盾構(gòu)機液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動控制技術(shù)應(yīng)用與探究

摘要：提出一種全新的節(jié)能型液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動控制技術(shù)：采用PID自動控制，系統(tǒng)可以根據(jù)油箱內(nèi)壓力實時、精確地調(diào)節(jié)所需的壓縮空氣進(jìn)氣流量；通過減小油箱內(nèi)壓力變化范圍減少油箱內(nèi)壓縮空氣外溢，進(jìn)而壓縮空氣的需求量，在提高加壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，又可帶來安全可靠、節(jié)能環(huán)保的效果；通過氣罐與油箱直接相連，增大了油箱內(nèi)壓縮空氣的容積，一方面降低了油箱內(nèi)壓縮空氣減壓率，減少油液內(nèi)氣泡含量；另一方面不需要大量壓縮空氣進(jìn)氣，進(jìn)而可以避免壓縮空氣充入液壓油箱而引起的油液乳化等問題，有效防止了壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型液壓油箱；氣壓變化率；柱塞泵；低氣壓

基金項目：中國鐵建重工集團(tuán)公司2022年C類科研立項項目《低氣壓環(huán)境下液壓系統(tǒng)適應(yīng)性研究及應(yīng)用》（項目編號：YF2022040）

0 引言

常規(guī)設(shè)計使用的盾構(gòu)機或TBM在高海拔、低氣壓區(qū)域使用時需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行針對低氣壓工況的適應(yīng)性設(shè)計，解決低氣壓工況液壓泵無法正常吸油的問題：液壓柱塞泵要求吸油口壓力不得低于0.08MPa[1-2]。

國內(nèi)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司提出一種適用于高海拔低氣壓的盾構(gòu)機或TBM優(yōu)化系統(tǒng)，其中油箱頂部設(shè)置有預(yù)壓式呼吸器和加壓裝置，并配有冷干機以及干燥空氣進(jìn)口，構(gòu)成掘進(jìn)機加壓油箱氣體加壓系統(tǒng)[3]。

該加壓方案存在以下問題：①壓縮空氣壓力由手動減壓閥和預(yù)壓式呼吸器進(jìn)行控制，無法隨環(huán)境大氣壓力變化而自動調(diào)整加壓壓力，系統(tǒng)自動化程度較低且安全系數(shù)較低。②油箱容積過小，未預(yù)留足夠的空氣層；油箱內(nèi)空氣減壓率高（減壓率越高，氣泡越容易產(chǎn)生）、氣泡隨空氣壓力變化不斷被壓入油液或從油液中析出，導(dǎo)致油液內(nèi)氣泡含量過高，加劇了泵吸油形成“液柱分離”與氣蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響泵的正常工作；③將壓縮空氣直接通入液壓油箱，當(dāng)油箱內(nèi)液面反復(fù)變化時壓縮空氣的重復(fù)充入易導(dǎo)致新引入液壓油箱的壓縮空氣中的水分因環(huán)境溫度、壓力變化而析出，水分進(jìn)入液壓油箱導(dǎo)致液壓油液乳化。

為解決上述問題，現(xiàn)急需設(shè)計一種盾構(gòu)機液壓油箱加壓穩(wěn)壓自動控制系統(tǒng)，以確保液壓系統(tǒng)在高海拔低氣壓地區(qū)可正常穩(wěn)定工作。

1 液壓油箱加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)簡介

1.1 設(shè)備應(yīng)用背景

搭載該系統(tǒng)的盾構(gòu)機工作于高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)。由于高海拔地區(qū)空氣稀薄，如表1所示。

在海拔至6000m范圍內(nèi)，每上升1000m，即平均氣壓每降低7.7～10.5kPa， 海拔度大于3000m時，大氣壓力將降低至0.08MPa以下，此時就需要對液壓油箱進(jìn)行加壓，使得液壓泵運行環(huán)境氣壓大于0.08MPa以確保液壓泵可正常運行[4]。

1.2 油箱加壓系統(tǒng)簡介

圖1是一種新型節(jié)能型液壓油箱的自動控制加壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)由冷干機1、空氣處理單元2、減壓閥3、氣動控制閥4、氣動控制器5、壓力表6、壓力變送器7、球閥8、氣罐9、液壓油箱10、帶干燥功能預(yù)壓式空氣濾清器11、吸油過濾器12、回油擴散器13、溢流閥14等組成。

