φ1.22 m微型土壓平衡盾構液壓系統設計與研究

郭京波， 張海東， 陳曉陽， 張 潮， 周慶祥

(石家莊鐵道大學機械工程學院， 河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國城市基礎設施建設的迅速發展，對地下空間建設的需求也在不斷提高[1]。目前，我國市政管道建設多采用頂管施工技術，但隨著施工距離延長，會出現頂進推力不足、頂進方向易失控等問題[2]。微型盾構施工可以將管道推進力集成于盾體內部，克服了長距離頂管施工的問題，在國外已得到廣泛應用，但在我國發展緩慢，成為我國市政管路施工技術的一大缺口。因此，微型盾構的自主研發顯得尤為必要。而液壓系統設計是微型盾構研究的難點與關鍵，是我國自主研發微型盾構亟待解決的問題。

微型盾構需求量逐年增加，英國、德國和日本等國家已對其進行了深入研究，并廣泛應用于市政管道建設，能夠適應不同地質和工程規模。早在2001年，日本就設計制造出緊湊型盾構，用于污水管道建設[3]。目前，國內對微型盾構也開展了一些研究工作： 周鴻彬等[4]設計了開挖直徑為1.2 m的縮尺盾構試驗機，但由于推進液壓缸與反力擋板連接，最大掘進深度僅1.5 m；同時，設計了盾構液壓系統，刀盤轉速及掘進速度均可實時調節，能夠滿足試驗要求。李周男[5]設計了微型土壓平衡盾構液壓系統，并給出液壓元件的參數設計及選型，但并未對微型盾構引出的液壓技術問題進行深入研究。胡雄玉等[6]研制了φ800 mm土壓平衡盾構試驗機，其液壓系統采用3臺電機，分別為刀盤、推進液壓缸和螺旋輸送機提供動力。朱北斗[7]設計了φ610 mm土壓平衡盾構模擬系統，并基于掘進試驗功能要求設計了配套液壓系統，將所有閥集成于一個閥組上，結構較為復雜，加工困難。胡國良[8]和邢彤[9]設計了φ1.8 m盾構試驗機液壓系統，其刀盤液壓泵站采用串列式布局放置于盾體內部，可適應有限內部空間，但液壓泵站整體結構較長，降低了盾構靈敏度。周如林[10]對盾構模擬掘進試驗機液壓系統進行了集成化設計。

綜上可見，國內學者多針對盾構試驗機的功能要求來設計微型盾構液壓系統，較少對用于實際工程的微型盾構進行液壓系統設計與研究。本文從市政管道施工要求出發，設計并制造了φ1.22 m微型土壓平衡盾構，重點分析微型盾構液壓系統的控制要求、功能特性、工作原理并進行計算，研究微型盾構引出的液壓系統技術問題及相應解決方案，并基于AMESim軟件對刀盤系統和推進系統進行仿真分析。

1 總體方案

設計制造微型盾構如圖1所示，盾構主體結構包括刀盤、盾體、推進系統、鉸接系統和螺旋輸送機等，并配有始發架和渣土車。

該微型盾構針對我國市政管道工程設計，為土壓平衡盾構，開挖直徑為1.22 m，適用于粉質黏土層、砂土層以及粒徑小于30 mm的卵石層，要求施工隧道覆土厚度不小于1.5 m。

盾體分為前盾、中盾和尾盾，直徑為1.2 m，總長2.32 m。微型盾構長徑比大于1.5，為實現轉彎操作，提高靈敏度，采用被動鉸接系統連接中盾與尾盾。為防止拉力過載，每個鉸接液壓缸均設置一個限位桿，可有效防止鉸接液壓缸破壞。推進液壓缸活塞桿前端配有撐靴塊，為使作用在管片上的推進反力均勻分布，避免應力集中，撐靴塊表面還配有尼龍墊板，以保護管片。推進鉸接系統結構如圖2所示。

(a) 實物圖

(b) 設計圖

圖2 推進鉸接系統結構Fig. 2 Structure of thrusting system and hinging system

刀盤是盾構核心部件，刀盤實物如圖3所示。為適應粉質黏土、砂土及小顆粒卵石等軟土地層，刀盤邊緣突出前盾，設置切刀、邊刮刀及中心魚尾刀3種刀具。為方便刀具更換，所有刀具均采用螺栓固定方式安裝。切刀、邊刮刀是盾構切削掌子面土體的主刀具，由于刀盤需要正反轉，故切刀、邊刮刀在正反方向均有布置。因刀盤中心無法布置切刀，為改善中心部位的切削和攪拌效果，提高開挖效率，布置1把中心魚尾刀。刀盤縱斷面形狀呈凸芯形，可較好地控制盾構掘進方向，且易通過泡沫閥將泡沫劑與開挖土體混合，改善土體塑流性。

