(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)與利用越來越受到國家重視[1]。盾構(gòu)機做為軌道交通、水利工程、公路鐵路、地下綜合管廊等領(lǐng)域隧道施工的關(guān)鍵設(shè)備，在城市建設(shè)中發(fā)揮的作用越來越重要[2]。目前我國市政管道建設(shè)多采用頂管施工技術(shù)，但隨著施工距離延長，會出現(xiàn)頂進推力不足、頂進方向易失控等問題[3]。而在國外采用微型盾構(gòu)機進行市政管道施工已得到廣泛應(yīng)用，并且需求量逐年增加，英國、德國、日本等國已對其進行深入研究，并廣泛應(yīng)用于市政管道建設(shè)。在我國，微型盾構(gòu)機發(fā)展緩慢，成為我國市政管路施工技術(shù)的一大缺口[4-5]。從市政管道盾構(gòu)法施工的實際需求出發(fā)，設(shè)計并制造了Φ0.92 m微型土壓平衡盾構(gòu)機。重點分析了其液壓系統(tǒng)中刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的功能特性、工作原理及相關(guān)計算與選型。并根據(jù)微型盾構(gòu)機施工的特點，設(shè)計了控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來完成微型盾構(gòu)機施工的要求。

1 總體方案設(shè)計

圖1 Φ0.92 m微型土壓平衡盾構(gòu)機主體結(jié)構(gòu)圖

微型土壓平衡盾構(gòu)機的主體結(jié)構(gòu)主要包括刀盤、盾體、主驅(qū)動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送機等，并設(shè)計了始發(fā)架和渣土車。圖1為Φ0.92 m微型土壓平衡盾構(gòu)機主體結(jié)構(gòu)。 如圖2所示，刀盤采用開挖直徑為0.92 m的輻板式設(shè)計，可以通過更換不同截面大小的面板來改變刀盤開口率的大小，以適應(yīng)粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂層、小顆粒卵石等不同的土質(zhì)條件。并且刀具和面板上焊有耐磨條，以提高刀具和面板的耐磨損能力。

盾構(gòu)機實物如圖3所示，盾體的直徑為0.9 m，長度為1.75 m,結(jié)構(gòu)分為前盾和尾盾。前盾和尾盾之間采用被動鉸接連接，沒有現(xiàn)在大中型盾構(gòu)上的中盾設(shè)計，這主要是為了減小長徑比，提高轉(zhuǎn)彎的靈敏度，同時也能夠解決微型盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部空間狹小給傳感器、液壓系統(tǒng)中的油缸、管路等內(nèi)部零部件安裝布置困難的問題。

圖2 刀盤實物圖

圖3 盾構(gòu)機實物圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

微型土壓平衡盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)主要由刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)和螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)等組成。圖4為液壓泵站實物圖。

由于微型盾構(gòu)機內(nèi)部空間狹小，液壓泵站無法隨盾構(gòu)機進入隧道，且液壓管路數(shù)量較多，施工不便，僅將推進閥組安裝于盾構(gòu)機中，有效減少了液壓泵站與盾構(gòu)機之間液壓管路的數(shù)量，優(yōu)化了液壓管路。圖5為推進閥組實物圖。

圖4 液壓泵站實物圖

圖5 推進閥組實物圖

圖6 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

2.1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

圖6為刀盤驅(qū)動系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵2來控制定量液壓馬達7，進而驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。泵2中的恒壓閥可限定系統(tǒng)最高工作壓力。刀盤控制閥組5主要由比例電磁換向閥、安全閥、卸荷閥等組成。閥組5通過測壓口Ls將負(fù)載變化信號反饋到泵2的控制口，驅(qū)動負(fù)載敏感閥閥芯移動，改變泵2的斜盤傾角，從而改變壓力和流量。無論負(fù)載如何變化，比例電磁換向閥閥芯開口面積如何調(diào)節(jié)，負(fù)載敏感泵2的輸出流量始終與通過比例電磁換向閥的負(fù)載流量相等，即刀盤轉(zhuǎn)速僅與比例電磁換向閥閥芯開口面積有關(guān)[6]；負(fù)載敏感泵2的輸出壓力始終比負(fù)載壓力大一恒定值，實現(xiàn)按需供壓。系統(tǒng)具有良好的調(diào)速、節(jié)能特性[7]。刀盤最大設(shè)計轉(zhuǎn)速為7 r/min，刀盤系統(tǒng)通過刀盤控制閥組5控制液壓馬達7的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)與正反轉(zhuǎn)控制。當(dāng)比例電磁換向閥左位打開，刀盤正轉(zhuǎn)；反之，刀盤反轉(zhuǎn)。通過電位器旋鈕及電液比例控制器可以調(diào)節(jié)輸入比例電磁換向閥的電流，改變閥芯開口面積，從而控制流量，調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速[8]。

2.2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的計算與元件選型

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。由表1可知：液壓馬達需要輸出的扭矩為81.15 N·m，液壓馬達的出油口直接接油箱，出口壓力為0，機械效率為0.95。

表1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

(1)

式中，P1為液壓馬達的工作壓力；ηmm為液壓馬達的機械效率，取0.95；T為液壓馬達的輸出扭矩。

液壓馬達的最高輸入流量為

(2)

nmax=ni

(3)

式中，ηmv為馬達容積效率，取0.95；nmax為液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速；n為刀盤轉(zhuǎn)速，取5 r/min；i為總傳動比。代入數(shù)據(jù)計算可得nmax=1 600 r/min。

