较理想的马达平衡阀块。除设置平衡控制模块外，两个马达旋转机构处还设置了机械制动，从而进一步提高了管片机的安全性。

3 主要元器件选型计算

管片机旋转运动系统的设计参数：管片机的转速范围是0-1.8r/min，最大扭矩是270kN·m，减速器齿轮齿数为16，管片回转支撑内齿圈齿数为259，减速器速比为72。旋转马达的数量为2个。

3.1 液压马达的计算与选型

已知管片机的最大转速Nmax为1.8r/min，则减速机最大输出转速为：

式中，Z1为管片回转支撑内齿圈齿数259；Z2为减速器齿轮齿数16。

因为管片机的最大扭矩Tmax为270kN·m，则减速机的最大输出扭矩T减可根据以下公式得出：

再求出马达马达最大输出转矩Tt和最大输出转速Nt，根据公式得：

式中，Tm为马达实际输出转矩；Nt为马达输出转速；Tt为马达输出转矩；V为马达排量。

由公式（1）可知，马达功率一定时，其输出转矩与输出转速成反比，综合考虑转矩、转速、排量三方面因素，查阅力士乐产品手册，选择型号为A2FM80/61W的马达，该马达为定量马达，排量为80cm3/r，最大转速为4500r/min，最大扭矩为448N·m，各项参数均符合使用要求。

3.2 液压泵的计算与选型

将泵的额定转速预选为1475r/min。在实际运转中，马达的转速不可能总维持在最高转速2095r/min，将马达正常运转转速设为1200r/min，由公式：

式中，Qv是马达正常运转中的流量；N为马达实际运转转速，为1500r/min；V是马达的排量；Z为马达的个数2。

再由公式：

=192÷0.95÷1475=137（/r）式中，Qv为马达正常运转所需要的流量，Nd为液压泵预选额定转速，V泵为马达正常工作时液压泵的排量，ηm为液压泵容积效率。

查阅力士乐产品手册，选择型号为A10VO140DFLR/31R的变量泵，该泵的排量为140cm3/r，符合马达正常工作的使用要求。

3.3 电液比例多路阀的选择

由于整个管片机液压系统中执行元器件较多，为实现油缸动作的同一及顺序性要求，在此基础上，还要考虑比例阀与变量泵组合压力流量与负载的匹配性，因此，选用了电液比例多路阀。

具有结构紧凑，环境适应能力强，可以无级调节执行元件的运动速度等特点的HAWE PSV系列电液比例多路阀，实现多个执行元件互相独立、同时以不同的压力和速度动作，直到所需流量总和与泵的总排量相等为止。系统中所选择的PSV系列带负载压力补偿的电液比例多路阀能够较好地满足管片机的现场工况要求，而且现场使用、运行效果良好。

多路换向阀一般由换向阀、连接块以及终端块构成。与油箱和泵源连接的连接块，主要作用是为定量泵系统提供低压卸荷为以及系统提供卸荷安全保护等。设置在多路阀末端的终端块，连接整个阀组，为下组阀连接做好准备。系统所采用的PSV系列电液比例多路换向阀模块由三联换向阀组成，其中，包括安全阀、减压阀、压力补偿阀等，安全阀可调定系统压力，减压阀为换向阀提供控制油，压力补偿阀作压力补偿用，使通过换向阀口的流量与输入信号成正比，而与负载无关。

4 结语

本文简单分析了管片机的六个自由度及其工作原理，分析了管片机旋转运动液压原理，最后简单介绍了管片机马达以及管片机泵的选型计算，并对多路阀及马达平衡阀块做了介绍。