土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1、收稿日期：20110527基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（No2006BAJ16B06）作者簡(jiǎn)介：劉福東（1982），男，黑龍江雙城人，2004年畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院液壓與控制專業(yè)，本科，現(xiàn)從事盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析劉福東1，郭京波2（1北京華隧通掘進(jìn)裝備有限公司，北京100081；2石家莊鐵道大學(xué)，石家莊050043）摘要：盾構(gòu)機(jī)具機(jī)、電、液、測(cè)控、土木等多學(xué)科技術(shù)于一體的工程機(jī)械。本文就北京地鐵施工中所使用的一種直徑1022m 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)，對(duì)其功能、原理及設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)機(jī)；推進(jìn)系統(tǒng)；液壓原理中圖分類號(hào)：T

2、H 137文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672741X （2011）增刊1040506Analysis on Design of Hydraulic System of EPB Shield SteppingLIU Fudong 1，GUO Jingbo 2（1Beijing Huasuitong Boring Equipment Co，Ltd，Beijing 100081，China ；2Shijiazhuang Tiedao University ，Shijiazhuang 050043，China ）Abstract ：Tunnel boring machine is a kind of c

3、onstruction machinery which includes machine ，electricity ，hydraulic ，monitoring and control and civil engineeringThe functions ，principles and design of screw conveyer hydraulic system of a 1022m-diameter EPB shield adopted in the construction of Beijing Metro are analyzedKey word ：EPB shield ；step

4、ping system ；hydraulic ；theorery0引言盾構(gòu)是城市地鐵及地下隧道施工中的重要設(shè)備，隨著城市進(jìn)程的加快，其使用范圍越來(lái)越廣，在工程施工中所占的比重也越來(lái)越大，盾構(gòu)機(jī)是具機(jī)、電、液、測(cè)控、土木等多學(xué)科技術(shù)于一體的工程機(jī)械。在地下隧道施工過(guò)程中，為保證地面建筑以及地表設(shè)施的安全、防止地表隆起或塌陷，必須嚴(yán)格控制地表沉降。所謂土壓平衡就是密封土倉(cāng)中切削下來(lái)的土體和泥水充滿密封土倉(cāng)，并建立適當(dāng)壓力與開挖面的土體壓力平衡，以減少對(duì)土體的擾動(dòng)，控制地表沉降。要做到土壓平衡控制，就要依賴推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋機(jī)系統(tǒng)（見圖1）配合使用。本文就北京地鐵施工中的某一土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，對(duì)其推進(jìn)液壓

5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。圖1螺旋輸送機(jī)在盾體中布置示意圖Fig1Position of screw conveyer in the shield machine盾構(gòu)機(jī)中盾周邊均勻設(shè)置36根推進(jìn)油缸，該油缸通過(guò)對(duì)已安裝完的隧道管片施力，使盾構(gòu)獲得向前掘進(jìn)的推力。改變推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度或者改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速均可以達(dá)到改變土倉(cāng)壓力的目的。1推進(jìn)液壓系統(tǒng)的功能要求見表1。表1推進(jìn)液壓系統(tǒng)的功能要求表Table 1Function requirements of screw conveyer hydraulic system功能要求描述技術(shù)參數(shù)總推力F =108000kN ；推進(jìn)速度v =0 85cm

6、/min；管片寬度L =1800m /min調(diào)速功能掘進(jìn)過(guò)程中，操作室需要通過(guò)手動(dòng)調(diào)整或自動(dòng)程序調(diào)整推進(jìn)油缸伸出速度以達(dá)到調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力的目的，所以推進(jìn)油缸的速度要求遠(yuǎn)控可調(diào)管片模式該模式在管片安裝時(shí)采用，液壓系統(tǒng)壓力較低，并可隨意選擇1根或幾根推進(jìn)油缸進(jìn)行伸出及縮回操作掘進(jìn)模式該模式在掘進(jìn)時(shí)采用，液壓系統(tǒng)使用高壓，不能進(jìn)行縮回操作選擇模式這種模式下，在掘進(jìn)過(guò)程中可以隨意選擇活動(dòng)的推進(jìn)油缸，進(jìn)行高壓下的推進(jìn)操作。當(dāng)掘進(jìn)施工需要調(diào)向或改變坡度時(shí)，可以選擇一部分推進(jìn)油缸高壓推進(jìn)，另一部分油缸低壓隨動(dòng)，利用由此產(chǎn)生的推力差來(lái)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)推進(jìn)分區(qū)可以在每個(gè)推進(jìn)分區(qū)調(diào)節(jié)液壓壓力及流量，通過(guò)在推進(jìn)分

