煤礦斜井盾構(gòu)機推進系統(tǒng)分區(qū)控制研究

推進系統(tǒng)是支撐機的一項重要系統(tǒng)，它為推動構(gòu)建機的發(fā)展提供了動力。盾構(gòu)機推進系統(tǒng)具有驅(qū)動功率大、負(fù)載變化頻繁、安裝空間狹小、工作環(huán)境惡劣等特點,基本上都是采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動,主要由液壓泵站、推進油缸及控制閥組組成。根據(jù)盾構(gòu)機在不同地質(zhì)條件和工況下掘進的要求,對推進系統(tǒng)的參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整,使得盾構(gòu)機能夠按照設(shè)計路線高效、穩(wěn)定地向前掘進。1盾構(gòu)機設(shè)計方案推進系統(tǒng)由推進油缸為盾構(gòu)機提供推進動力。推進油缸數(shù)量根據(jù)盾構(gòu)機所需的推進力及管片結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,本工程盾構(gòu)機設(shè)計為34根,其中有15組雙缸、4組單缸,推進油缸沿盾體內(nèi)壁周向布置推進系統(tǒng)具有兩種工作模式,一種是推進模式,即盾構(gòu)機向前掘進,刀盤旋轉(zhuǎn)開挖掌子面的過程;另一種是管片拼裝模式,即1個掘進循環(huán)結(jié)束,刀盤停止開挖,由管片拼裝機拼裝混凝土襯砌管片的過程。1.1推進油缸設(shè)計推進模式下推進油缸采用分區(qū)控制,設(shè)上下、左右4個分區(qū),A區(qū)(上)8根推進油缸、B區(qū)(右)8根推進油缸、C區(qū)(下)10根推進油缸、D區(qū)(左)8根推進油缸。其中,C區(qū)推進油缸數(shù)量最多,這樣設(shè)計可使盾體下部提供較大的推進力,防止盾構(gòu)機因刀盤和盾體自重而向下栽頭。4個分區(qū)各有1根推進油缸帶內(nèi)置式行程傳感器,可在盾構(gòu)機掘進時檢測推進速度和推進行程。推進油缸的推進速度在盾構(gòu)機掘進時可實時無級調(diào)節(jié),根據(jù)盾構(gòu)機的實際工況選擇合適的推進速度,可提高盾構(gòu)機的工作效率,降低設(shè)備的損耗。4個分區(qū)的推進壓力可以獨立調(diào)節(jié),以實現(xiàn)盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整和曲線掘進的需要,如圖1所示。1.2片拼裝模式管片拼裝模式下,推進油缸主要是配合管片拼裝機拼裝管片,以及穩(wěn)定盾體防止其后退。在管片拼裝模式下,每組推進油缸可獨立動作。為減少管片拼裝的時間,推進油缸的伸縮速度設(shè)計為一個較快的固定值,不需要進行實時調(diào)節(jié)。推進油缸的工作壓力也設(shè)置為一個固定值,在該設(shè)定壓力下,推進油缸提供的推力足夠頂住盾體防止后退,同時又不至于過大將刀盤頂進掌子面。2斜井坡度調(diào)查本工程為某煤礦1號礦井的主斜井,長6553m,埋深688m,斜井坡度為6°下坡。盾構(gòu)機刀盤開挖直徑7620mm,中盾直徑7550mm,管片長1500mm,所需最大推進力為39500kN,最大推進速度為120mm/min2.1推進系統(tǒng)缸徑d的確定根據(jù)盾體內(nèi)空間布局及管片結(jié)構(gòu),推進油缸數(shù)量設(shè)計為34根。推進系統(tǒng)液壓泵選用REXROTH品牌A4VSO系列軸向柱塞變量泵(額定工作壓力35MPa),該系列液壓泵為工業(yè)重載泵,工作壓力高、質(zhì)量可靠、壽命長,可適應(yīng)煤礦斜井盾構(gòu)機的惡劣工況。