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厨询蠹斡 迪 凌厘 霭物弱 国 浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室 郑久强 龚国芳 胡国良 杨华 勇术摘要:设计了盾构刀盘变转速液压驱动系统.

采用 A M E S i m仿真工具对该系统进行了仿真建模分析. 仿 真结果表明刀盘变转速液压驱动系统能够实现泵输出流量随系统负载改变而改变, 即负载适应.该系统液压 刚路简单, 噪声低, 调速范围宽, 节能效果好.有望在盾构刀盘驱动系统中得到广泛应用. 关键词 : 变 转速 盾构刀盘 仿真 盾构掘进机是一种用于地下隧道工程开挖 的复 杂机电系统 , 具有开挖切削土体 、 输送土渣 、 拼装隧道 衬砌、 测量导向纠偏等功能. 近年来 , 随着城市化进程 加快, 我国城市市政工程建设的规模越来越大. 北京、 上海、 广州与深圳等主要城市都己相继开始 了地铁工 程的建设.在城市地铁隧道施工中, 由于受到施工场 地、 道路交通等城市环境因素的限制, 传统的施工方 法难以胜任, 只能依赖对城市正常机能影响较小的隧 道施工方法~ 盾构施工法.因此 , 盾构隧道施工及 盾构技术越来越受到关注.可 以预见 , 盾构隧道施工 及盾构掘进机产业在我国的发展前景非常广阔I . 刀盘是盾构掘进机的重要组成部分 ,是进行掘 进作业 的主要工作机构.盾构刀盘驱动 系统具有功 率大、 功率变化范围宽的特点. 负载是随断面的土质 状况变化的,切削硬岩和切削软土所需 的切削力矩 及转速的变化很大. 如果采用阀控马达系统的形式, 系统功率必然按所需的最大功率设计 ,在遇到欠负 载工况时 , 系统效率低下 , 大量的功率将通过热的形 式耗散, 使系统发热严重. 若采用变频电动机直接驱 动刀盘系统 , 则设备费用高 , 控制技术复杂.采用传 统的变排量泵控马达刀盘液压驱动系统,存在变排 量控制机构复杂、 对介质要求较高、 噪声大、 小流量 时电机和泵仍作高速运转及调速范围有限等问题. 回路存在较大的溢流损失和节流损失,液压系统的 功率效率很低.本文设计的盾构刀盘变转速液压驱 动系统综合了变频电动机直接驱动刀盘系统与变排 量泵控马达系统两者的优点.即利用变频器驱动 的 负载敏感节能效果与泵控马达驱动的传递功率大 、 控制精度高、 安装空间小与能源消耗低, 适用于运动 复杂、 工作环境恶劣等情况的特点. 因此该系统具有 结构简单 , 节能效果明显等特点 .

1 盾构刀盘变转速液压驱动系统原理 变转速刀盘液压驱动 系统是一种通过改变 电动 机 的转速来改变泵输 出流量而达到调速的方式 .它 与改变变量泵排量方式不同,是通过交流变频调速 实现执行元件的调速. 在这种调速方式中, 液压泵可 以选用价格低廉、 可靠性高的定量泵. 变转速刀盘液压驱动系统原理简图如图 l 所示.本系统主要由变频器、 电动机

1 、 定量泵

2 、 阀块 组

6、管路、 驱动液压马达

7 、 减速机、 速度传感器

8 、 大小齿轮、 A / D转换器、 控制器、 D / A转换器、 主轴承 及密封件等组成 .

1 . 电动机

2 . 主驱动泵

3 . 溢流阀

4 . 过滤器

5 岸 向阀

6 庖磁换向阀

7 . 马达

8 . 转速传感器 图1盾构刀盘变转速液压驱动系统原理筒图 国家杰出青年基金资助项目 号504255~8)N[ ]家

8 6

3 高技术研究发展计划资助项目( 编号

2 0

0 3 A A

4 2

0 1

2 0 ) 一36~工{ f i 缸献

2 0

0 6 (

4 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com 三相电源接入变频器的输入侧 ,经过变频器的 控制信号, 将特定频率特定电压的正弦电压信号供 给异步电动机

1 , 电动机

1 带动主驱动泵

2 旋转, 主 驱动泵

2 输出一定流量 的压力油 ,压力油经过滤清 器

4、单 向阀

5 及换 向阀

6 驱动双 向定量马达

7 做 回转运动 , 从而驱动刀盘的转动. 马达

7 的输出轴上安装有转速传感器

8 , 其采集 到的转速信号经过 A / D转换后输入到控制器,在控 制器里对采集到的转速信号进行分析处理 ,根据给 定的曲线计算输出信号 ( 即变频器的输入信号) , 通 过变频器信号改变驱动泵的电动机的转速,从而实 现泵输出流量随系统负载改变而改变, 即负载适应. 由图

1 可知 ,变转速泵控马达调速系统中没有 液压调速元件,与传统的节流调速回路或容积调速 回路相比, 液压回路得到了简化, 成本也得到相应降 低[

6 -

8 ] .

