变转速泵控模拟盾构刀盘驱动系统研究

　　目前,盾构掘进机刀盘驱动方法有2种:第1种是采用液压传动,通过变量泵驱动高速变量(或定量)液压马达,再通过减速机驱动刀盘.由于液压马达占据空间小,驱动系统布置灵活,可以输出非常大的驱动功率,但液压系统的效率较低.采用这种驱动方法进行刀盘调速时,可以采用以下3种方式:1)通过多级调节变量马达的控制油压,改变液压马达排量,实现刀盘有级调速;2)通过调节变量泵控制油路中的比例溢流阀的阀前压力,改变变量泵的控制油压,实现变量泵输出流量的无级调节;3)采用恒功率变量泵或功率限制阀实现变量泵的恒功率调节,即实现了刀盘的闭环控制恒功率调速[1-2].第2种是采用电气传动,通过变频电机直接驱动刀盘,更加节能,容易实现刀盘调速,但盾构内部空间有限,限制了应用的范围.

　　变转速泵控容积调速是一种全局型的节能控制方式,相对于传统的容积控制它具有以下几方面的优点:1)变频电机+定量泵的形式,省去带有复杂变量机构的变量泵;2)定量泵使噪声大大降低;3)拓宽了调速范围;4)具有更好的节能效果[3-5].因此,在盾构中采用变转速液压驱动技术引起了研究者的兴趣.

　　由于刀盘转速的开环控制方式自动化程度低,为保证盾构能在较长的推进距离内顺利掘进,人工设定的刀盘转速通常高于实际的转速需要,造成了一定功率浪费.研究刀盘转速的专家控制,以及通过刀盘驱动功率适应土层变化实现刀盘驱动节能是研究的主要方向.

　　本文以1.8 m模拟盾构刀盘驱动液压系统为研究对象,以盾构刀盘驱动节能为目标,研究一种新型刀盘驱动液压系统及刀盘转速的智能控制方法.

　　1　液压系统原理

　　φ1.8 m模拟试验盾构的刀盘驱动液压系统原理如图1所示.

　　液压系统采用变转速容积调速驱动方式,通过1个定量泵驱动2个定量马达,液压马达经减速器驱动刀盘转动.液压马达3为Rexroth公司的A2FE型插装式定量马达,液压马达油口连接板中带有内置式单级溢流阀,当负载过大、马达受困时,溢流阀可卸荷,起到安全保护作用,避免了马达损坏.刀盘换向通过换向阀7来控制,采用了Rexroth公司的4WEH型电液换向阀,电液换向阀具有中位缓冲功能.系统的压力控制通过插装阀组9实现,先导溢流阀9.2设定系统安全压力,先导溢流阀9.4限定刀盘低速掘进压力,先导溢流阀9.3限定刀盘高速掘进压力,通过换向阀9.5实现两限定压力的切换.

　　2　刀盘转速控制原理

　　刀盘转速控制结构见图2所示.控制方式包括开环控制、闭环控制和专家控制3种方式.

　　2.1　控制方式

　　开环控制时,通过电位器调谐控制电压,再通过PLC的D/A模块,经变频器控制液压泵的转速,改变液压马达的输入流量实现液压马达转速调节,PLC采集刀盘转速,通过PLC的A/D模块送工控机显示刀盘转速,当刀盘转速达到预期值时,停止电位器调谐操作.闭环控制时,将刀盘油压、刀盘转速采集到工控机中,反馈信号经处理后与输入的转速信号比较,比较信号经PID控制器输出控制信号,再经PLC的D/A模块和变频器输出到定量泵控制转速.专家控制时,通过检测刀盘扭矩、刀盘转速、推进力、推进速度、土仓压力和先前的地层资料进行地层识别,通过刀盘转速专家控制系统实时控制刀盘转速,从而使得刀盘驱动功率与土层相适应.