盾构刀盘驱动液压系统压力冲击吸收特性分析

　　1 液压系统原理

　　如图1所示为盾构刀盘驱动液压系统,采用开式容积调速回路,以避免节流调速系统在欠功率工况下出现的较大溢流节流损失.通过对变量马达排量的调节,来控制刀盘的转速和输出扭矩.压力传感器用于检测马达的高低侧压力,实时监测压力的变化,同时由高压侧压力传感器的信号作用在比例换向阀的比例电磁铁上,控制蓄能器的方向、开口度和开口时间,使蓄能器能根据需要接入高低压侧并工作在一个最优的状态.系统设置高压和低压2组蓄能器,以满足软岩和硬岩2种不同工况,同样可以由压力传感器的信号进行控制.

　　在施工过程中,比例阀控蓄能器可以实现以下功能:1)作为辅助动力源,在刀盘启动时与泵同时为马达供油,可以实现加速启动;2)可以吸收在刀盘掘进过程中产生的系统压力冲击,尤其是在刀盘发生突然卡死的时候能够吸收系统的压力峰值,在刀盘突然切空的时候进行补油加压;3)可以在刀盘制动或者刀盘突然卡死的情况下将大惯性刀盘所具有的制动能储存起来,在启动或者反转脱困时使用[6-9].

　　2 数学模型建立

　　将图1的液压系统进行简化如图2所示,为一个开式的泵控马达与蓄能器并联系统,假设:1)泵和马达的泄漏为层流,回油压力为零;2)连接管道较短,管道内压力损失、流体质量效应和管道动态忽略不计;3)马达和负载之间连接构件的刚度很大,忽略结构柔度的影响;4)忽略油液的质量作用;5)蓄能器在冲压过程中近似为等温过程,放油迅速,近似为绝热过程;6)油液在蓄能器里面的流动近似为层流.当比例方向阀不得电,蓄能器不接入系统时,对马达高压腔应用体积流量连续方程,可得

　　当比例方向阀得电,蓄能器接入系统,则马达高压腔体积流量连续方程为

式中:qVp为泵的理论输出体积流量,qVm为马达的理论输入体积流量,qVa为进入蓄能器的体积流量,qVp1、qVm1分别为变量泵、变量马达的泄漏体积流量,V0为系统高压腔的容积(包括高压管道、泵和马达的一腔,以及与主管道连的非主要容积),Be为有效体积弹性模数(包括油及管道机械柔度等),pp为高压腔压力.

式中:np、nm分别为泵和马达的转速,Dp、Dm分别为泵和马达的理论排量,Ap、Am分别为泵和马达的变量机构的摆角,kp、km分别为泵和马达的排量梯度,Ba为气体压缩系数,Va为蓄能器初始工作容积,pa为蓄能器压力,Cpi、Cmi分别为泵和马达的内泄漏系数,Cpe、Cme分别为泵和马达外泄漏系数.将式(3)~(7)代入式(2),化简可得

式中:Tg为马达的理论扭矩;J为马达和负载(折算到马达轴上)的总惯量;Hm为马达旋转角度;Bm为黏性阻尼系数;f为马达动摩擦因数,一般情况下很小,但在高压和小幅值输入时,会使阻尼明显增加;G为负载弹簧刚度;TL为任意外负载力矩.对式(8)和(9)线性化后并进行拉普拉斯变化,其间忽略作用较小的马达内摩擦力矩(Cf=0)和负载弹簧刚度(G=0 ),并考虑到 ,最后简化得到以负载作为输入的传递函数为