2 液壓系統設計

微型土壓平衡盾構液壓系統主要由刀盤驅動系統、推進鉸接系統和螺旋輸送機驅動系統3部分組成。液壓泵站實物如圖4所示，液壓系統3部分組成集成于液壓泵站。

圖3 盾構刀盤Fig. 3 Shield cutterhead

圖4 液壓泵站Fig. 4 Hydraulic pump station

2.1 控制要求

微型盾構具體控制要求見表1。

表1 微型盾構控制要求Table 1 Control requirements of miniature shield

2.2 刀盤驅動系統設計與選型

2.2.1 刀盤驅動系統設計

刀盤驅動系統原理圖如圖5所示，為泵控負載敏感系統。采用負載敏感泵4控制定量液壓馬達9，驅動刀盤旋轉。刀盤控制閥組7主要由卸荷閥7.1、安全閥7.2和比例電磁換向閥7.3等組成。泵4中的恒壓閥4.3可限定系統最高工作壓力。閥組7通過測壓口Ls將負載變化信號反饋到泵4的控制口，驅動負載敏感閥閥芯移動，改變泵4的斜盤傾角，從而改變壓力和流量。無論負載如何變化、比例電磁換向閥7.3閥芯開口面積如何調節，負載敏感泵4的輸出流量始終與通過比例電磁換向閥7.3的負載流量相等，即刀盤轉速僅與閥芯開口面積有關；負載敏感泵4的輸出壓力始終高于負載壓力一個恒定值，實現按需供壓。刀盤驅動系統具有良好的調速、節能特性。

刀盤最大設計轉速為5 r/min，刀盤系統通過刀盤控制閥組7控制液壓馬達9的轉向和轉速，可實現刀盤轉速的無級調節與正反轉控制。當比例電磁換向閥7.3左位打開，刀盤正轉；反之，刀盤反轉。通過電位器旋鈕及電液比例控制器可以調節輸入比例電磁換向閥7.3的電流，改變閥芯開口面積，從而控制流量，調節刀盤轉速[11]。

1—油箱； 2—截止閥； 3—電機； 4—負載敏感泵； 4.1—變量缸彈簧腔； 4.2—變量缸敏感腔； 4.3—恒壓閥； 4.4—負載敏感閥； 5—壓力管路過濾器； 6—壓力表； 7—刀盤控制閥組； 7.1—卸荷閥； 7.2—安全閥； 7.3—比例電磁換向閥； 8—壓力變送器； 9—液壓馬達； 10—風冷卻器； 11—空氣過濾器。

圖5刀盤液壓系統原理圖
Fig. 5 Working principle of cutterhead hydraulic system

刀盤驅動系統設計參數見表2。

表2 刀盤驅動系統設計參數Table 2 Design parameters of cutterhead driving system

2.2.2 刀盤驅動系統選型計算

1)液壓馬達最高轉速

nmdmax=ndpmax×i1=5×320 r/min=1 600 r/min。

式中：ndpmax為刀盤的最高轉速；i1為傳動比。

2)液壓馬達最大輸出轉矩

式中:Tdmax為刀盤最大轉矩；ηj1為減速器的機械效率，取0.97。

3)液壓馬達排量

式中：p1為刀盤系統工作壓力，為16 MPa；ηmm1為刀盤液壓馬達的機械效率，取0.95。

4)泵的排量

式中：nE1為電機轉速，為1 500 r/min；ηpv1為泵的容積效率，取0.95；ηmv1為馬達的容積效率，取0.95。

5)電機額定功率

式中：Nm1為馬達的額定功率；ηpm1為泵的機械效率，取0.95。

2.3 推進鉸接及螺旋輸送機系統的設計與選型

2.3.1 推進鉸接及螺旋輸送機系統設計

推進液壓缸和鉸接液壓缸布置方式如圖6所示。采用6個推進液壓缸(①—⑥)共同推進，按順序依次安裝，均勻分布在盾體環面上，液壓缸行程為400 mm。為調整盾構姿態，完成糾偏操作，設置A、B、C、D共4個壓力控制區，可單獨控制各分區最大推進力。4個鉸接液壓缸(⑦—⑩)分別布置于四角。