7、區(qū)設(shè)定不同的液壓壓力，可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制操作第31卷增刊12011年8月隧道建設(shè)Tunnel ConstructionVol31Sup1Aug20112推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)根據(jù)表1的功能要求設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖（見圖2） 。圖2推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖Fig2Hydraulic mechanism of stepping system604隧道建設(shè)第31卷3推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要元件技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算分析31推進(jìn)油缸規(guī)格設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)工藝要求確定設(shè)置36根推進(jìn)液壓缸，設(shè)置在盾尾內(nèi)圓周均勻布置。則單缸受力F 單=F 36=10800036=3000kN 。由于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)空間局限，為減小推進(jìn)液壓缸所占空間，系統(tǒng)額定

8、壓力采用高壓P =35MPa 。液壓缸內(nèi)徑D 按以上壓力計(jì)算：F 單=4D 2 P D =單 p= 3000 10 35 106330mm由此確定油缸內(nèi)徑D =330mm ，活塞桿直徑d =260mm 。根據(jù)密封規(guī)格、管片寬度（18m ）、楔形管片的搭接要求（1/2管片寬度），受力情況及操作空間（油缸行程余量150mm ）等確定油缸行程S =1800+12 1800+150=2850mm 。32主泵規(guī)格設(shè)計(jì)計(jì)算盾構(gòu)最大推進(jìn)速度為85mm /min，36個(gè)液壓缸所需最大流量為Q max =v 1A =85102 （33010 2）24 36261L /min。系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)比例溢流閥（見圖2），比

9、例溢流閥穩(wěn)定工作的最小流量為03L /min，則泵的輸出流量為Q p =Q max +4 q r =261+12=2622L /min。根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力及所需流量要求以及系統(tǒng)工作特性要求，選取2臺(tái)美國(guó)伊頓Vickers 斜盤式軸向柱塞電控比例變量泵PVXS 250SP ，排量250cm 3/r，額定壓力42MPa 。該泵通過(guò)電位計(jì)輸入控制斜盤角度，改變泵排量，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)供油流量進(jìn)而控制盾構(gòu)推進(jìn)速度的目的。33電機(jī)功率計(jì)算及選擇根據(jù)最大推進(jìn)速度下Q p =2622L /min，系統(tǒng)額定壓力P =35MPa ，計(jì)算泵的實(shí)際輸出功率N p =P max Q p =2622 103 35

10、10660153kW 。電機(jī)的輸出功率N E =N pm pv =153086 096=1853kW 。式中：pm 為泵的機(jī)械效率，取值086；pv 為泵的容積效率，取值096。根據(jù)實(shí)際的施工工況，一般最大速度和最大推力不會(huì)同時(shí)使用，故選取2臺(tái)西門子電機(jī)，功率為90kW ，額定轉(zhuǎn)速為1480r /min。34油箱設(shè)計(jì)此系統(tǒng)中，由于油缸的的容積相比系統(tǒng)流量要大出很多倍，所以按照系統(tǒng)流量的經(jīng)驗(yàn)倍數(shù)公式確定油箱容積的方法此處不適用。油箱容量按照系統(tǒng)所需油量的工序來(lái)設(shè)計(jì)，即全部油缸全行程伸出的動(dòng)作。36個(gè)液壓缸走完1個(gè)行程所需油量為Q 伸=364d 2S =36 4 （26010 3）2 285010

11、 3=5447m 3。綜合吸油口的高度（設(shè)計(jì)為底部吸油），臺(tái)車的機(jī)架空間，設(shè)計(jì)油箱容積為115m 3，尺寸為5000 1510 1530。35冷卻器的計(jì)算及選擇本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為變量控制系統(tǒng)，即除了維持元器件的穩(wěn)定工作所需的最低控制油、溢流油（比例溢流閥）及泄露油流量外，基本全部用于做功，所以系統(tǒng)能量損失極少。按照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)估算系統(tǒng)最大發(fā)熱量約為p 熱=30% P 泵輸入=30% 180=54kW 。綜合考慮系統(tǒng)回油流量及壓力，選擇德國(guó)HYDAC 公司的HEX 型板式油/水冷卻器HEX 72260。在溫差為T =20 、V 油/V水=4，冷卻功率約為70kW 。4推進(jìn)系統(tǒng)功能原理分析1 ）電控比例變量

