復合地層頂管機刀盤中心驅動液壓系統的設計與分析

李光朋， 李延民， 李皓楠

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 鄭州大學機械工程學院， 河南 鄭州 450001)

復合地層頂管機刀盤中心驅動液壓系統的設計與分析

李光朋1， 李延民2， 李皓楠1

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 鄭州大學機械工程學院， 河南 鄭州 450001)

常規刀盤電機驅動頂管機在特定復合地層條件下經常出現超轉矩、掘不動的情況。針對這種情況，設計采用刀盤中心驅動的變量泵-變量馬達閉式液壓系統。根據復合地層的要求，在理論計算的基礎上，針對性地匹配變量泵-變量馬達的運行參數，再利用AMESim軟件對液壓系統進行建模，對刀盤在低速、高速和脫困3種模式進行仿真分析。理論計算和仿真分析結果表明所采用的閉式液壓系統能夠較好地適應復合地層對掘進的要求。

復合地層； 頂管機； 刀盤； 中心驅動； 閉式液壓系統； AMESim仿真

Abstract: The situations of over torque and inactivity often occur to pipe jacking machine with conventional motor drive in composite ground. In this case, the variable pump-variable motor closed hydraulic system for cutterhead center driving is designed. According to the requirements of the composite ground, the running parameters of variable pump-variable motor are matched on the basis of theoretical calculation. The hydraulic system model is established by software AMESim; and the three modes of cutterhead under conditions of low speed, high speed and jam releasing are simulated and analyzed. The results of theoretical calculation and simulation show that the closed hydraulic system has a good applicability to composite ground.

Keywords: composite ground; pipe jacking machine; cutterhead; center driving; closed hydraulic system; AMESim simulation

0 引言

頂管機是市政工程中一種重要的隧道掘進設備。為了保證施工進度和工程質量，在修建市政地下隧道工程時，頂管機正越來越受到建設方的青睞[1-3]。

針對頂管機的工程應用情況，國內學者已做了較多研究。文獻[4-6]介紹了常規土壓平衡和泥水平衡頂管機在國內的施工案例，詳細說明了頂管機所工作的巖土地貌，即多為淤、黏、粉、砂等軟土地層。然而在硬巖地質條件下，尤其在復合地層地質條件下，經常出現常規土壓平衡和泥水平衡頂管機掘不動，甚至出現刀盤卡死、頂管機動不了等情況，現有常用電機驅動方式有待進一步改進。文獻[7-10]對TBM和盾構中的刀盤液壓驅動進行了介紹和研究，指出刀盤采用液壓驅動更能勝任在硬巖及復雜地質下工作。在工程機械領域，已有學者針對變量泵-變量馬達閉式液壓系統控制方式進行了相關研究，指出其具有效率高、轉矩大、結構緊湊和調速范圍寬等優點，在大型工程機械中得到了廣泛應用[10-13]，而目前將該液壓系統應用于頂管機刀盤驅動的相關研究在國內還較少。

本文針對復合地層頂管機，提出刀盤驅動采用中心液壓馬達-減速機、變量泵-變量馬達閉式液壓系統控制的驅動方案，依據掘進的3種模式，通過計算和仿真分析，針對性地匹配液壓系統中變量泵-變量馬達的相關參數，以期適應對特殊地層的掘進要求。

1 地質條件及施工要求

本頂管機施工工程沿線的地質性質為南寧盆地邊緣剝蝕丘陵地貌，巖土層種類較多，性質變化較大，如圖1所示。從上到下依次為新近堆積形成耕土、素填土、第四系殘坡積形成紅黏土和石灰巖等，個別區域還有溶洞存在，如圖2所示。各巖土層物理力學指標見表1。

圖1 地貌巖土層構成

根據施工單位要求，頂管埋深不小于12 m，管內徑為2 800 mm，管節長度為2 000 mm。由于頂管的設計埋深比較大,頂管機穿越地層多為紅黏土和石灰巖,紅黏土遇水膨脹后，極易出現“結泥餅”和“糊刀盤”現象，且復合地層下刀盤受力不均，會產生較大沖擊，因此需要刀盤具有較大的轉矩、足夠的抗沖擊和脫困能力。

