盾构机推进液压缸试验平台设计

唐超权, 贾路路, 张义春

(1.中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221116; 2.徐工液压事业部, 江苏 徐州 221001)

引言

盾构机是现代地铁施工和隧道建设中重要的大型施工装备,集成了刀盘切削、推进控制、渣土输送和管片拼装等多种功能于一体,大大提高了隧道施工质量和效率[1]。而液压缸作为其主要动力原件,其在盾构机上应用非常广泛。在盾构机工作的过程中, 液压缸的伸缩不断地为盾构机提供推力,从而盾构机向前运动。盾构机的前进方向和姿态是依靠液压缸的协调动作来控制的[2]。但目前国内并没有专门针对盾构机推进液压缸研制试验平台。

目前,高端液压缸市场基本被日本、美国和德国所垄断,这些国家研发液压缸的企业都有先进的液压缸性能试验设备,给研发人员提供了强有力的数据支撑。通常情况下,液压缸的设计需要充分考虑其耐久性、载荷能力、泄漏和侧向力的影响等。目前,用于液压缸产品功能及性能等方面的试验台有很多,针对试验测试台的研究尚不成体系,部分研究主要围绕液压缸的性能测试方法、试验台架设计以及测试技术等方面展开,例如液压缸的泄漏试验、缓冲试验、超高压试验台、针对长短行程的测试等。专门针对盾构机推进双液压缸的启动压力、同步工作下的侧向力等性能试验平台,在国内尚属空白。

盾构机实际工作时,往往需要面对复杂的地质土层和一些其他的不可预测的因素干扰,这些不可控的情况使得盾构机的推进和控制变得格外复杂。液压缸作为盾构机上的主要动力原件,在盾构机工作的过程中,液压缸不断地伸缩为盾构机提供推力,从而推动盾构机前进。推进系统的正常工作是盾构机能够高效推进的重要保证。因此,对液压推进系统的研究是其故障分析与诊断的研究重点[3]。

HE D等[4]将虚拟样机模拟知识运用到液压系统的故障诊断中,该方法是对MEHCS故障诊断的一种可行的选择,特别是对于大规模复杂的故障。JI X C等[5]通过DS证据理论,根据信息融合的方法集合多种机器学习模型诊断结果,极大提高了对液压阀故障检测的精度。唐宏宾等[6]使用BP神经网络对液压泵泄漏状态进行了故障诊断,结果表明该方法具有较好效果。FANG G H等[7]提出将视觉动态诊断技术应用于复杂的液压系统,用常见的液压系统故障进行分析,并在实际操作中进行应用,证明了其用于故障诊断的可行性。DONG Z S等[8-9]针对BP、Elman神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优等问题,提出了改进PSO-BP与PSO-Elman神经网络用于液压系统的故障诊断,该方法结合了神经网络和粒子群各自的优点,利用PSO优化各神经元间的权值分配和网络学习效率,研究结果表明PSO算法能够加快BP与Elman神经网络的收敛速度,同时减少误报率。LI G P等[10]进一步将故障树与专家系统结合在一起应用于挖掘机液压系统的故障诊断,通过建立故障树,自动生成诊断规则数据库,为挖掘机使用和维修人员解决问题提供了参考,结果表明该方法具有较好应用前景。路甬祥等[11]针对液压系统特点,对故障机理进行分析,介绍了许多基于状态检测的故障诊断方法。周晓群[12]提出改进PCA和SVM相结合的方法,以刀盘驱动液压系统为例,分析故障机理,建立关键元件模型,仿真典型故障;研究表明,该方法工程应用价值较高。郝用兴等[13-14]对刀盘驱动液压系统进行深入研究,建立刀盘驱动多级功率控制AMESim模型,提出基于VW-PCA的故障诊断方法,在模型上设置六类故障,利用VW-PCA算法进行检验,检验结果表明,改进的算法比传统PCA分类效果更佳。对于盾构机上的液压系统,秦东晨等[15]在MWorks平台中建立了盾构机推进系统各元器件的数学模型,分析了盾构机推进系统的动态特性。黄志全等[16]建立了盾构机液压推进系统的液压缸和各种控制阀组的数学模型,从理论仿真的角度对推进系统的动态特性进行了研究。在液压系统的开发和研制过程中,相应的试验台是检验液压系统工作性能和发现液压系统存在问题,并通过试验和分析找出解决问题的办法的一个重要手段。液压缸性能测试试验方法包含了对液压缸各测试试验项目试验条件及试验步骤的规定,是对液压缸测试试验过程的安排与协调。涂福泉等[17]提出了一种基于应变计的试验方法,对液压缸进行试验后得到的应变一位移和荷载一位移曲线呈良好的线性关系,结果表明新的测试方法可以满足现有的轧机伺服缸测试系统的频率动态响应的要求。QING G F等[18]提出了一种用功率回收函数进行气缸可靠性试验的新方法:双缸加载的可靠性试验方法。同时设计了摆动液压化试验台,并对规范进行了优化。王新民等[19]设计了一种利用高温油槽和隔离式增压器,采用液压加载的液压系统基本原理及其结构的缸耐久试验台,能满足液压缸耐久试验的技术要求。曾子敬等[20]以大型伺服液压缸为研究对象,利用仿真软件对三种试验方法进行动态性能的对比,给出了优劣性。但是专门针对盾构机推进双液压缸的启动压力、同步工作下的侧向力等性能试验平台,在国内尚属空白。实施盾构机推进液压缸试验平台建设项目,专门针对盾构机推进液压缸在加载侧向力工况下,检测同步性、摩擦力以及产品可靠性。同时也是为了打破盾构机械核心液压元件产品壁垒,缩短产品研发周期,快速实现国产进程,研发产品的同时,研发配套的产品仿真试验平台。由于盾构机在施工时会遇到复杂多变的土层,不同的土层在掘进过程中遇到的阻力和各种压力也不尽相同,因此推进系统就需要根据不同的土层压力实现对液压缸推进力的实时反馈调节,掘进过程中对推进力的要求和对推进速度的要求是同步的,因此要求控制系统具有较高地同步控制精度。为了提高推进液压缸同步精度,本研究拟采用液压闭环同步控制,通过对液压系统同步控制算法和策略的研究,开发一台模拟实际工况具有偏载力和同步精度控制的推进液压缸试验平台,辅助产品设计开发及性能检测。