12、柱塞泵（圖2中件號(hào)1）可無(wú)極的控制排量，其排量與泵集成比例電磁閥的控制信號(hào)其關(guān)系如圖3所示。圖3電控比例變量泵控制信號(hào)與排量關(guān)系曲線Fig3Relationship between control single of electronic control variable pump and its output704增刊1劉福東，等：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析此處采用0 10V 控制信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，泵理論排量為0；當(dāng)輸入信號(hào)為10V 時(shí)，泵理論排量為100%。由圖3可知輸入信號(hào)與泵排量基本成正比。該泵的控制傳遞框圖見圖4 。圖4電控比例變量泵控制傳遞框圖Fig4Transfer

13、 course of electronic control variable pump control system推進(jìn)油缸的速度控制可以實(shí)現(xiàn)由推進(jìn)速度設(shè)定電位計(jì)輸入，推進(jìn)速度經(jīng)位移傳感器反饋所組成的的小開環(huán)控制以及由土倉(cāng)壓力設(shè)定電位計(jì)輸入，土倉(cāng)壓力經(jīng)土壓計(jì)反饋所組成的大閉環(huán)控制。在螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，操作員可在手動(dòng)模式下通過(guò)手動(dòng)電位計(jì)輸入模擬量控制信號(hào)來(lái)控制推進(jìn)油缸速度；或在自動(dòng)模式下通過(guò)人機(jī)界面輸入控制目標(biāo)參數(shù)即土壓目標(biāo)值，控制系統(tǒng)按照以上傳遞框圖對(duì)泵進(jìn)行閉環(huán)控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸速度，進(jìn)而維持工作面平衡土壓的目的。油缸速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、土倉(cāng)壓力可通過(guò)上位機(jī)畫面顯示讀出。泵出口設(shè)置

14、單向閥（圖2中件號(hào)2），以隔離系統(tǒng)壓力異常對(duì)主泵造成的沖擊。2）電磁溢流閥組使用電磁換向閥（圖2中件號(hào)6和7）及溢流閥（圖2中件號(hào)5，8，9，10）形成多級(jí)溢流閥。電磁鐵動(dòng)作邏輯表見表2。表2電磁溢流閥組電磁鐵動(dòng)作邏輯表Table2Electromagnetism actionsofelectromagnetismoverflow valve系統(tǒng)壓力/MPaSV SJU1a b SV SJK1a b 卸荷33+21+17+8+3）旁通調(diào)速閥組僅作為電控比例變量泵備用調(diào)速方式使用，其入口球閥為常閉設(shè)置，調(diào)速閥設(shè)置在操作室操作臺(tái)旁邊，操作員觸手可及，應(yīng)急使用非常方便。4）推進(jìn)主操作閥組集成推進(jìn)主換

15、向閥（圖2中件號(hào)29），液控單向閥控制閥（圖2中件號(hào)30），隨動(dòng)操作減壓閥（圖2中件號(hào)28）、隨動(dòng)換向閥（圖2中件號(hào)27）、補(bǔ)油單向閥。5）推進(jìn)分區(qū)設(shè)置共4個(gè)部分（見圖5），操作員可使用操作室控制臺(tái)的電位計(jì)分別對(duì)比例調(diào)速閥（圖2中件號(hào)25）、比例溢流閥（圖2中件號(hào)14）進(jìn)行手動(dòng)輸入；或者采用自動(dòng)模式PLC 程序自動(dòng)復(fù)合控制分區(qū)系統(tǒng)壓力及流速，通過(guò)制造各分區(qū)的推進(jìn)速度及壓力差，達(dá)到控制盾構(gòu)姿態(tài)的目的。電磁換向閥（圖2中件號(hào)26）的電磁鐵b 得電時(shí)，分區(qū)采用比例流量壓力供油，電磁鐵a 得電時(shí)則越過(guò)比例流量壓力部分，直接對(duì)選擇閥供油 。圖5推進(jìn)分區(qū)設(shè)置示意圖Fig5Setting of steppi

16、ng partition804隧道建設(shè)第31卷6）推進(jìn)選擇閥組是推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，兩位三通電磁閥（圖2中件號(hào)14）和不平衡型邏輯閥（圖2中件號(hào)15）以及單向閥（圖2中件號(hào)13，17）組成選擇功能塊。在（圖2中件號(hào)14）斷電的情況下，即使主操作換向閥（圖2中件號(hào)29和26）換向至左位或右位，（圖2中件號(hào)15）任一主油口受到高壓油，閥芯兩端都會(huì)同時(shí)接收到高壓油液，由于閥芯左端面（如圖2所示）受油面積大于閥芯右端面受油面積，所以該閥將保持左位，主油路處于切斷狀態(tài)，推進(jìn)油缸的動(dòng)作只受隨動(dòng)電磁換向閥（圖2中件號(hào)27）的控制且僅能伸出動(dòng)作。當(dāng)兩位三通電磁閥得電時(shí)，液控切斷閥閥芯左端面泄壓，此時(shí)無(wú)論高壓油