2 系统仿真建模 本系统采用 A M E S i m仿真工具进行仿真 建模 . A ME S i m ( A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r p e r ― f o r m i n g S i m u l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s t e m s ) 是法国Imagine公司于

1 9

9 5 年推出的基于键合图的液压 / 机械系统建模、 仿真及动力学分析软件. 它为用户提 供了一个时域仿真建模环境,可使用已有的模型和 ( 或) 建立新的子模型元件, 构建优化设计所需的实 际原型 ;

采用易于识别的标准 I S O图标和简单直观 的多端口框图;

方便用户建立复杂系统及用户所需 的特定应用实例;

可修改模型和仿真参数, 进行稳态 及动态仿真 、 绘制 曲线并分析仿真结果. 界面比较友 好、操作非常方便 姗.系统仿真模型如图 2所示.定量泵

1 排量为

2 6

0 m L / r , 异步电机

2 最高转速 I

5 0

0 r / m i n ;

变频器

3 选用三菱变频调速器, 控制方式为磁连追踪型 P WM 控制技术 ;

溢流阀

6 设为

2 4 M P a ;

电磁换 向阀

8 采用4WE H

3 2 G

6 X /

6 A G

2 4 N T S

2 B

0 8 , 用于控制双 向马 达的正反转 ;

双 向马达

9 排量 为45,6mL/r,最大转 速为

6 2

0 0 r / m i n ;

减速机

1 0 减速比设值为4

7 6 .

8 ;

模 拟负载

1 3 分为硬岩、 软岩两种工况, 主要按刀具切 削转矩 、 刀盘土腔内的搅动力矩、 刀盘的推力载荷产 生的旋转转矩 、刀盘圆周面上的摩擦力矩和刀盘前 表面上的摩擦力矩等进行计算.其转动惯量为

1 5 k g ・ m z ;

其中变频器

3 、 电磁换 向阀

8 、 模拟负载

1 3因工缸拭2006(4)系统仿真是在液压油的粘温系数 A 为0.043,油液动力粘度 肛l

0 为0.0282Pa・S,参考温度 为4

0 ℃ 下进行 的. 图

3、图4为刀盘系统在软岩工况下的转 速与转矩 曲线 ;

图

5、图6为刀盘系统在硬岩工况下 的转速与转矩曲线;

由图所示, 当刀盘系统在软岩工 况时, 输出转矩加大, 马达开 口关小 , 系统压力增大, 流量减小 , 输出转速低;

当刀盘系统在硬岩工况时 , 输出转矩减小 , 马达开 E l 变大 , 系统压力减小 , 流量 增大, 输出转速高.整个系统可实现两种工况 , 即软 岩工况时的低速大转矩和硬岩工况时的高速小转 矩,满足刀盘系统在不同土质工况下的转速要求. 该 系统刀盘转速响应快 , 没有超调 , 系统稳定性能好 , 输出功率始终与负载所需功率相适应 , 能够使刀盘 液压驱动控制系统适应掘进中的复杂工况 ,从而达 ~

3 7― 维普资讯 http://www.cqvip.com 星一辩时间(s)图3 模拟负载在软岩工况时刀盘转速曲线 童'

窨一嘲辞时川(s)图5模拟负载在硬岩工况时刀盘转速 曲线 到节能效果 .

4 结束语 将电机变频调速技术用于盾构刀盘液压驱动系 统 ,能够较好地做到液压系统提供 的功率和负载所 需要的功率相匹配, 减少了液压系统的能量损失, 提 高整个系统的效率. 达到节能的目的. 它是一种全局 型的新型节能液压驱动方式.有望在盾构 中得到广 泛应用. 参考 文献 1庄欠伟. 土压平衡式盾构电液控制系统集成技术........