盾构机液压系统多泵优化组合驱动技术

　　盾构掘进机是用于土质地层或弱地层全断面开挖的机械化施工设备. 盾构包括开挖、排土、拼装和推进等机械装置,进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作,使隧道结构施工一次完成[1 ] . 由于地质差异,盾构埋深变化,盾构的工况很复杂,盾构刀盘驱动具有功率大、扭矩变化大和转速范围广的特点. 西班牙马德里M30 公路隧道盾构直径为15.2 m ,采用了50 台液压马达、24 台泵和12台电机组成刀盘驱动液压系统,驱动功率达17 100kW. 该盾构有2 个切削刀盘,大刀盘的最大扭矩为125 000 kN ·m ,最大转速为2.05 r/ min ,小刀盘在最大转速6.05 r/ min 时的输出扭矩为5 000 kN ·m[2 ] .

　　目前,先进盾构的刀盘液压驱动系统大多采用数个大流量变量泵并联供油,驱动多个高速小扭矩液压马达,再通过减速机和齿轮传动机构驱动刀盘的方案,已经普遍应用电液比例技术进行刀盘调速.这种刀盘液压驱动系统功率密度大,占用空间小,负载变化对刀盘转速影响小. 装机功率应按最大的驱动功率计算,由于隧道的刀盘驱动功率变化大,刀盘驱动功率很难精确计算,通常需要有较大的储备量.若全部选用大流量变量泵及驱动电机,在多数施工期间电机和液压泵的负载率低,经常处于欠功率运行,效率不高[3 ] .

　　本文以φ6.3 m 土压平衡盾构为研究对象,刀盘驱动系统所需最大驱动扭矩为4 377 kN ·m、最大脱困扭矩5 225 kN ·m、高速挡扭矩2 620 kN ·m. 刀盘驱动采用目前先进的比例变量泵驱动变量马达的技术,对比研究3 个大泵联合驱动和2 个大泵加2 个小泵组合驱动2 种方式的液压系统效率表明,在刀盘的工作转速范围为0～3.0 r/ min 时,多泵组合驱动方式比多泵联合驱动方式效率高3 %～7 %. 因此,从节能的角度出发,设计的液压系统采用了多泵组合驱动方式,在盾构掘进过程中,可以根据实际功率需要优化组合大小驱动泵,提高电机的负载率和液压泵的功率利用率.

　　1 工作原理

　　1. 1 液压系统原理

　　刀盘驱动液压系统中的主驱动回路由2 个大排量变量泵与2 个小排量的变量泵组合供油驱动8 个双向液控变量液压马达. 大排量泵是双向液控比例变量泵,其排量变化范围为- 750～750 cm3 / r ;小排量泵是带辅助泵的双向电控比例变量泵,其排量变化范围为- 250 ～250 cm3 / r . 大排量泵的补油、换油及壳体冲洗由独立的补油回路提供,补油口附近安装了容积为20 L 的蓄能器, 充气压力为1.5MPa. 泵的补油压力设定为2 MPa. 小排量泵的补油和壳体冲洗由与其同轴的辅助泵提供. 变量马达为液压两点控制型,其控制油口施加控制压力或不施加控制压力使马达的排量设定在500 或300 L/ r .