表1 各巖土層物理力學指標

注： 帶*號為勘測值。

2 中心刀盤驅動液壓系統

由于頂管穿越地層地質條件復雜，刀盤切削力矩和轉速隨工況變化很大，刀盤驅動系統應具備功率大、功率變化范圍寬和轉速調節范圍大等特點。采用閉式液壓系統控制可以提高液壓傳遞效率，減少能量損耗，同時節省空間，并方便系統的安裝和布置。該液壓系統的變量泵-變量馬達調速回路的調速范圍等于泵和馬達各自的調速范圍的乘積，因此理論上能夠較好地滿足施工要求。

中心刀盤驅動液壓系統原理如圖3所示。液壓系統采用2臺電液比例雙向變量柱塞泵(簡稱變量柱塞泵)1配合1臺雙速變量液壓馬達(簡稱變量馬達)4的驅動方式，以變量柱塞泵1調速為主、變量馬達4調速為輔，通過調整變量柱塞泵1的斜盤擺角來改變系統的流量大小和方向，從而改變變量馬達4的輸出轉速和方向。系統由2個變量柱塞泵1串聯起來，比例方向閥電磁鐵ZQ01和ZQ03同時得電時，變量柱塞泵1的B口出油，變量馬達4實現正轉；相反，比例方向閥電磁鐵ZQ02和ZQ04同時得電時，變量柱塞泵1的A口出油，變量馬達4實現反轉。此外，變量柱塞泵1還串聯2個定量泵2和3，其中沖洗控制泵2通過沖洗控制閥組7對變量馬達4的沖洗和雙速進行控制，循環泵3負責整個液壓系統的循環過濾。冷卻器8通過油、水的反向對流，使水帶走油里的熱量，實現對油溫的控制。雙速閥5用來切換變量馬達4的高低速： 電磁鐵ZQ08失電，雙速閥5處于圖示的右位，變量馬達4為低速模式；電磁鐵ZQ08得電，雙速閥5換到左位，變量馬達4為高速模式。閉式系統中的熱油通過熱油閥6經冷卻后返回油箱。

1—變量柱塞泵； 2、3—定量泵； 4—變量馬達； 5—雙速閥； 6—熱油閥； 7—沖洗閥； 8—冷卻器。

圖3刀盤驅動液壓系統原理圖

Fig. 3 Sketch of working principle of hydraulic system of cutterhead driving

3 液壓系統計算

液壓系統基本參數見表2。

表2 液壓系統基本參數

3.1低速模式

低速模式下變量馬達最高轉速

n1m=n1d·i=71.76 r/min。

式中：n1d為刀盤低速模式下最大轉速，3 r/min；i為減速機的減速比，23.92。

低速模式下變量馬達的最大輸出轉矩

式中：T1d為低速模式刀盤的最大轉矩，800 kN·m；ηj為機械傳動效率，0.95。

變量馬達進出口壓差

式中：Vmmax為變量馬達的最大排量， 8 800 mL/r；ηmm為變量馬達的機械效率，0.95。

由于變量馬達自身限制，最大轉矩下其轉速要低于額定值3 r/min。結合實際情況，要求輸出最大轉矩時刀盤的轉速不大于2.6 r/min，此時變量馬達的相應轉速

nm=nd·i=62.2 r/min。

變量馬達在此轉速下所需流量

式中ηmv為變量馬達的容積效率，0.95。

3.2高速模式

高速模式下變量馬達最高轉速

n2m=n2d·i=143.52 r/min。

式中n2d為刀盤高速模式下最大轉速，6 r/min。

變量馬達在此轉速下所需流量

式中Vmmin為變量馬達的最小排量，4 400 mL/r。

變量馬達所能輸出的最大轉矩

式中T2d為高速模式下刀盤的最大轉矩，400 kN·m。

變量馬達進出口壓差

式中Vmmin為變量馬達的最小排量。

3.3脫困模式

設定刀盤在轉速小于2.3 r/min下進行脫困，此時變量馬達的最大轉速

nt=2.3i=55 r/min。

變量馬達在此轉速下所需流量

變量馬達所能輸出的最大轉矩

式中Tdt為刀盤的脫困轉矩，900 kN·m。

變量馬達進出口壓差

3.4電機和液壓泵的選型

由分析可知，變量馬達輸出的最大功率出現在低速模式下的脫困狀態。脫困狀態下變量馬達的輸出功率

電機的輸出功率

式中：ηpm為液壓泵的機械效率，0.9；ηpv為液壓泵的容積效率，0.97。

按照電機儲存10%能量計算，其功率為280×1.1=308 kW。查電機樣本資料，電機的額定功率選擇為315 kW，電機額定轉速為1 485 r/min。為滿足轉速要求，液壓泵選擇2個250 mL/r的變量柱塞泵串聯使用。