17、通到液控切斷閥任一主油口，閥芯都會(huì)因?yàn)橛叶嗣媸芤簤毫Χ鴵Q向至右位，油路成通路，推進(jìn)油缸即可由主操作閥組控制伸縮動(dòng)作。液控單向閥（圖2中件號(hào)18）起止退功能，可保證推進(jìn)油缸不受外力影響而縮回，且能隔離油缸的負(fù)載擾動(dòng)對(duì)閥控系統(tǒng)的沖擊。推進(jìn)閥控系統(tǒng)電磁鐵動(dòng)作邏輯表見表3。表3推進(jìn)閥控系統(tǒng)電磁鐵動(dòng)作邏輯表Table 3Electromagnetism actions of stepping valve control system動(dòng)作SV SJ SV SJF SV SJPP SV SJB1a b a b a b a b EL SJP1EL SJL1SV SJn*推進(jìn)隨動(dòng)推進(jìn)比例壓力控制比例流量控制變量

18、泵控制計(jì)隨動(dòng)全隨動(dòng)計(jì)隨動(dòng)全隨動(dòng)計(jì)隨動(dòng)全隨動(dòng)+手動(dòng)或自動(dòng)手動(dòng)或自動(dòng)+手動(dòng)或自動(dòng)手動(dòng)或自動(dòng)+無(wú)輸入無(wú)輸入+收縮+無(wú)輸入無(wú)輸入+注：SV SJn*代表液壓原理圖中的件14電磁鐵，可同時(shí)選擇多個(gè)?！坝?jì)”隨動(dòng)表示只有配置了位移傳感器的4支油缸處于隨動(dòng)狀態(tài)。其他油缸如不被選擇推進(jìn)，則保持原位不動(dòng)?！叭彪S動(dòng)表示全部油缸均處于隨動(dòng)狀態(tài)。在“全”隨動(dòng)時(shí)，被選中推進(jìn)動(dòng)作的油缸，推進(jìn)動(dòng)作優(yōu)先。如果該油缸在盾構(gòu)推進(jìn)中途被取消推進(jìn)動(dòng)作，則其自動(dòng)轉(zhuǎn)入隨動(dòng)動(dòng)作。如果沒有一只油缸被選中進(jìn)行動(dòng)作，即件14均不得電，則推進(jìn)主換向閥被連鎖不能得電，其狀態(tài)保持中位，換向操作失靈。7）安全閥（圖2中件號(hào)16）可限制推進(jìn)油缸無(wú)桿腔的安

19、全壓力。8）每個(gè)壓力分區(qū)中都有一只油缸配置位移傳感器（圖2中件號(hào)39），分別為SJ1，SJ10，SJ19，SJ27。這4支傳感器在盾構(gòu)圓周上均勻布置，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)供操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)的推進(jìn)位移及速度以及自動(dòng)控制程序使用。9）溫度計(jì)（圖2中件號(hào)34）設(shè)置高溫報(bào)警點(diǎn)；液位繼電器（圖2中件號(hào)35）設(shè)置液位最低點(diǎn)，該點(diǎn)與主泵控制做停泵連鎖，當(dāng)液位達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，主泵停泵。5結(jié)束語(yǔ)本文討論的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，元器件設(shè)計(jì)類別很多，為滿足自動(dòng)控制的要求，除常規(guī)液壓元件外，還選用了比例液壓元件、傳感器元件等。整個(gè)設(shè)計(jì)考慮周全，大量螺紋插裝閥的運(yùn)用更使設(shè)計(jì)新穎獨(dú)到，值得借鑒。比例液壓元件及傳感元件的使用促進(jìn)了盾構(gòu)施工向更高的自動(dòng)化程度的邁進(jìn)。參考文獻(xiàn)（References ）：1邢彤，龔國(guó)華，楊華勇實(shí)驗(yàn)盾構(gòu)刀盤與螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的集成與PLC 控制J 液壓與氣動(dòng)，2006（7）：4749（XING Tong ，GONG Guofang ，YANG HuayongHydraulic system integration and plc control of the cutting wheel and screw conveyor in the shield