盾构刀盘液压驱动系统恒功率控制分析

陈宏明/CHEN Hong-ming

(重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 410700)

刀盘液压驱动系统是盾构切削土体，完成掘进和搅拌的动力来源，是盾构的重要组成部分。在盾构掘进过程中，由于地层条件、埋深和掘进参数等的变化，刀盘承受的负载力与负载力矩不断发生变化，这对刀盘液压驱动系统提出了很高的要求。为了保证刀盘液压驱动系统能够满足掘进要求、不损坏元器件并且尽可能地减小能量损失，现在国内使用的盾构刀盘液压驱动系统都采用恒功率控制。以往盾构刀盘液压驱动系统的恒功率控制基本都是采用恒功率阀，近几年随着电机变频技术的发展，刀盘变频驱动已经越来越多的应用于大中型盾构。本文对两种恒功率控制原理进行介绍，为盾构刀盘液压驱动系统选型提供理论指导。

1 盾构刀盘液压驱动系统恒功率控制原理

1.1 刀盘液压驱动恒功率阀控制原理

为了满足功率大、功率调节范围广和无级调速等要求，盾构刀盘在使用液压驱动恒功率阀控制恒功率时使用变量泵控变量马达的方式。其实变量泵已经可以使得泵的输出功率与系统功率相匹配，但是由于电机输出功率恒定，当遇见恶劣工况时就极有可能会超过电机最大功率导致电机损坏，因此必须对系统进行功率限定以保护原件不受损坏。图1 为某型盾构刀盘液压驱动系统原理简图。图中变量泵的型号为力士乐的A4VSG750HD1，泵的排量取决于先导压力的无级调节，电磁换向阀的进出口压力控制变量泵排量控制缸的活塞位置，使泵的排量与所加载的先导压力成正比。系统压力PHD经单向阀引入恒功率阀；变量泵的先导压力Pst，即电磁换向阀的P口压力也引入恒功率阀。

图1 某盾构刀盘液压驱动原理简图

恒功率阀的结构原理图如图2 所示，在初始状态时，如果系统压力PHD低于恒功率阀的限定值，则此时恒功率阀不起溢流作用，阀口关闭。当系统压力超过恒功率阀的设定值时，则在系统压力PHD作用下调压弹簧被压缩，阀口打开。此时先导压力Pst口的油液经阀口溢流回油箱，使得变量泵的先导控制压力Pst减小，变量控制活塞缸伸出，变量泵的排量减小。这样就实现了在不改变电机转速的情况下使得系统在设定的功率下工作，达到恒功率控制目的。

图2 恒功率阀结构示意图

1.2 刀盘电机变频恒功率控制原理

刀盘电机变频恒功率控制系统原理图与刀盘液压驱动恒功率阀控制原理图相差不大，只是去掉了恒功率阀控制部分，将变量泵变为定量泵，同时将电机换为变频电机。变频电机通过PLC 控制器与变频器通讯进行控制，采用自由的V/F 控制，PLC 把频率传送给变频器，同时接受变频器的各种参数，监控变频器，使得刀盘速度可调，同时通过电机转速得到系统流量。利用PLC 设定最高功率，通过压力传感器将系统工作压力PHD传送至PLC，以此得到系统功率。对系统功率和设定功率进行比较，实时调节电机频率以改变系统流量保证系统功率恒定。

2 盾构刀盘液压驱动系统恒功率控制模型

2.1 刀盘液压驱动恒功率阀控制模型

泵输出功率

其中，pHD为泵出口压力（此处假定系统回油压力为零）；q为泵的输出流量。

图1 中泵的控制特性曲线如图3 所示。由图可知泵的排量与泵的先导压力呈线性关系，但在零位的时候会有一定的流量死区，泵的这一特性可以防止刀盘在正反转换向时的液压冲击。式（2）为泵的排量与先导压力的关系表达式，式中正负号分别表示刀盘顺时针与逆时针旋转。

图3 柱塞泵控制特性曲线

其中，Vgmax为泵最大排量；pST为泵的先导压力。

由图3 可知，恒功率阀的溢流量为

其中，Cd为阀口流量系数；A1为阀口过流面积；x为阀芯开口。

调节弹簧的力平衡方程为

其中，k1为调节弹簧刚度；x0为弹簧压缩量。

考虑到恒功率阀需要开启压力PK，可得

由此得到

由式（1）、式（2）、式（7）可得刀盘顺时针旋转时的功率为

2.2 刀盘电机变频恒功率控制模型

系统流量为

其中，v为电机转速；q泵为定量泵排量。

假定系统回油流量为零，则马达输出功率为

当系统功率P恒定时，由式（11）可知，若系统工作压力PHD升高，则PLC 控制器会降低电机频率，使得电机转速降低，系统流量减小，马达扭矩增大，使马达工作在小排量大扭矩模式下。若系统工作压力PHD降低，则PLC 控制器会增大电机频率，使得电机转速变大，系统流量增大，马达扭矩减小，使马达工作在大排量小扭矩模式下。当系统压力PHD减小，马达排量达到最小，电机频率最大，达到电机转速最大值后依然不能使系统功率恒定时，则PLC 控制器会将电机转速限制在电机最大转速不在增加，即当vmax＜v=P/（PHDiq马排）时，此时电机转速为最大转速vmax不再增加，系统在设定的最大功率下工作。

3 盾构刀盘恒功率驱动方式对比分析

3.1 刀盘液压驱动恒功率阀控制分析

液压恒功率采用功率阀进行控制，通过功率阀本身可实现液压泵压力与流量控制，在泵的设定功率范围内，在一定的压力下，泵可在全流量范围内进行调节，当达到功率设定值时，压力增大，流量减小，保证输出的功率恒定。目前盾构液压驱动系统通常是多泵并联驱动，使用恒功率阀可以对多个泵同时进行恒功率控制，避免了多个恒功率控制泵时，泵内机构不同步问题，同时简化了液压系统；恒功率阀内部采用机械结构对压力进行控制，结构简单，成本低，响应快，采用滑阀形式，很容易实现系统无级调速。但是维修保养相对复杂，抗污染能力差，控制精度相对较低；功率阀在安装之前需要通过液压试验台进行功率标定，一旦功率设定调整必须通过实验台进行标定，功率标定相对复杂；利用恒功率阀对系统进行恒功率控制时，系统压力超过设定值后阀就会开启溢流，系统传动效率低。

3.2 刀盘电机变频恒功率控制分析

驱动系统采用变频驱动控制，在功率限定范围内，在一定的系统压力下，变频电机的转速可以进行无级调节；当系统压力达到一定值时，即达到设定功率时，压力增大，变频电机的转速随之下降，确保系统功率恒定。采用电机变频控制，系统传动效率非常高，安装简单，控制精度高，维修保养简单，驱动扭矩范围宽；变频电机转速通过PLC 设定，可以在上位机直接改变参数，功率调节非常方便快捷。但是变频电机现在价格相对较高，外形偏大；电机在启动时，启动电机较小，脱困能力弱，在工程实际中不适合地下复杂的地貌，因此存在许多局限性。

4 结论

采用恒功率阀与电机变频恒功率控制都能实现系统在设定功率下工作，刀盘转速无级调节。恒功率阀在设定功率时需要在实验台上设定，功率调整还需要在试验台上标定，设置复杂；电机变频控制直接在PLC 上设定即可，简单方便。

恒功率阀与电机变频控制恒功率都能实现较宽的扭矩范围，恒功率阀采用的液压控制，脱困扭矩大，适合于复杂地形及大型盾构；电机启动电流较小，脱困扭矩小，在地形变化不大和常规盾构中有广阔的应用场景。