(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714099； 2. 長安大學(xué)， 陜西 西安 710064)

引言

盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等多學(xué)科交叉而成的機(jī)電一體化設(shè)備。憑借其高效、快速、安全的特性，盾構(gòu)機(jī)在世界各國的隧道施工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)刀盤的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，為盾構(gòu)機(jī)開挖隧道提供切削力。傳統(tǒng)定量泵與溢流閥組成的液壓系統(tǒng)在變負(fù)載的情況下存在較大的能量損失，功率損耗大、回路效率低[1]。負(fù)載敏感技術(shù)因其節(jié)能、高效的特性在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。針對盾構(gòu)施工中復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，采用負(fù)載敏感泵作為刀盤主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力元件，利用AMESim軟件搭建該泵的結(jié)構(gòu)模型，通過分析其模型與工作原理得出，該泵在變負(fù)載情況下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量大小，始終保持輸出功率不變，能量損耗小、回路效率高。故本研究以負(fù)載敏感泵為動(dòng)力源，利用AMESim軟件搭建盾構(gòu)刀盤主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合某型盾構(gòu)機(jī)實(shí)際施工過程，在軟土與砂土2種不同地質(zhì)條件下，使系統(tǒng)運(yùn)行于3種不同功率，分析每種功率條件下系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化情況，為不同地質(zhì)條件下提高盾構(gòu)機(jī)刀盤液壓系統(tǒng)效率，減小系統(tǒng)損耗提供依據(jù)。

1 負(fù)載敏感泵的模型、原理及仿真分析

1.1 工作原理

負(fù)載敏感泵由斜盤式變量泵、控制活塞缸、壓力補(bǔ)償閥及帶反饋通道的敏感閥等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 負(fù)載敏感泵結(jié)構(gòu)簡圖

工作過程中，當(dāng)系統(tǒng)處于較低壓力狀態(tài)時(shí)，斜盤泵工作于傾角最大的位置，此時(shí)輸出流量最大，保證負(fù)載快速運(yùn)動(dòng)，而泵輸出的功率不變。隨著負(fù)載的增大，敏感閥響應(yīng)系統(tǒng)的流量需求，壓力補(bǔ)償閥補(bǔ)償系統(tǒng)壓力，并使活塞缸改變泵的斜盤傾角，調(diào)節(jié)流量的大小，使泵輸出流量與系統(tǒng)需求相適應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到最大時(shí)，斜盤泵工作于傾角最小的位置，此時(shí)系統(tǒng)流量僅需補(bǔ)償泵的泄漏。泵的輸出功率依然不變，故采用負(fù)載敏感泵作為動(dòng)力元件，系統(tǒng)總功率保持不變，有效的提高了回路效率，減小了能量損耗。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1) 敏感閥的動(dòng)態(tài)方程

敏感閥的動(dòng)態(tài)微分方程為：

(1)

式中，Av—— 敏感閥的閥芯面積

F0—— 敏感閥預(yù)調(diào)壓力

Mv—— 敏感閥質(zhì)量與彈簧質(zhì)量1/3之和

xv—— 敏感閥閥芯位移

Ks—— 敏感閥彈簧剛度

2) 斜盤的動(dòng)態(tài)方程

變量泵斜盤的動(dòng)態(tài)方程為[2]：

(2)

式中，xp—— 敏感閥的流量增益

Kp—— 敏感閥的流量壓力系數(shù)

xp—— 控制活塞缸位移

J—— 斜盤與缸體繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

V—— 控制活塞缸大腔的容積

A1—— 活塞缸大腔面積

l0—— 活塞中心到斜盤中心的距離

β—— 有效體積的彈性模量

c0—— 活塞缸大腔泄漏系數(shù)

由式(1)、式(2)經(jīng)過推導(dǎo)可以得出負(fù)載敏感泵的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(3)

通過負(fù)載敏感泵的數(shù)學(xué)模型可以看出，系統(tǒng)由震蕩環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)和放大環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)工作時(shí)敏感閥閥芯在負(fù)載壓力、彈簧力和泵出口壓力的作用下處于平衡狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，閥芯的平衡狀態(tài)被打破，變量泵斜盤傾角在控制活塞缸的作用下隨之改變，使系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載變化對壓力和流量的需求，以達(dá)到二者相匹配的目的。

1.3 敏感泵仿真模型分析

AMESim是一款用于高級(jí)系統(tǒng)工程的仿真建模軟件。功能強(qiáng)大、操作方便，利用各種系統(tǒng)的工作參數(shù)可以仿真出系統(tǒng)工作中的真實(shí)數(shù)據(jù)。依據(jù)負(fù)載敏感泵的原理和數(shù)學(xué)模型，在AMESim軟件中，利用HCD庫搭建敏感泵的模型，如圖2所示。質(zhì)量塊代表閥芯部件的質(zhì)量，用激勵(lì)函數(shù)控制活塞缸的位移量，節(jié)流閥模擬系統(tǒng)對流量的需求狀況，比例溢流閥控制系統(tǒng)的壓力。