根據以上計算得到的刀盤在低速、高速和脫困狀態下的轉速和轉矩，可以繪制得到刀盤轉速-轉矩曲線圖，如圖4所示。

圖4 刀盤轉速-轉矩曲線Fig. 4 Relationship between rolling speed and torque of cutterhead

4 仿真模型的建立與分析

AMESim軟件是基于圖形化的仿真軟件，帶有多種工程設計軟件包，其中液壓仿真軟件包包含了大量常用的液壓元件、液壓源和液壓管路等[14]。

利用液壓元件庫和HCD庫建立仿真模型，對刀盤中心驅動液壓系統進行必要的簡化處理，省略系統中熱油閥、雙速閥、沖洗閥、冷卻器等對系統轉速和轉矩影響不大的元件，同時將變量柱塞泵簡化為負載敏感變量泵、將變量馬達的變量機構簡化為電控函數，利用摩擦制動力矩來模擬刀盤所受到的負載轉矩[15]。建立的液壓系統的AMESim模型如圖5所示。

對刀盤驅動液壓系統AMESim模型中的各個圖形模塊進行參數設置，設置低速、高速和脫困3種模式下模擬刀盤負載的轉矩分別為800、348.8、901 kN·m。設置好仿真時間、步長和收斂精度后對模型進行仿真分析，得到仿真結果如圖6—8所示。

由仿真結果可知，在低速、高速和脫困3種模式下的刀盤轉速和變量馬達輸出轉矩與設計計算的結果一致；由曲線可以看出不論是刀盤轉速還是變量馬達輸出轉矩在經過短時間的振蕩之后均能很快達到穩定狀態。

5 結論與討論

根據硬巖頂管機具體應用的地層地質地貌，制定刀盤中心驅動液壓系統方案，并對刀盤低速、高速和脫困3種模式進行了計算與仿真分析，分析計算結果表明：

1)針對復合地質工況條件，需要大轉矩、低轉速的大功率驅動方式。刀盤中心驅動采用液壓傳動形式的閉式容積調速回路，能夠實現高速和低速工作模式以適應多變的地質條件，并可在特定條件下開啟脫困工作模式，較好地解決了工程實際問題。

圖5刀盤中心驅動液壓系統AMESim模型

Fig. 5 AMESim model of hydraulic system of cutterhead center driving

(a) 刀盤轉速

(b) 馬達輸出轉矩

圖6設置刀盤轉矩為800 kN·m時仿真結果

Fig. 6 Simulation results of cutterhead torque of 800 kN·m

(a) 刀盤轉速

(b) 馬達輸出轉矩

圖7設置刀盤轉矩為348.8 kN·m時仿真結果

Fig. 7 Simulation results of cutterhead torque of 348.8 kN·m

(a) 刀盤轉速

(b) 馬達輸出轉矩

圖8設置刀盤轉矩為901 kN·m時仿真結果

Fig. 8 Simulation results of cutterhead torque of 901 kN·m

2)采用的變量泵-變量馬達閉式液壓系統，具有油溫控制、清洗、循環過濾等基本回路，能夠適應復雜工況要求而且節能環保，有效地保證了系統能夠連續長期可靠工作。

3)針對刀盤所提出的轉矩、轉速要求，通過理論計算與仿真分析， 2方面的結果一致，說明所設計液壓系統輸出轉矩與轉速能夠滿足驅動要求。

目前，為了加快地下綜合管廊的建設，對復合地層頂管機的需求越來越多，此種工況下刀盤液壓驅動有著明顯優勢，可以較容易應對交變載荷的變化以及掘不動的情況。針對復合地層中頂管機刀盤液壓驅動的推廣需要進行持續深入的研究，例如： 進一步優化刀盤轉速-轉矩曲線，使刀盤在高速模式下的轉矩更大；在非固定載荷下進行液壓仿真時，刀盤驅動液壓系統的適用性需要進一步研究；刀盤液壓驅動的液壓件多為進口元件，成本昂貴且生產周期長，如何實現關鍵液壓件的國產化率也是該設備推廣的關鍵。

[1] 賈連輝. 矩形頂管在城市地下空間開發中的應用及前景[J]. 隧道建設, 2016, 36(10): 1269. JIA Lianhui. Application of rectangular pipe jacking machine to urban underground space development and its prospects[J].Tunnel Construction, 2016, 36(10): 1269.