我们在本研究第一部分介绍了盾构机推进液压缸试验平台的设计方案。第二部分对试验平台进行了设计。第三部分对组装好的试验平台进行测试,然后应用试验平台对被测试液压缸进行启动压力测试和同步控制下侧向试验,并根据失效形式给出改进方案。最后是总结。

1 盾构机推进液压缸试验平台的设计方案

1.1 试验平台功能需求分析

盾构机推进液压缸试验平台的设计指标要求:

(1) 测试的盾构机推进液压缸适用产品—最大行程:2200 mm、最大缸径220 mm;

(2) 双作用缸同步控制下,侧向载荷下往复试验;

(3) 最大工作压力30 MPa;

(4) 依据GB/T 15622—2005《液压缸试验方法》[21]相关试验方法规定要求。

盾构机推进液压缸在设计生产制造时面临的问题急需通过有效的检测试验来验证,通过搭建模拟仿真平台,模拟液压缸实际工作状态,根据仿真数据进行分析,验证设计规范是否符合要求和存在设计缺陷。并结合计算机仿真技术,对液压缸结构进行优化改进,最终实现在满足产品设计可靠性、安全性的前提下达到性能最优,成本最低,周期最短的目的。试验平台功能需求树如图1所示。

图1 试验平台功能需求树

1.2 试验平台设计方案

1) 试验平台的结构组成

依据盾构机推进液压缸试验平台技术要求,通过各种管路和线路将各种液压和电气部件布置在机械主体结构上,其组成结构如图2所示,主要包括液压、控制、结构和数据采集四个子系统:

图2 试验平台结构组成图

(1) 机械结构主要由试验台架、电器控制柜、设备机身和加载装置组成,通过各种线路连接。

(2) 液压系统主要由液压源、控制单元、管路、执行机构以及附件五大部分组成,每一部分都相互协调共同完成液压缸试验功能。

(3) 控制系统是利用PLC控制器对系统进行控制,依据试验时所需的压力流量参数及控制信号大小进行信息输入,再将输出的电信号传递给液压系统进行各种动作。

(4) 数据采集系统通过计算机技术结合高精密传感器完成对各种信号的显示、采集、处理、存储及结果输出等功能,工控机负责后处理和存储,显示器负责图形图像输出。

2) 液压缸侧向力加载方案

实现对被试液压缸加载侧向力有很多种方法,在综合考虑整体设计和经济性后,分析侧向力试验功能,拟定方案为两个位置对液压缸筒进行固定,侧向力加载在活塞杆端部,侧向力加载工装将随活塞进行模拟运动如图3所示。

