1引言

盾構(gòu)主要用于軟土、砂砬和強(qiáng)風(fēng)化巖層及含水的混合地層隧道掘進(jìn)。主要由盾體、刀盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送系統(tǒng)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)以及盾尾密封裝置等構(gòu)成。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，負(fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削扭矩變化很大(見表1)。

可見，盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)所需功率大且功率變化范圍寬。

2刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理

如圖1所示刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。采用電比例功率自適應(yīng)泵控馬達(dá)技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)刀盤的轉(zhuǎn)速，根據(jù)合適的策略控制變量缸位移，繼而控制變量泵的排量，形成按負(fù)載工況變化需要進(jìn)行刀盤轉(zhuǎn)速的連續(xù)實(shí)時(shí)控制。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開式回路，可適應(yīng)兩種工況，即

軟巖工況時(shí)蹬低速大轉(zhuǎn)矩和硬巖工況時(shí)的高速小轉(zhuǎn)矩。兩種工況轉(zhuǎn)換可通過控制電磁換向閥6來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，溢流閥7.1確定系統(tǒng)最高壓力，此時(shí)，系統(tǒng)壓力設(shè)定為10 MPa，輸出轉(zhuǎn)矩小，但流量大(最大為300 L/min)，輸出轉(zhuǎn)速高;當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，溢流閥7.2確定系統(tǒng)最高壓力，此時(shí)，系統(tǒng)壓力設(shè)定為20MPa，輸出轉(zhuǎn)矩大，但流量小，輸出轉(zhuǎn)速低。刀盤轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)變量泵2的排量實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，檢測(cè)信號(hào)反饋到變量泵的比例閥上，構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。液壓馬達(dá)5.1和5.2的正反轉(zhuǎn)可通過電液換向閥3來控制。

系統(tǒng)采用某公司的A11VO 260 LRDU2恒功率比例變量泵。泵的排量在其整個(gè)范圍內(nèi)可無級(jí)調(diào)節(jié)，并與比例電磁鐵的控制電流成比例。恒功率控制優(yōu)先于變量控制，如果設(shè)定流量或工作壓力使功率曲線超過，則恒功率控制取代電控變量并按照恒功率曲線減小排量。當(dāng)?shù)陀诠β是€時(shí)，排量受控制電流的調(diào)整，泵輸出的流量只與輸入控制信號(hào)相關(guān)，而不受負(fù)載壓力變化的影響。變量調(diào)節(jié)特性如圖2所示。

3模擬盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，包括模擬土箱、模擬盾構(gòu)機(jī)、主頂、土體加壓泵站、模擬盾構(gòu)機(jī)泵站和控制室。

模擬土箱內(nèi)的土能夠通過水囊進(jìn)行加壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土壓的模擬。模擬盾構(gòu)機(jī)由主頂推進(jìn)，模擬盾構(gòu)泵站包括刀盤與螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)泵站和主頂驅(qū)動(dòng)泵站。模擬土箱內(nèi)的多個(gè)斷面布置有壓力傳感器，刀盤轉(zhuǎn)速通過在刀盤上布置2個(gè)接近開關(guān)進(jìn)行測(cè)量，主頂?shù)奈灰仆ㄟ^布置在液壓缸內(nèi)的位移傳感器測(cè)量。

4實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)為刀盤轉(zhuǎn)速開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，一個(gè)操作員調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度控制旋鈕使盾構(gòu)前進(jìn)并保持正面土壓力與盾構(gòu)土倉內(nèi)壓力平衡，另一操作員調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速控制旋鈕。盾構(gòu)共推進(jìn)1.5 m，平均推進(jìn)速度為2.5 cm/min。刀盤調(diào)速電流曲線如圖4a所示。

圖4b所示刀盤轉(zhuǎn)速有較大的波動(dòng)，原因是由于沒有及時(shí)加注泡沫且土質(zhì)較粘，刀盤有卡住的現(xiàn)象。但是，刀盤轉(zhuǎn)速曲線的趨勢(shì)表明，刀盤轉(zhuǎn)速能夠按照操作員的調(diào)節(jié)作出相應(yīng)的變化。圖4c所示的刀盤轉(zhuǎn)矩曲線表明，刀盤轉(zhuǎn)矩變化大，可能是螺旋機(jī)的排土速度沒有及時(shí)調(diào)節(jié)的原因。對(duì)比圖4b和圖4c，說明在刀盤轉(zhuǎn)矩有較大波動(dòng)下，刀盤轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)調(diào)速信號(hào)按比例調(diào)速。

5總結(jié)

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點(diǎn)，通過在模擬盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)能適應(yīng)掘進(jìn)中的復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)刀盤的調(diào)速。

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