設(shè)定補(bǔ)償閥的前后壓力差為2 MPa，調(diào)定比例溢流閥的壓力分別為5， 8， 12 MPa，當(dāng)系統(tǒng)壓力隨負(fù)載變化而變化時(shí)，敏感閥響應(yīng)負(fù)載的變化情況，通過控制活塞缸的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)壓力與負(fù)載變化相適應(yīng)。系統(tǒng)壓力與負(fù)載壓力之差始終保持2 MPa，壓力變化曲線圖如圖3所示。

圖2 敏感泵模型

圖3 壓力變化曲線圖

2 刀盤液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

為方便模擬仿真，將盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)2臺(tái)變量泵帶動(dòng)8臺(tái)雙向定量馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)簡化為單泵帶動(dòng)2臺(tái)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。該系統(tǒng)為容積調(diào)速回路，無溢流損失與節(jié)流損失，回路效率高，發(fā)熱量小，經(jīng)濟(jì)性好。

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由變頻電機(jī)、變量泵結(jié)合雙向定量馬達(dá)的結(jié)構(gòu)組成。通過頻率的調(diào)節(jié)，將變頻電機(jī)的輸出功率設(shè)定為全功率模式、80%全功率模式和60%全功率模式。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝有速度傳感器，能將主軸轉(zhuǎn)速反饋給控制器，工作過程中，當(dāng)負(fù)載變化，系統(tǒng)壓力隨之變化，并通過壓力傳感器將壓力信號(hào)傳輸給控制器，控制器將壓力信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析處理，在恒功率控制下將處理結(jié)果傳輸于負(fù)載敏感泵的控制油缸，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的斜盤傾角，保證系統(tǒng)壓力與流量與負(fù)載需求相匹配，即實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。通過控制器可以將電動(dòng)機(jī)的功率切換為其他模式，每種模式下都可通過壓力傳感器與速度傳感器實(shí)現(xiàn)壓力與轉(zhuǎn)速的反饋，故該系統(tǒng)可在3種不同功率模式下實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。

圖4 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與AMESim建模

3.1 參數(shù)計(jì)算

本研究以中鐵一局軌道交通公司φ6450 mm盾構(gòu)機(jī)分別在軟土和砂土地層的施工數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)刀盤液壓系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)選用Y31512-4型三相異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，電機(jī)額定功率為200 kW，額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min，電機(jī)在額定功率下的功率儲(chǔ)備按照7%計(jì)算，則計(jì)算出變量泵的最大有效功率為：

Np=(1-7%)NMηmcηpmηpv

=0.93×200×0.95×0.95×0.96

=161 kW

(4)

式中,NM—— 電機(jī)額定功率

ηmc—— 聯(lián)軸器機(jī)械效率

ηpm—— 變量泵機(jī)械效率

ηpv—— 變量泵容積效率

考慮系統(tǒng)工作時(shí)的壓力損失設(shè)為5 MPa，則泵的進(jìn)出口壓力差為33.9 MPa。在全功率模式下泵的排量為：

=200.7 mL/r

(5)

式中,np為電機(jī)額定助轉(zhuǎn)速。

此時(shí)全功率模式下刀盤的最低轉(zhuǎn)速為：

=0.89 r/min

(6)

最高轉(zhuǎn)速為：

=2.23 r/min

(7)

由此可得出刀盤在80%全功率模式下的最低轉(zhuǎn)速為：

n3=n1×80%=0.71 r/min

最高轉(zhuǎn)速為：

n4=n2×80%=1.78 r/min

60%全功率模式下的最低轉(zhuǎn)速為：

n5=n1×60%=0.54 r/min

最高轉(zhuǎn)速為：

n6=n2×60%=1.34 r/min

3.2 AMESim建模

為了驗(yàn)證盾構(gòu)刀盤負(fù)載敏感系統(tǒng)在3種不同功率模式下回路效率及能耗變化情況，利用AMESim軟件搭建系統(tǒng)模型，如圖5所示。

由于系統(tǒng)每臺(tái)馬達(dá)的回路循環(huán)和構(gòu)造特點(diǎn)類似，故模型采用的是單泵驅(qū)動(dòng)雙液壓馬達(dá)的回路結(jié)構(gòu)。具體的工作過程如下：變量泵輸出高壓油，油液通過三位四通換向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過齒輪減速器帶動(dòng)大齒輪驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成切削土體的目的。系統(tǒng)壓力通過比例溢流閥調(diào)節(jié)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載模型和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩模型模擬刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程承受的阻力。部分液壓元件的仿真參數(shù)如表2所示。

圖5 盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型圖

模型參數(shù)值轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載(RL04)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m24500馬達(dá)泄漏液阻(0R0000)特征流量/L·min-11.1壓降/MPa1溢流閥(HL002)開啟壓力/MPa37泵泄漏液阻(0R0000)特征流量/L·min-11.5壓降/MPa1