图3 侧向加载方案

3) 液压同步控制系统方案

盾构机推进缸试验台选取同步闭环的液压控制系统。所谓的闭环同步控制技术就是对执行元件进行监测,然后把获得的信息反馈至控制单元的上游,通过直接改变上游的输入信号来调整执行机构的输出,从而获得同步精度。闭环同步控制主要为电液比例阀控系统和电液伺服阀控系统服务。这种系统能够确保双缸的位移输出偏差达到所需的同步要求。“主从方式”控制策略是指若干个需要同步的执行元件以某一个元件的输出为基准,其余元件均受到控制跟踪这一基准运动实现同步。而且相比于“并行方式”控制策略其结构简单、组成容易且价格合适,能够在满足同步输出精度的要求上简化控制难度,其原理图如图4所示。推进缸的双缸同步功能就是采用“主从方式”闭环控制来实现的,其原理图如图5所示。通过D/A信号转换器、放大等元件以及位置控制器的设计,执行缸2的输出与执行缸1的输出相关联,通过控制调节让执行缸1同步的效果。阀1用普通控制阀,控制阀2用比例阀。

图4 主从同步控制框图

图5 主从方式闭环控制原理图

4) 测控系统方案设计

盾构机推进液压缸性能测试平台,通过采用PLC控制器,实现对液压缸、摩擦力检测及双缸同步控制,同时做到利用传感器和工控机对信息进行采集、处理、存储和输出,将采集的位移信号、压力信号、流量信号及温度信号反馈到PLC控制器进行运算、存储、处理和显示。两者相互结合,形成完整闭环控制回路,达到试验要求。将被测试液压缸固定在试验台架上,安装压力传感器、位移传感器等。利用控制器实现对液压缸等元件的控制。被试缸的位置通过位移传感器检测,输出信号通过PID控制器实现双缸同步自动化控制。使用数据采集系统完成测试参数采集,将信号采集、处理,传递给PLC。被测液压缸两腔压力、温度和运动速度和位移等信息进行采集存储处理并显示。液压缸试验平台以PCI数据采集卡为核心,以工控机为载体,利用LabVIEW编程数据采集程序和驱动程序,采集位移、压力、温度等数据。液压缸测试台数据采集系统程序主要包含主程序模块、数据采集模块、回读模块、处理模块和显示模块共五大部分。盾构机推进液压缸试验平台结构组成图如图6所示。

图6 液压缸试验平台结构组成图

2 试验平台设计

2.1 试验平台结构设计

1) 液压缸加载侧向力的有限元分析

同步作用下推进液压缸承受的侧向力对液压缸可靠性更加重要。定义出了被测液压缸的技术参数,缸径220 mm,杆径180 mm、最大行程2200 mm、公称压力30 MPa。通过Pro/Engineer建立其三维模型,对液压缸施加约束对活塞杆施加F推使液压缸杆处于静止状态。定义各零件材料,对被试液压缸按照侧向力为推力比0%,1%,2%,3%,4%,5%,6%依次对活塞杆全伸状态下承受的侧向力应变进行仿真分析,如图7所示。

图7 被试液压缸的有限元分析

当侧向力为56.991 kN时,最大应力为328 MPa,侧向力为68.389 kN时,最大应力为381.5 MPa,超过45钢的屈服极限355 MPa(取安全系数为1,即在最易失效的情况下进行分析),同时考虑材料实际性能偏差,因此将该液压缸活塞杆侧向临界载荷为56.991 kN,即侧向力为5%F推,侧向力试验的试验参数也由此初步确定。有限元仿真分析结果汇总表如表1所示。

表1 侧向力作用下被试液压缸活塞杆的有限元仿真分析结果汇总表

2) 侧向加压缸设计

由仿真分析所得被试液压缸的侧向临界载荷设定为79.599 kN,对侧向加压缸进行初步选型计算,以确定其主要外形尺寸和技术参数。通过国标GB/T 2348—1993《流体传动系统及元件缸径及活塞杆直径》选用常用规格的液压缸系列,同时考虑成本等因素,缸径为100 mm,活塞杆直径80 mm,最大行程540 mm,求得有杆腔的工作压力p11为:

(1)

其中,F推1—— 侧向临界载荷,N

D11—— 液压缸直径,mm

d11—— 活塞杆直径,mm

p11—— 有杆腔工作压力,MPa

通过公式计算,侧向加压缸的公称压力p11=20 MPa。综合以上选型计算,得到侧向加压缸的主要外形尺寸及技术参数如表2所示。

表2 侧向加压缸技术参数

3) 台架结构设计及仿真

在充分考虑试验台架功能需求以及推进液压缸的安装方式、运动方式,进行了试验台架的具体结构设计,并将被试液压缸和侧向力试验装置装夹在试验台架上。具体台架设计参数如下:

(1) 台架的长宽高:

L×B×H=2000 mm×2000 mm×500 mm;

(2) 两缸的中心距离:S=1200 mm;

(3) 选择80×43槽钢,焊接强度不低于5000 kg;

(4) 夹板固定丝杠:M20×800,配合双边对称φ22定位孔,孔距100 mm,单边个数20个,前后固定夹板调整最大距离1800 mm;

(5) 上下支撑夹板采用V形结构,夹板厚度100 mm,V形卡槽中心距1200 mm;

(6) 侧向力油缸固定板采用M30×50螺栓连接推进油缸活塞杆,另一端通过插销与侧向力油缸连接,插销采用φ40碳钢材质,两端分别钻φ20通孔,放入M18×45螺栓形成防松装置;

通过支撑平台配合上下支撑板,使用固定丝杠完成推进油缸固定,再退后固定板连接方式,形成侧向力油缸固定。

完成参数设定后,为了有效模拟侧向力液压缸加载状态下台架受力情况,按活塞杆最大伸出时加载57 kN 侧向力进行台架受力分析模拟,并做如下参数设定:

(1) 两平行液压缸放置时缸底水平方向保持一致,活塞杆最大伸出位置一致;

(2) 前后夹板固定夹持两平行液压缸时,前后夹紧力一致;

(3) 前后夹板固定丝杠与台架底板预紧力一致;

(4) 侧向力液压缸板采用M30×50螺栓连接两平行液压缸活塞杆,另一端通过插销与侧向力液压缸连接,插销采用φ40碳钢材质,两端分别钻φ20通孔,放入M18×45螺栓形成防松装置;

(5)侧向液压缸放置状态下重心在两平行液压缸中心位置,无偏重;

完成以上参数设定后,对台架进行三维模拟受力分析如图8所示。

图8 被试液压缸安装仿真受力图

对台架各结构材料受力后的等效应力、等效应变和变形等内容,得到仿真分析结果,为了更加清晰的反映试验台架的实际受力情况,截图中将测试液压缸进行了隐藏,受力情况如图9所示。

图9 试验台架在最大侧向力下受力仿真

然后结构仿真分析最大变形量,最大应力满足设计要求,按此方案设计台架结构。具体实物图如图10所示。

图10 试验台台架及液压缸安装

2.2 试验平台液压系统设计

液压系统主要组成有动力源、控制部分、执行机构、辅助部分以及工作介质等,各组成部分通过既相互独立又相互联系影响,合理匹配后,以完成推进液压缸试验平台试验项目为目标,其设计满足以下几点:

(1) 通过液压阀对液压系统中的压力和流量进行精确控制,最后显示在试验台上的负载和运行速度,根据实际工况的需要,精准控制,通过与电气相结合,互补完成试验对压力值和流量值的要求。

(2) 液压站是一个独立的单元存在,不受外界的干扰,能够为系统提供稳定的控制源,这样就可以保证试验项目中各个过程的安全可靠,整体来说,液压系统的抗干扰能力比较强。

(3) 液压系统结构合理,各元件方便连接。液压管路合理布管,避免直角冲击产生的压力损失,采用集成部件化设计和组装,以功能性进行划分部件,这样检查或者进行试验项目都可以一目了然。

(4) 液压系统具有安全可靠便于维修的功能。在进行试验各种项目中,液压系统要求不能出现管路破裂和系统连接部件之间漏油等故障;如果发生故障,首先确保测试人员的人身安全,采取紧急应对措施,通过控制柜屏幕显示故障原因,通过管路和功能进行排查,能及时找到发生故障的原因并进行正确的排除。

