多变量泵驱动液压系统比例与恒功率控制研究

　　盾构掘进机是地面下暗挖隧道的专用机械, 它具有一个可以移动的钢结构外壳( 护盾) , 盾壳内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置, 进行土层开挖、渣土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作, 使隧道结构施工一次完成。盾构的工况很复杂, 在不同的地质条件下差异很大。刀盘是盾构挖掘土层的关键部件, 盾构刀盘驱动具有功率大、转矩变化大和转速范围广等特点。为此, 有必要研究大功率和变负载工况下液压控制技术。

　　由于泵控马达调速回路具有很高的效率和速度刚度, 采用多个大流量变量泵并联驱动多个高速小转矩液压马达, 再通过减速机和齿轮传动机构驱动刀盘是目前较为先进的控制方式。其特点是系统组成简单, 安全可靠, 负载变化对刀盘转速影响小。本文研究的系统采用HD 型液控比例变量泵, 通过1个控制模块进行集中控制, 实现整个系统的比例控制、恒功率控制和不同工作模式下的安全压力控制。通过这个控制模块实现多泵、多马达的同时调节, 实现安全压力的同时设定, 因此使得结构简化, 系统的可靠性高。

　　1 液压系统工作原理

　　图1 所示液压系统是应用在南京某地铁隧道施工的盾构刀盘驱动液压系统。

　　变量马达组2.变量泵组3.补油泵4.蓄能器5、6.溢流阀7、12.换向阀8.先导液压泵9.液压控制模块10.调速阀11.减压阀

　　图1 某盾构刀盘驱动液压系统

整个液压系统由3 个回路组成, 包括主驱动回路、补油回路和液压控制回路。主驱动回路是闭式回路, 由两台比例变量泵( HD 型, 最大排量750 mL/r)驱动8 台变量马达( 两点液控型, 最大排量500mL/r, 高速挡排量300 mL/r) 。液压控制模块9 提供控制油, 实现主驱动泵排量的比例控制和恒功率控制以及液压马达排量的控制。调速阀10 和减压阀11 调节进入马达的控制油流量和压力, 换向阀12实现马达排量的两挡控制。蓄能器4 用于减少补油油路的压力脉动, 溢流阀5 设定了补油及主驱动泵的换油压力。

　　液压控制模块9 有3 个功能, 第一, 通过比例溢流阀调节主驱动泵的排量; 第二, 通过顺序阀和溢流阀设定系统的最大工作压力; 第三, 通过功率限制阀实现系统中两个变量泵的恒功率控制, 即在反馈系统压力作用下, 调节主驱动泵的排量, 使刀盘转速降低, 同时还能降低系统压力, 减小刀盘承受的转矩。模块中选用了Rexroth 公司的LV06 型功率限制阀, 如图2 所示。

　　1.阶梯阀芯2.阀口开度控制弹簧3.组合调节弹簧4.左端盖

　　5.螺母6.中空螺母7.调节螺杆8.垫片

　　图2 功率限制阀原理图

这个功率限制阀由1 个直动溢流阀和阶梯阀芯1 组成, 阶梯阀芯两端分别是阀口开度控制弹簧2和组合调节弹簧3, 调节弹簧抵抗作用在阶梯阀芯上的液压力。控制口Pst 与主驱动泵的先导控制油口相联接, 高压口Phd 通过梭阀与主回路相联接。如果系统压力超过功率限制阀的设定压力, 阶梯阀芯向右运动压缩调节弹簧, 减小了阀口开度控制弹簧上的压力, 阀口溢流, 减小控制压力, 使主驱动泵保持恒功率输出。