4 仿真分析

盾構(gòu)機(jī)施工過程中會(huì)遇到不同的地層，地層的變化會(huì)對盾構(gòu)刀盤主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的回路效率、輸出扭矩及馬達(dá)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯的影響。即使在同一地層施工過程中，也可能會(huì)遇到軟硬不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出扭矩出現(xiàn)較大變化范圍。

盾構(gòu)機(jī)穿越軟土地層時(shí)要比穿越砂土地層承受更大的阻力。針對這兩種地層，分別在3種不同功率模式下對負(fù)載敏感刀盤系統(tǒng)的輸出扭矩、馬達(dá)轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)效率作仿真對比分析，為使系統(tǒng)在這兩種不同工況下節(jié)能減耗提供依據(jù)。

4.1 軟土地層系統(tǒng)仿真分析

如圖6所示是盾構(gòu)機(jī)穿越軟土層時(shí)，3種不同功率模式下馬達(dá)轉(zhuǎn)速情況。由于實(shí)際工作中變量泵、液壓馬達(dá)、液壓管路等都不可避免的有一定的損失，故仿真結(jié)果與實(shí)際值相比會(huì)有偏差。由仿真曲線可以看出，功率越大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速越快，隨著負(fù)載的變化，刀盤負(fù)載敏感系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載的變化，馬達(dá)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較小，刀盤轉(zhuǎn)速整體比較平穩(wěn)，系統(tǒng)功率利用率比較合理。在較低功率模式下運(yùn)行時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏低，有可能造成刀盤爬行現(xiàn)象，對盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行不利。

圖6 軟土層馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖

圖7所示是系統(tǒng)效率曲線圖?？梢钥闯鲈谳^低功率模式下運(yùn)行時(shí)，回路效率較高，但是系統(tǒng)輸出扭矩較全功率模式或80%功率模式運(yùn)行都有明顯下降，如圖8所示。由于軟土層阻力較大，可能導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤扭矩不足，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。故該地質(zhì)條件下應(yīng)避免在較小功率模式下運(yùn)行，應(yīng)在全功率模式或80%功率模式下運(yùn)行，結(jié)合負(fù)載敏感系統(tǒng)的自適應(yīng)性，為了節(jié)能減耗，提高回路效率，應(yīng)優(yōu)先選擇在80%功率模式下運(yùn)行。

圖7 軟土層系統(tǒng)回路效率圖

圖8 軟土層刀盤扭矩圖

4.2 砂土地層系統(tǒng)仿真分析

如圖9所示是盾構(gòu)機(jī)穿越砂土地層時(shí)，3種不同功率模式下馬達(dá)轉(zhuǎn)速情況，可以看出與軟土層相比，刀盤轉(zhuǎn)速有明顯的提高。系統(tǒng)作用于砂土層時(shí)，由于負(fù)載載荷相比較小，負(fù)載敏感系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載的變化，變量泵的斜盤傾角增大，輸出流量增大，故刀盤轉(zhuǎn)速相比軟土層會(huì)有明顯的提高。

圖9 砂土層馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖

但是與軟土層相比，在砂土層系統(tǒng)輸出的功率也會(huì)明顯下降，由于容積調(diào)速回路工作過程中泄漏是不可避免的，加之液壓元部件工作過程中的機(jī)械磨損，故系統(tǒng)作用于砂土層時(shí)效率會(huì)明顯下降，如圖10所示?？梢钥闯?種不同功率模式下系統(tǒng)效率明顯低于軟土層系統(tǒng)效率，并且可以看出，輸入功率越低，系統(tǒng)效率越高，負(fù)載變化也會(huì)引起效率明顯的波動(dòng)。

圖10 砂土層系統(tǒng)效率圖

如圖11所示是刀盤輸出扭矩圖?？梢钥闯?種不同功率模式下刀盤輸出扭矩基本相同，并且扭矩依負(fù)載而變化。故系統(tǒng)作用于砂土層時(shí)，為了提高系統(tǒng)效率，可以適當(dāng)降低輸入功率，使系統(tǒng)工作于60%功率模式下，結(jié)合負(fù)載敏感系統(tǒng)的自適應(yīng)性，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

圖11 砂土層刀盤扭矩圖

5 結(jié)論

針對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，為使盾構(gòu)機(jī)能在施工過程中節(jié)能減耗，采用負(fù)載敏感泵作為盾構(gòu)刀盤主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，使系統(tǒng)輸出壓力和流量與負(fù)載變化相適應(yīng)，結(jié)合不同的輸入功率，主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軟土與砂土地層的相關(guān)參數(shù)分別如表3和表4所示。

表3 軟土層系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

表4 砂土層系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

在3種不同功率模式下分析對比，最終得出如下結(jié)論：

(1) 軟土地層為提高系統(tǒng)效率，減小能耗，宜在全功率模式或80%功率模式下運(yùn)行，應(yīng)優(yōu)先在80%功率模式下運(yùn)行；

(2) 砂土地層為提高系統(tǒng)效率，減小能耗，宜在80%功率模式下運(yùn)行或60%功率模式下運(yùn)行，應(yīng)優(yōu)先在60%功率模式下運(yùn)行。