如图11所示为推进液压缸试验平台液压系统原理图。

图11 盾构机推进液压缸试验平台液压系统原理图

试验平台液压系统的设计基础是对试验要求的转化,形成液压系统设计的已知条件及目标,是液压系统总体设计的参考,作为系统中主要元部件选型的依据。试验平台液压系统有两个参数设计在系统中比较重要:即为系统的最大工作压力和最大工作流量。以下结合试验需求对系统的最大工作压力和最大工作流量进行计算。根据试验平台的总体技术指标,列出试验平台的被试液压缸的主要参数,具体如表3所示。

表3 盾构机推进液压缸试验平台液压系统主要技术参数

测试液压缸实际工作压力30 MPa,由此可知,试验平台需要提供的最大试验试验压力ps不应小于1.1p,即33 MPa。

考虑到系统的压力损失、背压等,将试验平台需要提供的最大试验工作压力设计为35 MPa。

此时还应该计算出试验平台需要提供的最大工作流量,由于当被试液压缸无杆腔进油时,被测液压缸液压系统所需流量为:

(2)

当被试液压缸有杆腔进油时,被测液压缸液压系统所需流量为:

≈12.43 L/min

(3)

式中,D1—— 被试液压缸缸径,mm

d1—— 被试液压缸活塞杆直径,mm

v推max—— 被试液压缸最高推出速度,为10 mm/s

v拉max—— 被试液压缸最高拉回速度,为15 mm/s

K—— 系统的泄漏系数,一般取1.1～1.3,在此取值1.1

由于Q1v有>Q1v无,并考虑到系统的泄漏量,单根被试缸子液压系统的最大流量Q1max为25.08 L/min。

两个被测液压缸油路系统平行动作(并联),因此,Q1=2×Q1max,即50.16 L/min,试验平台需要提供的最大工作流量不应小于50.16 L/min。

加载流量Q2为5.21 L/min。

总流量Q1,Q2之和,即55.37 L/min。

被试液压缸子液压系统的压力不小于35 MPa,流量不小于50.16 L/min。试验平台选用的电机额定转速一般在1800 r/min,由此该系统液压泵的排量最小为:

(3)

液压阀是作为控制元件控制整个试验台各个动作的执行。本研究充分考虑系统中的压力损失及流量损失选取阀的类型。综合上述液压泵和液压阀的选型如表4、表5所示。

表4 被试液压缸子液压系统液压泵选型参数

表5 液压控制阀选型

侧向加压缸子液压系统主要作用是用一个独立的供油回路控制侧向加压缸,该回路由单向阀、溢流阀和电磁换向阀等组成。侧向加载缸子液压系统的压力不高,流量也小很多。侧向加压液压缸整体行程短、工作压力小。侧向加压子系统中安装有压力传感器以监测系统压力信息,该子系统选用华德40MCY14-1B齿轮泵,该泵的额定工作压力为24 MPa,最高工作压力为40 MPa,额定转速为n=1500 r/min,公称排量为Vg=40 mL/r,在额定转速下工作的最大流量为Qv=60 L/min,且Qv>Q2,因此所选用的泵组满足侧向加载缸子液压系统的要求。

电磁溢流阀用以调节被测液压缸和侧向加压缸液压系统的系统压力,同时实现各子系统的空循环作用;球阀用以控制所在油路通断;在主回路的相对应位置,系统配备了液位计、温度传感器、加热装置、冷却装置(元件)和过滤装置;在功能性位置增加流量或压力监测。在主油路系统中设计蓄能器,对低速运动时的流量液压泵产生的多余油液进行存放,若高载荷时,油液可以从蓄能器进行释放补给主油路供油,当液压泵产生液压冲击压力,蓄能器能够吸收冲击力,从而降低主油路系统伤害。蓄能器主要是平衡管路油压波动。换向阀的阀芯小,因此分别在这两个子系统的换向阀前加入两个隔膜蓄能器,具体型号为奥莱尔ELM0.75。蓄能器在使用前需要进行小于13.5 MPa充气作业。根据行业标准JB/T7938液压油箱的容量、辅助散热等因素,继续分析使用工况和功能要求,选用工业设备经验公式进行计算,且考虑到油箱有最低液位要求,液压油箱的容量应大于388 L。选择油箱公称容积为500 L。为了满足液压油路的持续工作,试验平台设计了液压油冷却过滤循环系统。既满足了工作介质冷却,保证油温恒定,同时对液压油进行三级过滤,保证液压油的清洁。试验平台的液压泵站主要由机泵、油箱、温控组件、蓄能器和滤油器等组成。