推進鉸接系統及螺旋輸送機驅動系統液壓原理圖如圖7所示，均為閥控負載敏感系統，由雙聯泵4供油。推進鉸接控制閥組12由進油聯12.1、推進比例電磁換向閥12.2和鉸接電磁換向閥12.3組成，進油聯由高壓溢流閥、低壓安全閥、電磁球閥和卸荷閥等元件組成。

閥組12可實現高低壓2種狀態供油。高壓狀態用于掘進模式，進油聯控制系統壓力不超過20 MPa；當帶有負載敏感特性的推進比例電磁換向閥12.2左位得電， 6個推進液壓缸14伸出，可控制整體推進速度。低壓狀態用于管片拼裝模式，降低了推進液壓缸14通過撐靴接觸管片時的沖擊力，防止管片破損； 低壓安全閥控制系統壓力不超過8 MPa。

推進閥組13由4個比例減壓閥13.1、 6個電磁換向閥13.2、 6個液控單向閥13.3和4個壓力傳感器13.4組成，完成分區壓力控制及實現液壓缸伸縮功能[12]。液控單向閥13.3可以鎖死液壓缸，避免盾構后退以防止掌子面坍塌。

圖6 推進液壓缸和鉸接液壓缸布置方式

Fig. 6 Layout of hydraulic cylinders hinging cylinders system

在推進鉸接控制閥組12中，鉸接電磁換向閥12.3僅在初次給鉸接液壓缸15供油或者長時間工作后鉸接液壓缸15油液不足時，左位得電給液壓缸供油。通過平衡閥16實現4個鉸接液壓缸15伸縮狀態被動調整。

螺旋輸送機由定量液壓馬達9驅動，液壓馬達9的轉速和轉向以及閘門液壓缸11的伸縮功能均由螺旋輸送機控制閥組7完成。閥組7由帶有負載敏感特性的比例電磁換向閥7.1、進油聯7.2和電磁換向閥7.3組成，進油聯7.2包括換向閥、安全閥和卸荷閥等液壓元件。

推進鉸接系統及螺旋輸送機驅動系統設計參數見表3。

2.3.2 推進鉸接及螺旋輸機系統選型計算

1)單個推進液壓缸所需推進力

式中：F為總推力；n為推進液壓缸個數，取6。

2)推進液壓缸內徑

式中p2為推進系統工作壓力。

1—油箱； 2—截止閥； 3—電機； 4—雙聯泵； 5—壓力管路過濾器； 6—壓力表； 7—螺旋輸送機控制閥組； 7.1—比例電磁換向閥； 7.2—進油聯； 7.3—電磁換向閥； 8—壓力傳感器； 9—液壓馬達； 10—液壓鎖； 11—閘門液壓缸； 12—推進鉸接控制閥組； 12.1—進油聯； 12.2—推進比例電磁換向閥； 12.3—鉸接電磁換向閥； 13—推進閥組； 13.1—比例減壓閥； 13.2—電磁換向閥； 13.3—液控單向閥； 13.4—壓力傳感器； 14—推進液壓缸； 15—鉸接液壓缸； 16—平衡閥； 17—風冷卻器； 18—空氣過濾器。

圖7推進鉸接及螺旋輸送機驅動系統原理圖
Fig. 7 Working principle of thrusting and hinging system and screw conveyor system

表3推進鉸接系統及螺旋輸送機驅動系統設計參數

Table 3 Design parameters of thrusting and hinging system and screw conveyor system

參數參數值推進系統壓力/MPa20管片拼裝系統壓力/MPa8總推力/kN1 356推進速度/(mm/min)0～80螺旋輸送機轉速/(r/min)0～60螺旋輸送機轉矩/(N·m)1 400螺旋輸送機系統壓力/MPa16傳動比8

因此，取推進液壓缸內徑為標準值D標=125 mm。

活塞桿直徑d=0.7D標=87.5 mm。因此，取活塞桿直徑為標準值d標=90 mm。

3)推進系統液壓泵的排量

心肺耐力與大肌肉群參與的、動力性中等到較大強度的長時間運動能力相關，與呼吸、心血管、骨骼肌的生理和功能狀態相關。心肺耐力水平低者其早期全因死亡風險明顯增加，特別是死于心血管疾病者增多，提高心肺耐力可以降低全因死亡率。峰值攝氧量是衡量心肺耐力的標準，可以客觀評價慢性疾病和健康問題人群的心肺耐力。

