土體改良試驗平臺液壓系統設計與分析

馮歡歡，王助鋒，張合沛

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450003;2.西南交通大學機械工程學院，成都 610031)

0 引言

土壓平衡盾構自身對地層的適應范圍相對較窄，為擴大對地層的適應范圍，必須采用土體改良技術來輔助土壓平衡盾構施工。土體改良技術作為土壓平衡盾構法施工的一個重要組成部分，對盾構法隧道的發展有著深遠影響。縱觀目前國內各盾構的使用工況，不難發現，土體改良技術的應用情況，對降低工程造價和提高工程施工進度都有著決定性作用。發泡劑作為一種優良的土體改良劑，已經得到廣泛的采用［1－5］。我國對盾構用發泡劑的研究開發還處于起步階段，對改良劑的基本性能及其對開挖土體的改良效果缺乏研究，造成土壓平衡式盾構中氣泡原料的浪費。郭濤［6］提出了土壓平衡式盾構用發泡劑性能的評價方法;喬國剛［7］進行了泡沫改良砂土和黏土的微觀機制研究，提出了改良土“塑性流動性”特性評價試驗室標準和量化指標;汪國鋒［1］結合北京地鐵十號線一期盾構隧道工程，對土壓平衡盾構土體改良技術的應用進行了系統的研究;郭勝忠［8］以沈陽地鐵1號線小什字街站——滂江街站區間為例，分析了土體改良技術在全斷面砂礫地層盾構法施工中的應用情況。他們大多是進行單一的理論分析或工程實際案例分析，沒有將二者有效地結合起來。通過建立土體改良試驗平臺，不僅可進一步研究氣泡添加量、發泡劑濃度、發泡倍率等參數對土體改良效果的影響，還能模擬盾構施工環境，進而能得到更有效的數據和結論。由于試驗平臺的推進系統、螺旋輸送系統及泡沫發生系統均由液壓系統來控制，液壓控制系統占據了試驗平臺控制系統的絕大部分，設計出高性能的液壓控制系統尤為關鍵。本文詳細分析土體改良試驗平臺三大液壓系統的液壓控制原理、主要參數計算及其控制策略。

1 土體改良試驗平臺功能簡介

試驗平臺要實現的主要功能有:1)實現土體改良劑的按比例加入，并能通過改變發泡劑的參數，得到泡沫添加量、發泡劑濃度、發泡倍率等與土體改良性能的關系;2)通過分析渣土流塑性情況，得到改良劑各參數與刀盤扭矩、掘進效率等的關系;3)模擬盾構推進過程、密封倉土體攪拌過程、螺旋輸送機出土過程及土塞效應實現過程。

2 推進液壓系統設計

2.1 推進液壓系統原理

利用同步閥來實現4個液壓缸的位置同步控制。推進液壓系統的工作原理如圖1所示。

圖1 推進功能回路原理圖Fig.1 Principle of loop of propulsion system

推進回路的功能是通過4個相同液壓缸給試驗筒體內的土體施加推力，并將其緩慢壓入土倉。由于筒內的土體質量不斷減少，液壓缸的負載存在較大的波動，因此采用3個分流集流閥來實現4個液壓缸的同步運動。3個分流集流閥按圖1所示連接，閥3通過的流量是閥4和閥9的2倍，在閥3分流基礎上再經過閥4和閥9分流，即可保證4個液壓缸的流量相同，又實現了4個液壓缸的同步控制。

2.2 推進液壓系統參數計算

推進系統的執行機構由4個相同的推進油缸組成。液壓系統要求的參數為:行程L=1.2 m，推進速度 v1=0.001 m/s，快退速度 v2=0.001 m/s，最大推力F=2 600 kN，泵的工作壓力P1=25 MPa。

2.2.1 液壓缸無桿腔直徑D及活塞桿直徑d計算液壓缸無桿腔直徑

按GB/T 2348—1993圓整后取 D=200 mm，d=0.7D=140 mm。因此可確定液壓缸的尺寸為φ200/140×1 200 mm。

2.2.2 泵的參數計算與選型

推進油缸所需最大流量為Qmax，則推進時

根據系統工作壓力及流量需求，選用軸向柱塞斜盤式變量泵，其排量為55 r/min。

2.2.3 電機的參數計算與選型

電機輸出功率

式中:ηpm和ηpv分別為泵的機械效率和容積效率，均取0.95。

參考機械設計手冊(JB/T 10447—2004)，選取電機的功率為37 kW。

3 螺旋輸送液壓系統設計

3.1 螺旋輸送液壓系統原理

螺旋輸送機是試驗平臺的關鍵部件之一，其主要作用是將土倉內的渣土排出筒體。土倉內泥土通過螺旋桿輸送壓縮形成密封土塞，形成一定的阻力，可保持土倉內壓力穩定在一定的范圍內。試驗平臺運行時，要求螺旋輸送機能根據土倉壓力的反饋信號實時精確控制螺旋輸送機的轉速，進而確保土倉壓力處于平衡狀態［9］。采用電比例反饋控制的螺旋輸送機液壓系統，可實時控制螺旋機的轉速。圖2為螺旋輸送機液壓原理圖。

3.2 螺旋輸送液壓系統參數計算

根據設計指標及功能要求，對螺旋輸送機液壓系統的主要技術參數進行設計計算。螺旋輸送機液壓系統主要設計參數為:螺旋輸送機轉速0～25 r/min;螺旋輸送機額定轉矩2 500 N·m;螺旋輸送機最大驅動轉矩3 200 N·m。