其中冷干機1所需壓縮空氣來自盾構(gòu)機空壓機，壓縮空氣經(jīng)過冷干機去除空壓機產(chǎn)生的水分。

空氣處理單元2用來對壓縮空氣進(jìn)行過濾，調(diào)壓，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)，過濾精度可達(dá)1800目。

減壓閥3用來限制氣動控制閥4、氣動控制器5、壓力變送器7進(jìn)氣壓力。確保所輸入壓縮空氣壓力滿足元件要求；氣動控制閥4是整個自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過氣動控制閥的開啟與關(guān)閉，實時調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，進(jìn)而保證油箱內(nèi)氣壓在設(shè)定范圍內(nèi)。

氣動控制器5是整個系統(tǒng)的PID控制單元，也是本控制系統(tǒng)兩個關(guān)鍵元件之一，PID控制器能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)誤差，具有自動壓力控制與手動壓力控制兩種工作模式，配合氣罐9可實現(xiàn)僅需極少的壓縮空氣補充即可保證油箱內(nèi)氣壓在設(shè)定范圍內(nèi)。后續(xù)在現(xiàn)有控制上新增電氣PID控制，通過電氣混合方式來調(diào)節(jié)設(shè)定壓力，可實現(xiàn)在主控室遠(yuǎn)程設(shè)定系統(tǒng)壓力。

壓力表6用來實時顯示氣體壓力，確保輸入各元件的壓力為所需壓力。

壓力變送器7將采集到的油箱內(nèi)壓力值轉(zhuǎn)換為氣動控制器所對應(yīng)的氣壓信號值，并將該氣壓信號傳遞給氣動控制器。它相當(dāng)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)里的各類傳感器，用于檢測目標(biāo)元件的參數(shù)，并將該參數(shù)反饋給PID控制器。

球閥8用于控制壓縮空氣通斷，系統(tǒng)調(diào)試或拆卸檢修時，可用于斷開壓縮空氣氣源。

氣罐9是本系統(tǒng)另外一個關(guān)鍵元件，氣罐容積6m3（可根據(jù)需要進(jìn)行容積選擇），氣罐與油箱直接連通，不經(jīng)過二次減壓，氣罐9可實現(xiàn)減少油箱內(nèi)加壓空氣壓力變化率、減少壓縮空氣需求量，沉淀壓縮空氣中水分與雜質(zhì)等重要作用。

液壓油箱10相當(dāng)于整個系統(tǒng)的目標(biāo)元件，為液壓油箱加壓保壓是整個系統(tǒng)的最終目的。液壓油箱主要功能是儲存油液，為液壓泵吸油提供油源，因絕大多數(shù)液壓泵對吸油壓力有具體要求，以柱塞泵為例，要求泵吸油口壓力＞0.08MPa，高原環(huán)境下單靠大氣壓無法達(dá)到泵所需吸油壓力，需要對液壓油箱進(jìn)行加壓處理，油箱頂部預(yù)留1.35m3空氣層，配合氣罐實現(xiàn)油箱內(nèi)氣壓穩(wěn)壓功能，與此同時加壓對油箱的結(jié)構(gòu)強度提出了新的需求，本發(fā)明液壓油箱結(jié)構(gòu)通過有限元受力分析實現(xiàn)滿足油箱強度要求的情況下實現(xiàn)輕量化設(shè)計，最大限度的降低了油箱成本。

帶干燥功能預(yù)壓式空氣濾清器11帶反向開啟壓力，可實現(xiàn)正向（從油箱外向油箱內(nèi)進(jìn)氣）0阻力，反向（油箱內(nèi)空氣排出至油箱外需首先打開開啟壓力為0.05MPa的單向閥）帶預(yù)壓功能，還可用來對進(jìn)入油箱的空氣進(jìn)行過濾干燥，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)。

吸油過濾器12與回油擴散器13一起實現(xiàn)減少液壓泵吸油油液氣泡含量工作，回油擴散器13通過改變回油油液的流向產(chǎn)生離心力，油液會把氣泡擠向圓周運動的中心，氣泡聚合后在通過金屬網(wǎng)孔的情況下氣泡再次聚集，小氣泡聚合生成較大氣泡后上浮到油箱表面破碎掉，可調(diào)整和選擇金屬網(wǎng)孔的大小實現(xiàn)最大程度去除回油油液中所含有的氣泡。吸油過濾器12利用吸油濾芯金屬網(wǎng)孔，讓小氣泡在金屬網(wǎng)上聚集，同時通過選取較大規(guī)格的吸油過濾器以降低吸油流速防止部分附著在金屬網(wǎng)上的大氣泡被液壓油沖掉，隨后進(jìn)入液壓泵。另外配合油箱內(nèi)隔板，延長油液從回油口進(jìn)入吸油口的路徑，增加氣泡從油液中擴散所需的時間，從而實現(xiàn)最優(yōu)的去除氣泡的效果。

