土压平衡盾构机推进液压系统的设计

　　0　引言

　　盾构机是一种用于隧道非开挖掘进的专用工程机械。土压平衡盾构机用于地下工程地质与水文地质变化很大的情况,在这种含有不稳定的地质状况下,采用土压平衡盾构机可以减少工作面前方沉降的风险。该盾构机的工作原理是控制土仓内已开挖土的压力,使之与刀盘前方的水土压力相平衡,达到控制地表沉降的目的。盾构机在实际施工过程中,推进速度的变化必然引起土仓压力的变化,因此需要根据土仓压力不断调整推进缸推进速度;此外,由于被切削的土层土质条件比较复杂,常常导致盾体各个部分受到的土层压力不一致,使得盾构机的前进方向偏离设计轴线;而且,盾构机在施工过程中还要进行转弯或曲线行进,这些都要根据盾构掘进位置与理想位置的偏差,来协调和控制各推进油缸压力和速度,使之按正确的路线前进。作者根据以上盾构机推进系统的工作要求设计了液压控制系统。

　　1　推进液压系统原理设计

　　1·1　液压系统设计参数

　　该盾构机推进液压系统要求的参数如下:推进液压缸数量为20个;推进液压缸行程为2 100mm;推进速度在0~60mm/min范围内无级可调;最大总推力为36 000kN;最大工作压力为35MPa;额定工作压力为34MPa。

　　1·1·1　液压缸主要参数选择

　　根据液压缸负载力公式F=pA计算液压缸内径D:

　　圆整后取D=260mm。

　　取无杆腔和有杆腔面积比φ=3·5。可得活塞杆直径d:

　　圆整后取d=220mm。

　　因此可确定液压缸尺寸为260mm/220mm×2 100mm。

　　1·1·2　液压泵的参数计算及选型

　　根据q=vA, 20个液压缸推进时需要的最大流量为

　　通过查询国内外产品样本,根据系统工作特性要求,选择斜盘式轴向变量柱塞泵A11VO60。其基本参数如下:排量60mL/r;流量88·5L/min;最大工作压力35MPa;转速1 475r/min。

　　1·1·3　电机功率计算及选择

　　考虑到泵的总效率η=0·85,则电机输出功率为

　　因此采用电机功率为45kW,转速为n=1 480r/min。

　　1·2　液压系统工作原理

　　推进系统的20个液压缸分为4个区控制,如图1所示,其中下边分区液压缸承受开挖力最大,因此下边的分区液压缸数目为8个。上边分区和左右分区液压缸数目各为4个。在盾构机中,采用推进液压缸分区控制可以进行盾构掘进方向控制及纠偏,在系统中,对于每个独立分区都分别设有1个压力传感器以及1个液压缸内置式的位移传感器实时检测各区的推进压力及位移,采用比例减压阀进行分区控制以调整盾构掘进机的各区的推进速度和推进压力,从而提高系统的控制精度。每区分别调整,又可以在符合控制要求的前提下,达到既控制成本,又简化结构的目的。推进液压系统的工作缸运行有两种工作模式,一种是盾构机前进时推进模式,另一种是拼装管片时推送管片模式。因此,各分区中每两个液压缸也可以进行单独伸出或缩回,完成管片拼装模式下液压缸的动作要求。