液压泵工作时产生噪音较大,并且伴随一定振动,泵站设计要避免此问题,因此将泵出口阀组与油箱通过分层设计减少振动,油箱在上,泵阀组在下,利用空间结构并使用避震结构,通过管线将各个元件连接,管卡固定连接管路,简洁美观。液压泵站的设计如图12所示。

图12 液压缸试验平台泵站图

其他液压元件根据本液压系统中的最大工作压力、最大流量以及液压油黏度和过滤精度等试验条件,进行选型和计算。具体液压元件的选型,如表6所示。

表6 其余液压元件型号

2.3 试验平台测控系统设计

1) 测控系统方案确定

本研究需要使用到模拟量的输入输出功能,但PLC的模拟量采集速度较慢。因此本方案采用数据采集板卡来采集系传感器的模拟量信号。PLC控制器负责控制系统中的开关量,而上位机(配有数据采集板卡)负责采集和控制模拟量,这将会大大地提升控制系统的响应速度,尤为重要的是,保证系统中信号的稳定性[22]。其中控制策略方案简图如图13所示。

图13 测控系统简图

2) 可编控制器(PLC)选型

结合本论文中控制系统的功能和特点,估算出需要输入的开关量有4点,需要输出控制的开关量有12点。结合其他电气元器件的通讯特点和整体的经济性,本研究决定采用西门子S7-1200系列 CUP1214C,并携带一个8通道开关量输出模 块(SM 1222)和一个2通道模拟量输出模块(SM 1232)。该CPU为继电器类 型输出,包含两路模拟量输入,还包含14点开关量输入和12点开关量输出,可以携带8个不同功能的扩展模块。S7-1200PLC自身配备以太网通讯接口,可实现通讯速度较快的TCP/IP通讯,并支持MODBUS通讯,可通过 PROFINET连接实现S7通讯主站或从站。程序通过博图软件(TIA Protal)进行编程。

3 试验平台的验证性试验与应用

3.1 试验平台测试

液压缸制造企业一般以GB/T15622-2005《液压缸试验方法》[21]作为其液压缸产品试验依据,本液压缸试验平台用于成品推进液压缸可靠性试验。对制造的液压缸产品是否符合可靠性性能要求。为检测其可靠性,需要进行以下试验:① 试运行试验; ②启动压力试验; ③ 侧向力试验。之后试验台调试检测准备包括被测产品加载台架,传感器校准,以及液压系统检测。

(1) 被测产品加载台架。被试双液压缸用法兰固定于试验台架上,保证轴向不滑动,活塞杆端部耳环通过专用工装与加载装置连接,双缸中间采用加载液压缸连接,如图14所示。

图14 侧向压力加载试验

(2) 传感器校准。液压缸试验台采用的压力传感器和位移传感器,为了验证实物准确性,对其进行校准,验证是否正常[23]。测试表明位移传感器所选用拉线式传感器测量精度达到0.02 mm,线性精度达到拉线传感器误差在使用误差范围内,满足试验台对位移测量实际要求。压力传感器范围选用4～20 mA,压力输入使用0.05%精度的活塞式压力计,用数字万用表测量实际输出的电流值。在压力传感器量程范围内选取6个点,从测量范围下限开始,均衡地增加负荷,且在各校准点上加荷15 s,读取输出值。根据测量结果,输出电压在允许误差范围内,因此该压力传感器有效。

(3) 液压系统检测。在测试系统时,打开系统操作界面,先在较低的压力下运行液压系统,观察系统能否正常工作;然后,调节系统压力至额定压力,并在许用压力下运行一段时间,使液压系统中各个元件相互充分磨合,用压力传感器检测系统压力是否平稳,是否存在压力冲击等现象;最后将系统压力调节到最大压力,观察在最大压力下,管路是否出现漏油,电机是否发出噪音或剧烈振动。在最大压力下,观察各路传感器能否正常记录试验数据,各元件温度是否正常[24]。

3.2 试验台性能试验

1) 起动压力试验

如图15所示,根据试验结果两个液压缸启动压力值约为2.2 MPa,因为被试液压缸的公称压力为30 MPa,密封圈为Y圈,因此理论最低启动压力为2.7 MPa,从结果来看启动压力值优于理论值,试验能够满足要求。