溢流閥14是安全閥，用來限制油箱的加壓壓力，溢流閥設(shè)定的壓力值為0.05MPa（相對壓力）。

壓力傳感器15用于實時檢測油箱內(nèi)氣壓，該壓力傳感器帶數(shù)顯功能，可在油箱周邊直接讀取油箱內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)，還可以將檢測壓力數(shù)據(jù)以模擬量的形式傳輸至主控室，調(diào)試人員可通過主控室屏幕遠(yuǎn)程查看油箱內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)；另外還可用來與氣動控制器5一同組成電控PID系統(tǒng)，實現(xiàn)油箱加壓壓力遠(yuǎn)程可調(diào)。

排污口16是一個位于油箱最低處的凹形容腔，因其位置處于油箱內(nèi)最低處，油液中的水分和雜質(zhì)會沉淀在油箱底部，因此可實現(xiàn)收集油箱內(nèi)油液中沉淀析出的水分或其他雜質(zhì)，本油箱分別在吸油區(qū)設(shè)置，還可用來對進(jìn)入油箱的空氣進(jìn)行過濾干燥，可有效濾除壓縮空氣中的水分與雜質(zhì)。

2 液壓油箱加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工作原理

自動控制加壓系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)計算與具體實施過程如下：液壓泵吸油壓力與工作環(huán)境大氣壓力進(jìn)行計算為本系統(tǒng)的設(shè)計輸入，舉例：液壓泵吸油壓力要求0.08MPa（絕對壓力），環(huán)境大氣壓力0.06MPa，不考慮液壓泵吸油壓損，油箱需要加壓0.02MPa，氣動控制器目標(biāo)值設(shè)定為0.08MPa（相對壓力）。

如圖2所示，當(dāng)油箱內(nèi)加油至最高液位時，啟動液壓泵之前開啟自動控制加壓系統(tǒng)對液壓油箱進(jìn)行加壓，因啟動控制器目標(biāo)值設(shè)定為0.08MPa，當(dāng)油箱與氣罐內(nèi)的空氣壓力達(dá)到0.08MPa后，氣動控制閥關(guān)閉停止進(jìn)氣，油箱內(nèi)壓力穩(wěn)定在0.08MPa；此時壓縮空氣進(jìn)氣量只需補償油箱與液壓系統(tǒng)內(nèi)空氣泄漏量，油箱內(nèi)加壓壓力為0.02MPa小于預(yù)壓式空氣濾清器反向開啟壓力與溢流閥安全設(shè)定壓力，預(yù)壓式空濾器與溢流閥關(guān)閉，油箱內(nèi)與外界大氣無氣體交流，整個液壓系統(tǒng)內(nèi)部空氣泄漏量很小，基本可以忽略不計。此時油箱頂部空氣層容積1.35m3。

當(dāng)液壓泵啟動、液壓油缸伸出時油箱內(nèi)液位下降，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變大、氣壓變低，此時氣動控制器控制氣動控制閥開啟補入壓縮空氣使油箱內(nèi)壓力維持在0.08MPa。當(dāng)油0VwjDGxzRErE3MT9rAki5g==箱內(nèi)液面降至最低時，此時所有的液壓油缸都已完全伸出，因推進(jìn)油缸容積差1.85m3，故此時油箱內(nèi)油體液積相比最高液位時減少1.85m3；此時油箱內(nèi)的空氣層容積=1.35+1.85=3.2m3。

當(dāng)油缸縮回時油箱內(nèi)液位開始上升，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變小、氣壓變高，當(dāng)所有油缸都完全縮回時油箱內(nèi)油液液位再次上升至最高液位，此時油箱內(nèi)空氣層容積為1.35m3，因為氣體的物態(tài)變化從一點到另一點都遵循P/V圖表，對于實際的案例，三個變量P、V、T需要三個軸，三維圖像在P、V、T空間移動著，然而為了簡化我們通常認(rèn)為其中一個參數(shù)不變，這就是常用的P/V圖，本案例中我們認(rèn)為氣體溫度保持不變，氣體的體積和壓力變化遵循P·V=常數(shù)，因此可算出此時油箱內(nèi)空氣壓力=0.1MPa，此時油箱內(nèi)加壓壓力為0.04MPa，小于預(yù)壓式空氣濾清器反向開啟壓力與溢流閥安全設(shè)定壓力，預(yù)壓式空濾器與溢流閥關(guān)閉，油箱內(nèi)與外界大氣無氣體交流，油箱內(nèi)壓力維持在0.1MPa。