式中：Qp2為6個液壓缸同時推進所需要的最大流量，Qp2=nv1A1(其中，v1為推進液壓缸的最大速度；A1為液壓缸無桿腔面積);nE2為電機轉速，取1 500 r/min；ηpv2為定量泵的容積效率，取0.9。

4)螺旋輸送機驅動系統液壓馬達的排量

式中：T3為馬達輸出轉矩；ηmm3為馬達的機械效率，取0.9；p3為螺旋輸送機系統工作壓力；TL為螺旋輸送機設計轉矩；i3為減速器傳動比；ηj3為減速器的機械效率，取0.97。

n3=nlmax×i3=60×8 r/min=480 r/min。

式中nlmax為螺旋輸送機最高轉速。

6)螺旋輸送機系統液壓泵的排量

式中：Qm3為液壓馬達實際流量，Qm3=qm3n3/ηmv3；ηpv3為泵的容積效率，取0.9；ηmv3為馬達的容積效率，取0.9。

7)推進鉸接系統所需功率

式中：ηpm2為泵的機械效率，取0.9;Qp2為泵的實際流量。

8)螺旋輸送機驅動系統所需功率

式中：ηpm3為泵的機械效率，取0.9；Qp3為泵的實際流量。

9)電機的額定功率

N=N2+N3=2.43 kW+13.8 kW=16.23 kW。

2.4 技術問題與解決方案

針對空間結構、性能要求等影響因素，對微型盾構液壓系統進行針對性設計。主要解決以下技術問題：

1)微型盾構掘進過程中面對的施工環境具有動載、重負荷及高壓等特點，因此，盾構需要適應嚴苛環境并具有穩定的性能。此外，微型盾構液壓系統精度要求高，液壓元件可選范圍較小且成本偏高。實際選型多采用進口元件以滿足要求。

刀盤液壓系統動力元件采用Bosch Rexroth的ALA10VO71DFLR/31R-VSC42N00恒壓變量泵，額定排量為71 mL/r，容積效率和機械效率分別為0.95、0.96，具有噪聲低、壽命長、工作壓力高及控制靈敏度高等優點；此外，具有可調恒壓輸出及可調流量輸出功能，在滿足節能環保的同時，可以保證刀盤轉速控制精確，具有良好的魯棒性。

此外，刀盤系統的控制元件比例電磁換向閥選用4WRE10W1-50-2X/G24K4/F1V，進出口壓差為1 MPa，公稱流量為50 L/min；執行元件柱塞馬達選用A2FM56/61 W-VAB020，額定排量為56 mL/r，容積效率和機械效率分別為0.95、0.97； 以上液壓元件均選自Bosch Rexroth。

2)微型盾構推進系統與地鐵盾構相比，同樣具備壓力分區等功能以實現姿態控制，增加了液壓系統復雜性與微型盾構操作難度。采用比例電磁換向閥和比例減壓閥完成推進速度整體控制及推進壓力分區控制，控制元件較少，結構簡單，成本較低[13]。

3)微型盾構內部空間狹小，對液壓系統布置要求較高。液壓泵站無法隨盾構進入隧道，且液壓管路數量較多，造成施工不便。因此，僅將推進閥組安裝于盾構中，從而有效減少了液壓泵站與盾構之間液壓管路的數量，優化了液壓管路。推進閥組實物如圖8所示。

圖8 推進閥組Fig. 8 Thrusting valve group

此外，為適應大功率要求，在安裝空間有限的條件下要求液壓馬達具有高功率密度。刀盤驅動系統選用插裝式斜軸馬達，可直接與減速器配合使用[14]，在保證結構緊湊的同時保證了較高的功率密度。

4)微型盾構正常工作中，由于高壓油液溢流及系統內泄等引起液壓系統溫升，且隧道空間狹小，散熱問題尤為重要。考慮施工現場條件，采用風冷卻系統實現散熱，冷卻系統由風扇、導風罩和帶有散熱片的管路等組成[15]，結構簡單、維修方便且冷卻效率高。此外，液壓系統采用負載敏感技術，避免溢流能耗損失，具有節能特性，可減少熱量產生。

