盾构刀盘驱动液压系统设计

　　1 引言

　　盾构掘进机是一种综合了机械制造、新材料、新工艺、电子信息、自动化等高新技术在内的、专用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工设备，具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，比之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势，有着良好的综合效益，目前正朝着液压和电气自动控制、智能化和多功能化的方向发展。盾构的主要组成包括刀盘系统、推进系统、螺旋机系统、管片拼装系统、冷却水系统及辅助系统。

　　刀盘是盾构的关键部件之一．是盾构主要工作部件。刀盘的主要功能有：开挖功能、稳定功能和搅拌功能。刀盘驱动具有功率大且变化范围广的特点，这是因为负载是随断面的土质状况变化的，如切削硬岩和切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大。目前，刀盘主要驱动方式有液压驱动、变频电机驱动方式。

　　(1)刀盘液压驱动主要由液压泵站、阀块组、管路、驱动液压马达、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成。液压马达驱动刀盘旋转，刀盘转速通过液压系统调节。液压系统具有体积小，便于刀盘调速及过载保护的特点。

　　(2)变频电机驱动主要由变频电机、减速机、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成。变频电机驱动刀盘旋转，刀盘通过电机调节，有较大转矩储备，传动效率高。

　　两种驱动方式在盾构上都得到广泛的使用。从这两种刀盘驱动方式的性能对比中可知，针对各种不同的地层，它们都具有良好的调速性能，使刀盘能够很好地开挖。

　　变频驱动设备费用高，控制技术复杂，但是具有较高的传动效率，较低能源消耗，可节省电力费用；液压驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能，占用空间小，维修保养相对简单，可靠性高。目前采用阀控马达的控制方式，系统功率势必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，进而影响盾构推进速度。

　　本系统为863项目“盾构模拟试验平台”的刀盘驱动液压子系统。采用变量泵控制定量马达的液压系统来驱动刀盘转动，除了很好地提供动力外，还要研究刀盘的负载敏感控制和盾构所特有的节能问题。

　　2 刀盘驱动液压系统原理设计

　　如图1所示为刀盘结构及其部分液压原理图。液压系统为开式回路，可适应两种工况，即软岩工况时的低速大转矩和硬岩工况时的高速小转矩，两种工况转换可通过控制电磁换向阀5．3来实现。当电磁铁C断电时，溢流阀5．1确定系统最高压力，此时，系统压力设定为10 MPa，输出转矩小，但流量大(最大为300 L／rain)，输出转速高；当电磁铁C通电时，溢流阀5．2确定系统最高压力，此时，系统压力设定为20MPa，输出转矩大，但流量小，输出转速低。刀盘转速通过调节变量泵6的排量实现，压力传感器3测量液压马达的进油口压力，压力信号经处理后反馈到变量泵的比例阀上，构成速度闭环控制系统。变量控制机构使得泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流成比例，恒功率控制优先于变量控制，即低于功率曲线(功率双曲线)时排量受控制电流的调整，如果设定流量或工作压力使功率曲线超过，则恒功率控制取代电控变量并按照恒功率曲线减小排量。液压马达1的正反转可通过电液换向阀4来控制，电磁铁B1通电，马达正转，电磁铁B2通电，马达反转，由主阀P口的单向预压阀8建立最低的控制油压力，该阀的开启压力约为0．85 MPa。