當(dāng)液壓油缸伸出時油箱內(nèi)液位下降，油箱、氣罐內(nèi)空氣容積變大、氣壓變低，當(dāng)所有的液壓油缸都已完全伸出時油箱內(nèi)yYZjXZ5Qroj3EusEb+XSlA==液面降至最低，此時油箱內(nèi)的空氣層容積為3.2m3，壓力為0.08MPa。

綜上所述，加壓系統(tǒng)在整個過程中僅在首次調(diào)試時液壓油缸完全伸出的過程需要向油箱補充一定量的壓縮空氣，后續(xù)無論油箱內(nèi)油液液位高度如何變化，油箱內(nèi)壓縮空氣的壓力一直在0.08MPa～0.1MPa間變化，壓縮空氣的補充量理論上僅需滿足加壓系統(tǒng)的泄漏量即可，空氣補充量極小，這有效防止了隨著壓縮空氣的持續(xù)大量充入油箱而導(dǎo)致壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化等問題的發(fā)生[5-10]。

另外因油箱內(nèi)空氣層容積與氣罐容積之和達(dá)到7.35m3，當(dāng)油箱內(nèi)液位變化時油箱內(nèi)空氣氣壓變化率大幅降低，避免壓縮空氣中的氣泡進(jìn)入液壓油液中引起油液中氣泡含量過高問題的發(fā)生。

3 加壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用驗證

為驗證所設(shè)計油箱加壓系統(tǒng)是否可正常使用，現(xiàn)采集部分工地試驗數(shù)據(jù)如圖3所示，對液壓油缸伸出和縮回時油箱內(nèi)大氣壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在盾構(gòu)機拼裝模式下，油缸伸出和縮回交替動作，在整個油箱伸出和縮回的過程中，油箱內(nèi)大氣壓力均在設(shè)定壓力范圍內(nèi)波動，未啟動壓縮空氣對油箱進(jìn)行加壓，這表明所設(shè)計油箱加壓系統(tǒng)符合設(shè)計要求，目前該套油箱加壓系統(tǒng)已在工地穩(wěn)定運行1年半以上，未出現(xiàn)任何問題。

4 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)絕大部分情況下壓縮空氣的補充量理論上僅需滿足加壓系統(tǒng)的泄漏量即可，而系統(tǒng)的泄漏量本來就較小，而采用PID自動控制又可通過氣動控制閥精確地控制進(jìn)氣量，故可實現(xiàn)采用最小進(jìn)氣量來滿足油箱加壓要求，減少了壓縮空氣氣源的需求量，進(jìn)而減少了能耗，提高了系統(tǒng)的環(huán)保性。系統(tǒng)運行更加安全可靠。

另外PID自動控制又可與油箱頂部配備壓力傳感器一同組成電控PID回路，方便后續(xù)系統(tǒng)性能提升與優(yōu)化。

減少了壓縮空氣的進(jìn)氣量進(jìn)而又可避免因壓縮空氣的持續(xù)大量充入油箱而導(dǎo)致壓縮空氣中的水蒸氣冷凝進(jìn)入液壓油箱引起油液乳化等問題的發(fā)生，另外油箱底部設(shè)置排污口，排污口具有一定的凹槽容積可收集油液中的水分與雜質(zhì)。

氣罐與油箱空氣層直接連接，氣罐與油箱上層空氣層容積之和達(dá)7.35m3，而油箱內(nèi)因油箱液位變化而引起的體積變化僅有1.85m3，極大地降低了油箱內(nèi)油液上升工況下壓縮空氣的減壓率，可有效減少壓縮空氣中氣泡進(jìn)入液壓油引起液壓元件氣蝕等問題的發(fā)生。

氣罐放置的位置低于油箱內(nèi)空氣層所在水平高度，可有效沉淀去除來自冷干機、空氣處理單元干燥后的壓縮空氣中的水分。

通過設(shè)置較大的油箱加壓壓力變化范圍，充分利用油箱內(nèi)空氣層和氣罐、蓄能器等儲能空間，進(jìn)一步減少壓縮空氣需求量，達(dá)到節(jié)能效果。

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