3.2.1 馬達

馬達最大轉速

式中:nmax為螺旋輸送機最大轉速;ij為齒輪箱傳動比，取 5.6。

馬達最大輸出轉矩

式中:Tmax為螺旋輸送機最大輸出轉矩;ηj為齒輪箱的機械效率，取為 0.95。

根據馬達最大轉速和最大輸出轉矩，選擇馬達的排量為400 cm3/r。

圖2 螺旋輸送機液壓系統原理圖Fig.2 Principle of hydraulic system of screw conveyor

3.2.2 主驅動泵

馬達進出口壓差

式中:Vgm為馬達的排量;ηmm為馬達的機械效率，取0.95。由于液壓系統為開式回路，馬達出口直接接油箱，因此可認為系統的工作壓力約為10 MPa。

馬達實際所需流量

式中ηmv為馬達的容積效率，取0.95。

根據系統工作壓力及流量需求，選用軸向柱塞斜盤式變量泵，其排量為25 mL/r。

3.2.3 電機

泵的實際輸出功率

式中Pmax為泵的工作壓力。

電機的輸出功率

式中:ηpm為泵的機械效率，取0.95;ηpv為泵的容積效率，取 0.95。

根據計算可選用額定功率為15 kW的電機。

3.3 螺旋輸送液壓系統控制策略

螺旋輸送液壓系統根據位于密封倉內的上壓傳感器的實測值調整螺旋輸送機的轉速。當土壓力超過目標上壓設定的上限時，螺旋輸送機的轉速增大，加大排土量;當土壓力低于目標土壓設定的下限時，螺旋輸送機的轉速減小，減少排土量;當土壓力位于目標土壓設定的范圍內時，螺旋輸送機以定速旋轉排土。圖3為土倉內土壓平衡調節流程。

圖3 土壓平衡機制工作流程Fig.3 Working process of earth pressure balance mechanisms

系統根據實時測量的土壓信號計算出需要的螺旋輸送機轉速，然后通過調整變量泵的排量以改變控制螺旋輸送機的馬達轉速，安裝在馬達輸出軸上的轉速傳感器將測得的轉速信號反饋到控制器完成閉環控制，進而使得馬達轉速與土壓的變化相適應。圖4為螺旋輸送機轉速控制框圖［10］。

圖4 螺旋輸送機轉速控制框圖Fig.4 Control of rotation speed of screw conveyor

4 泡沫發生液壓系統設計

4.1 泡沫發生液壓系統原理

泡沫發生系統的工作原理是分別利用2條可以控制壓力和流量的系統向發泡槍內注入發泡劑溶液和壓縮空氣，在壓縮空氣的作用下，發泡劑溶液在發泡槍內形成穩定而又致密的泡沫，并將其注入到土倉中［6］。其主要液壓系統原理如圖5所示。

4.2 泡沫發生液壓系統參數計算

經過計算與分析得出泡沫發生系統主要元器件的技術參數值為:接入水壓力、風壓力≥0.5 MPa;發泡劑容器體積為1 m3;泡沫泵壓力為0.9 MPa，排量為5～300 L/h;變頻電機功率為0.37 kW。

4.3 泡沫發生液壓系統控制策略

土體改良試驗平臺泡沫發生系統不僅能夠向土倉內注入泡沫進行土體改良，還要求能夠通過實驗分析出泡沫添加量、發泡劑濃度、發泡倍率參數等與土體改良性能的關系。因此，必須借助PLC實現對發泡劑、水和空氣流量的比例控制以及水和空氣壓力的可調控制。

圖5 泡沫發生液壓系統原理圖Fig.5 Principle of hydraulic system of foam generating system

4.3.1 發泡劑濃度的控制

發泡劑溶液為發泡劑與水按一定配合比混合所得溶液，發泡劑與混合液的質量配合比為發泡劑濃度。液壓泵5控制發泡劑的流量，溢流閥3控制發泡劑的壓力，電動球閥10控制水的流量，流量傳感器8和12分別監測發泡劑和水的流量。通過5和10能夠有效地控制發泡劑和水的混合比例，即實現了發泡劑濃度的控制。

4.3.2 發泡倍率的控制

發泡倍率即單位體積的發泡劑溶液所發出氣泡的體積，利用流量傳感器8，12和34可監測發泡劑溶液和空氣的流量，通過電動球閥16和33分別調節發泡劑溶液和和壓縮空氣的相對流量，進而控制氣泡的發泡倍率。

4.3.3 泡沫添加量的控制

泡沫添加量可以通過手動球閥19，20，21和22進行控制。

泡沫發生系統由控制臺設置或維持操作，可通過3種方式來實現:1)手動控制——完全由工作人員根據經驗來調節水、氣的壓力和流量來完成泡沫劑的注入;2)半自動控制——在半自動操作方式中，要求的泡沫流量將根據開挖倉中的支承壓力注入(此種控制方式下，需要將電動調節閥一直保持在要求的設定值并顯示在指示表上);3)自動控制——在系統自動操作中，泡沫生產可以自動實現，不需外部干涉，僅依據推進速度、泡沫公式及土倉中的壓力條件即可實現。

5 結論與建議

分析得出，本文所設計的推進液壓系統、螺旋輸送液壓系統及泡沫發生液壓系統通過合適的控制策略能滿足土體改良試驗平臺的動力驅動及控制要求。本研究不僅為該土體改良試驗臺的制造提高了理論依據，還能為其他類似試驗平臺的研制提供一定的參考。但由于3個液壓系統是分開控制的，增加了控制元件的數量，提高了試驗臺的制造成本。鑒于系統集成控制技術的發展現狀與趨勢，應該針對如何實現3個子液壓系統的集成控制作進一步研究。

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