[2] 于海峰. 探討市政工程排污管道施工中機械頂管的技術要點[J]. 黑龍江科技信息, 2016(13): 201. YU Haifeng. Technical points of pipe jacking in municipal sewage pipeline construction[J].Heilongjiang Science and Technology Information, 2016(13): 201.

[3] 張琪.頂管技術在管道建設中的應用[J]. 地質科技情報, 2016(2): 33. ZHANG Qi. Pipe jacking technology applied in pipeline construction[J]. Geological Science and Technology Information, 2016(2): 33.

[4] 陳曉武,李建斌,周少奇.頂管機刀盤的選型及其在廣州石井河截污工程中的應用[J].貴州環保科技, 2003(3): 45. CHEN Xiaowu, LI Jianbin, ZHOU Shaoqi. Type selection of pipe jacking machine cutterhead and its application to sewage interception engineering in Guangzhou Shijin River[J]. Guizhou Environmental Protection Science and Technology, 2003(3): 45.

[5] 李剛.泥水平衡頂管機在拱北隧道曲線管幕工程中的應用[J].鐵道標準設計, 2015(4): 98. LI Gang. Application of slurry balanced pipe jacking machine in curved pipe-roofing project of Gongbei Tunnel [J]. Railway Standard Design, 2015(4): 98.

[6] 張亞紅.土壓平衡頂管機在大直徑曲線段隧道施工中的應用研究[J].中州煤炭, 2016(7): 78. ZHANG Yahong. Application study of earth pressure balance pipe jacking machine in large diameter curved line in tunnel construction[J]. Zhongzhou Coal, 2016(7): 78.

[7] 邢彤.盾構刀盤液壓驅動與控制系統研究[D]. 杭州： 浙江大學, 2008. XING Tong. Research on hydraulic drive and control system of shield cutterhead[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

[8] 滕韜.盾構刀盤回轉驅動液壓系統建模與仿真研究[D]. 長沙： 中南大學, 2010. TENG Tao. Study of modeling and simulation of rotary drive hydraulic system of shield cutterhead[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[9] 王賀, 吳玉厚, 孫健, 等. TBM刀盤回轉驅動系統仿真研究[J].建筑機械化, 2016, 37(10): 27. WANG He, WU Yuhou, SUN Jian, et al. Simulation research on hydraulic rotary drive system of TBM cutter disc[J]. Construction Mechanization, 2016, 37(10): 27.

[10] 鄭久強.盾構刀盤液壓驅動系統研究[D]. 杭州： 浙江大學, 2006. ZHENG Jiuqiang. Research on hydraulic drive system of shield cutterhead[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006.

[11] 梁靖, 陳欠根, 陳正, 等. 履帶起重機回轉機構閉式液壓系統研究[J]. 武漢理工大學學報, 2012, 34(1): 122. LIANG Jing, CHEN Qiangen, CHEN Zheng, et al. Study of closed hydraulic system in slewing mechanism of crawler crane[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34(1): 122.

[12] 王巖.變量泵控制變量馬達系統建模及控制[J]. 控制理論與應用, 2012, 29(1): 41. WANG Yan. Modeling and control for variable-pump controlling variable-motor[J]. Control Theory & Applications, 2012, 29(1): 41.

[13] 劉永, 谷立臣, 楊彬, 等. 閉式泵控馬達液壓系統效率研究[J]. 合肥工業大學學報(自然科學版), 2015(7): 876. LIU Yong, GU Lichen, YANG Bin, et al. Study of efficiency simulation of closed pump controlled motor hydraulic system[J]. Journal of Hefei University of Technology (Natural Science), 2015(7): 876.

[14] 劉海麗. 基于AMESim的液壓系統建模與仿真技術研究[D]. 西安： 西北工業大學, 2006. LIU Haili. Research on hydraulic system modeling and simulation technology based on AMESim[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2006.

[15] 張魏友. EPB盾構刀盤結構及其液壓驅動系統的研究[D]. 南京： 南京理工大學, 2013. ZHANG Weiyou. Study of structure and hydraulic drive system of shield cutterhead[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

DesignandAnalysisofCenterDrivingHydraulicSystemofCutterheadofPipeJackingMachineinCompositeGround

LI Guangpeng1, LI Yanmin2, LI Haonan1

(1.ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China)

U 453

A

1672-741X(2017)09-1173-06

2017-01-10;

2017-03-27

李光朋(1983—)，男，河南周口人，2007年畢業于太原科技大學，機械設計制造及其自動化專業，本科，工程師，現從事隧道設備液壓系統設計與研發。E-mail: 18790259211@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.017