3 仿真與分析

3.1 刀盤轉速魯棒性仿真

采用AMESim軟件，建立微型盾構的刀盤驅動系統模型。針對變負載工況，以盾構掘進至70 m處為例，考慮油液黏度和在流動中的摩擦力，進行刀盤轉速的魯棒性仿真。

設定負載轉矩在0～10 s為20 kN·m，10～20 s為30 kN·m， 20～30 s為42 kN·m， 30 s時達到最大設計負載轉矩。設定4級電機轉速為1 500 r/min，泵的排量為71 mL/r，柱塞馬達排量為56 mL/r，安全閥控制壓力為16 MPa。設定刀盤轉速在初始狀態下為5 r/min。

仿真結果如圖9和圖10所示。當負載轉矩變化時，刀盤轉速可以基本維持恒定， 20～30 s的轉速與初始轉速相比，變化率為4.8%，控制精度較高，魯棒性良好，保證了刀盤驅動系統的平穩性。該系統的液壓馬達轉速僅與比例電磁換向閥的閥芯開口面積有關，即液壓泵輸出流量始終與通過比例電磁換向閥的負載流量相等。

圖9 刀盤負載變化圖Fig. 9 Variation of cutterhead loads

圖10 刀盤轉速變化圖Fig. 10 Variation of cutter-head speeds

3.2 推進速度控制仿真

在AMESim軟件中建立微型盾構的推進系統模型。針對盾構掘進過程中的調速工況，以掘進至70 m處為例，進行推進速度控制性能仿真。

3.2.1 均布定載荷

在均布定載荷情況下，設定4級電機的轉速為1 500 r/min，推進泵的排量為5.5 mL/r。推進液壓缸缸徑為125 mm，桿徑為90 mm。4個分區負載均為160 kN，且保持不變。4個比例電磁減壓閥均輸入1 200 mA電流，且維持恒定。設定安全閥控制壓力為20 MPa。通過比例電磁換向閥設定初始推進速度為1 mm/s， 20 s后調整為0.5 mm/s， 40 s后重新調整為1 mm/s。以圖6中A區1號液壓缸為例，仿真結果如圖11所示。

由圖11可知，在20 s時調整推進速度， 5.5 s后掘進速度穩定在0.5 mm/s，超調量為7.7%。40 s時再次調整推進速度，經過1.4 s，掘進速度穩定在1 mm/s，超調量為5.2%。仿真結果表明，推進速度控制性能良好，僅有小幅超調量，響應速度快。通過比例電磁換向閥可以實現推進速度的實時控制。

圖11 均布定載荷下推進速度變化圖Fig. 11 Variation of thrusting speeds under uniformly fixed load

3.2.2 均布變載荷

在均布變載荷情況下， 0～60 s 4個分區負載均由160 kN緩慢變化至120 kN，如圖12所示。其余條件與均布定載荷情況相同。

圖12 推進負載變化圖Fig. 12 Variation of thrusting loads

以圖6中A區1號液壓缸為例，仿真結果如圖13所示。在20 s時調整推進速度， 2.8 s后推進速度穩定為0.53 mm/s，超調量為12%。在22.8～40 s推進速度由0.53 mm/s微變至0.55 mm/s。40 s時再次調整推進速度，經過5.9 s，掘進速度穩定在1.02 mm/s，超調量為6%。仿真結果表明，推進速度控制性能較均布定載荷情況略低，但整體性能良好，推進速度實時可調。

圖13 均布變載荷下推進速度變化圖Fig. 13 Variation of thrusting speeds under uniformly varying load

4 結論與討論

1)設計制造了適用于市政管道建設的φ1.22 m微型土壓平衡盾構。分析了液壓系統的控制要求、功能特性及原理，并進行詳細設計計算；針對微型盾構引出的液壓系統技術問題，給出相應解決方案；應用負載敏感技術，系統節能、高效，具有良好的適應性。本研究對于我國微型盾構的自主研發具有一定的指導意義。

2)通過AMESim軟件對刀盤驅動系統和推進系統進行仿真。結果表明，負載轉矩變化下刀盤轉速變化率為4.8%，具有良好的魯棒性；均布定載荷與均布變載荷情況下，推進速度實時可調，超調量最大為12%，控制性能良好，滿足工程要求。

3)本文僅在均布定載荷與均布變載荷下進行推進速度控制性能仿真。后續工作中，將對非均定載荷及非均變載荷情況進行探討，對推進速度控制性能的研究進行深化，并進行相應優化。

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