液壓馬達最大輸出功率為

(4)

式中，T=81.15 N·m；nmax=1 600 r/min，則計算出Nm0=13.6 kW。

液壓泵的工作壓力為

Pp≥P1+∑ΔP

(5)

式中，P1為液壓執(zhí)行元件的最高壓力，取16 MPa；∑ΔP為泵到執(zhí)行元件間的總管路損失(由圖6可得，泵到馬達中間經(jīng)過一個過濾器，2個比例換向閥，液壓系統(tǒng)簡單)，取0.5 MPa。則

Pp=P1+∑ΔP

(6)

代入數(shù)值得Pp=16.5 MPa。

液壓泵輸出流量為

Qp≥K(∑Qmax)

(7)

式中，K為系統(tǒng)的泄露系數(shù)，取1.1； ∑Qmax為使液壓缸或馬達同時工作時，系統(tǒng)需要的最大流量，取56.4 L/min。所以，泵的輸出流量為Qp=62.04 L/min。

泵的排量為

(8)

式中，nE為4級電機轉(zhuǎn)速，取1 480 r/min；ηpv為泵的容積效率，取0.95。

泵的輸入流量

Q=nEq0

(9)

液壓泵的輸出功率為

(10)

聯(lián)立式(8)、式(9)、式(10)可得Np=17.06 kW。電機的輸入功率為

(11)

式中，η為液壓泵的總效率，取0.9。代入數(shù)值得NE=18.9 kW。

根據(jù)以上理論計算，主要刀盤驅(qū)動系統(tǒng)元件選型如表2所示。

表2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)元件選型

馬達的輸出扭矩校核，該系統(tǒng)中選的馬達的排量為q0=45 mL/r，系統(tǒng)壓力為P=16 MPa，則馬達的輸入流量為

(12)

式中，ηmv為馬達容積效率，取0.95。代入數(shù)據(jù)計算得Q=75.8 L/min。

馬達的輸出扭矩為

(13)

代入數(shù)據(jù)進行計算得Tm=108.9 N·m，大于81.15 N·m，所以滿足系統(tǒng)扭矩要求。

液壓系統(tǒng)的流量校核，液壓泵的排量為q0=58 mL/r，所選電機轉(zhuǎn)速為n=1 480 r/min，則泵的輸出流量為

Qp=q0nηpv

(14)

代入數(shù)據(jù)進行計算得Qp=83.3 L/min，大于75.8 L/min，所以流量滿足要求。

泵的吸入流量為

Q=q0n

(15)

泵的輸出功率為

(16)

泵的輸入功率為

(17)

聯(lián)立式(15)、式(16)、式(17)，得出Ni=25.4 kW，小于30 kW。所以泵滿足系統(tǒng)要求。

3 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，通過電氣控制系統(tǒng)可以完成盾構(gòu)機的掘進、排土、轉(zhuǎn)彎等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將盾構(gòu)機施工過程中采集到的土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度等數(shù)據(jù)實時顯示在控制界面上，并將數(shù)據(jù)進行存儲，以便接下來更進一步的分析與研究。

電氣控制系統(tǒng)主要由動力柜、PLC控制柜和操作臺3部分組成。控制功能的實現(xiàn)主要由PLC來完成。

操作臺主要由操作面板、顯示器及觸摸屏構(gòu)成，同時為了適應(yīng)操作者的人體功能，達到操作方便，獲得較高的操作效率和準(zhǔn)確性的目的，如圖7所示，控制面板進行了分區(qū)。如圖8所示，PLC控制柜主要由三菱系列FX3U系列PLC、繼電器和接線端子等組成，主要用來實現(xiàn)刀盤、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速等功能的控制。圖9為操作臺實物圖，操作者可通過不同的按鈕完成對盾構(gòu)機相應(yīng)功能的控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、PLC、A/D模塊、觸摸屏和硬盤等組成。將傳感器采集到的刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度等數(shù)據(jù)經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸至PLC，可被觸摸顯示屏調(diào)取并直觀顯示。如圖10所示，觸摸顯示屏主界面圖。同時通過轉(zhuǎn)換不同的界面，可以實現(xiàn)不同功能的界面顯示，如圖11所示，通過數(shù)據(jù)一覽表可以將盾構(gòu)機主要掘進參數(shù)顯示在同一個界面上，方便操作者及時了解盾構(gòu)機施工狀態(tài)。并將采集到的數(shù)據(jù)存儲在硬盤中，方便進一步的分析與研究。

圖7 操作面板

圖8 PLC控制柜

圖9 操作臺

圖10 觸摸顯示屏主界面圖

圖11 數(shù)據(jù)一覽表

4 結(jié)論

(1)設(shè)計并制造了Φ0.92 m微型土壓平衡盾構(gòu)機。完成了微型土壓平衡盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與相關(guān)設(shè)備的選型，重點分析了刀盤驅(qū)動系統(tǒng)功能要求和工作原理。設(shè)計并完成了微型土壓平衡盾構(gòu)機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)Χ軜?gòu)機的控制，將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示到控制界面上，并進行存儲，以便進一步分析與研究。

(2)解決了微型盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部空間狹小給傳感器、油缸等內(nèi)部元器件安裝布置困難的問題。

(3)本微型土壓平衡盾構(gòu)機從市政管道盾構(gòu)法施工的實際需求出發(fā)進行設(shè)計與制造，豐富了市政管道施工的方法，為微型盾構(gòu)機在市政管道建設(shè)方面的應(yīng)用積累經(jīng)驗。