图15 启动压力试验

2) 侧向力试验

进行侧向力试验调试时, 先将两个推进液压缸采用连接装置与侧向加载缸进行连接,侧向加载缸通过管路与侧向子液压系统连接。对盾构机推进液压缸侧向力仿真分析得到最大承受侧向力57 kN。为了保证测试试验安全性和可靠性,在试验项目选择界面选择径向载荷试验控制面板输入侧向力加载,施加的侧向加载力为0,10,20,30,40,50,57 kN。侧向力试验结果如表7所示。

表7 侧向力试验结果

根据试验结果,当双缸完全伸出时,随着侧向压力的增大,双缸侧向位移量在不断增大,但侧向位移量总是小于仿真结果,当侧向压力为最大值时,两缸无明显外泄,可以正常工作,并且两缸同步精度较高,完全符合设计要求。

3.3 试验对新产品开发优化设计

1) 侧向力试验下液压缸失效

随着往复次数的增多,因推进液压缸受侧向力大,导向套变形量大,密封单侧间隙量大,密封效果减弱,封油效果差,产生密封渗漏油问题,拆检液压缸,发现导向套内支承环异常,表面有明显的磨损痕迹,导致不能承受足够的侧向力,密封圈产生偏心密封情况,封油性能减弱,多次试验后产生漏油,对支承环采用厚度千分尺进行测量,数据如表8所示。

表8 液压缸试验前后支撑环尺寸对比

2) 失效模式分析

由图16所示,结构优化前液压缸支撑环通过侧向力试验后明显厚度明显减少。支承环采用 PTFE+Cu材质,最大承压强度为30 MPa,压缩变形量在0.05 mm,内应力为10 N/mm2,3道20 mm 宽支承环,直径为180 mm,承受侧向力计算值为108 kN,施加侧向力为79 kN,施加侧向力/理论侧向力的1.37倍,安全系数<3,安全系数偏低。实际使用过程中,加工精度,装配质量的影响,安全系数小于计算值。侧向力转化到导向套,导向套承受较大压力,产生变形,且外圆设计了两道静密封O形圈槽,减弱了导向套钢件的强度。

图16 密封结构优化前导向套结构图

3) 结构优化及验证

优化后,导向套外圆取消一道静密封O形圈及其沟槽,增加一道支承环,减小大深沟槽对导向套钢的强度削弱,同时保证支承环贴合缸筒内壁,导向套在受到侧向力时,支承环起主要支撑作用,外圆处支承环槽底与内孔处支承环槽底采用精密数控机床加工,采用一次装夹加工,保证同轴度,减少因加工、装配问题导致的内部侧向力的产生。

同时,优化后,对导向套内侧的支承环材料进行调整,由原聚四氟乙烯和铜粉的混合材料调整为夹布酚醛材料,提高支承环的承压强度;另外,增加导向套内侧的支承环数量,提高导向套对活塞杆的抗侧向能力。优化后装配如图17所示。

图17 液压缸装配图

优化方案将支承环材料调整为夹布酚醛,最大承压强度为300 MPa,压缩变形量在0.05 mm,内应力为50 N/mm2,采用5道25 mm宽支承环,承受侧向力计算值为1125 kN,施加侧向力为79 kN,施加侧向力/理论侧向力的14.2倍,安全系数>5,满足使用需求。对优化液压缸施加79 kN侧向载荷,双缸同步伸缩5000次,加载试验,试验全过程无漏油现象,拆检液压缸支撑环,通过5000次侧向加载往复运动,测量各支承环厚度,基本未发生变化,支承环没有发生磨损现象,支承环的承压性能满足液压缸的导向支撑和抗侧向力的要求,优化结构的试验效果明显。

4 结论

本研究设计了一种用于盾构机驱动液压缸的测试平台,对测试平台的结构、液压系统及控制系统进行了设计。最终通过试验,对所开发产品进行了测试,并根据失效形式进行了优化设计,最终修改后的液压缸安全系数>5,对优化后液压缸施加79 kN侧向载荷,双缸同步伸缩5000次,加载试验,试验全过程无漏油现象,各支承环厚度,基本未发生变化,支承环没有发生磨损现象,支承环的承压性能满足液压缸的导向支撑和抗侧向力的要求,优化结构的试验效果明显。证明所设计的测试平台能够实现盾构机液压缸的可靠性测试,该测试结果可对液压缸的优化设计起到指导作用。