推進油缸規(guī)格設(shè)計ф230/200-2200時,推進系統(tǒng)所能提供的最大推力為:式中:D為油缸缸徑;p該推力可滿足本工程盾構(gòu)機的推力需求,并有較大裕量,推進油缸規(guī)格設(shè)計合適。實際工作時推進油缸所需的最大工作壓力為:式中:F2.2壓泵驅(qū)動電機在盾構(gòu)機最大推進速度為120mm/min時,推進油缸所需的流量為:式中:v為盾構(gòu)機推進速度。液壓泵驅(qū)動電動機為三相四極異步電動機,電動機轉(zhuǎn)速約1500r/min,則所需液壓泵排量為:式中:n為電動機轉(zhuǎn)速;η則液壓泵排量需>115mL/r,參照A4VSO系列液壓泵選型樣本并考慮拼裝管片時推進油缸需要快速伸縮,選擇液壓泵排量為180mL/r,液壓泵型號為A4VSO180DRG。2.3驅(qū)動電機功率按照盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的極限工況,即在實際最大推力和最大推進速度下掘進,推進液壓泵所需驅(qū)動功率為:式中:η考慮到盾構(gòu)機極少在極限工況下工作,選用90kW電動機可保證盾構(gòu)機推進系統(tǒng)在一般工況下驅(qū)動功率有足夠的裕量,也可滿足盾構(gòu)機偶爾在極限工況下工作。推進系統(tǒng)配置如表1所示。3推廣系統(tǒng)控制原則3.1推進油缸分區(qū)控制方案推進系統(tǒng)液壓泵P1采用軸向柱塞變量泵,由電動機M1驅(qū)動,用比例溢流閥V2對泵進行遠(yuǎn)程壓力控制。泵出口溢流閥V1起安全保護作用。壓力傳感器S1和壓力表S2用于檢測泵出口壓力。手動球閥V3用于泵的調(diào)試和檢修,單向閥V4可防止系統(tǒng)的負(fù)載波動對液壓泵造成沖擊(見圖2)。4個分區(qū)的推進油缸各采用1個閥組進行獨立控制。各分區(qū)控制閥組工作原理一致,現(xiàn)以B區(qū)推進油缸控制閥組為例進行分析。推進油缸分區(qū)控制閥組由幾個功能塊組合而成。公共塊Z2控制整個分區(qū)控制閥組的油源,對油源進行調(diào)節(jié)后輸送到單組油缸控制塊。單組油缸控制塊Z3,Z4,Z5分別獨立控制1組推進油缸的伸縮。其中,控制帶行程傳感器油缸TCC04的控制塊Z4上安裝有壓力傳感器S3,用于檢測推進油缸無桿腔的工作壓力。3.2推進缸壓力和姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)從液壓泵P1輸出的壓力油經(jīng)過濾器F1過濾后進入公共塊Z2的P口,在推進模式下,電磁球閥V6不得電,閥芯處于左位,進入P口的壓力油經(jīng)電磁球閥左位進入二通插裝閥V7的控制油腔將V7關(guān)閉。壓力油再經(jīng)過濾器F2過濾后進入比例調(diào)速閥V5,經(jīng)V5進行流量調(diào)節(jié)后輸送到單組油缸控制塊,比例溢流閥V8對比例調(diào)速閥V5輸出的壓力油進行壓力調(diào)節(jié)。單組油缸控制塊Z3上的電液換向閥V9在推進模式下右側(cè)電磁鐵得電,閥芯切換到右位,進入控制塊的壓力油流經(jīng)電液換向閥V9右位及液控單向閥V11。電磁球閥V13在推進模式下不得電,壓力油經(jīng)電磁球閥V13右位進入二通插裝閥V12的控制油腔將V12關(guān)閉。電磁球閥V15在推進模式下不得電,閥口關(guān)閉。流經(jīng)液控單向閥V11后的壓力油進入推進油缸無桿腔,推動油缸活塞桿伸出,活塞桿通過撐靴頂在已經(jīng)拼裝成環(huán)的管片上,反推盾體向前移動,配合刀盤的旋轉(zhuǎn),開挖掌子面。溢流閥V14用于限定推進油缸無桿腔的最大工作壓力,防止因掌子面壓力過大反推盾體而損壞推進油缸及其他設(shè)備。液控單向閥V11在推進油缸不動作時可將油缸無桿腔的壓力油鎖住,防止推進油缸在外力作用下回縮導(dǎo)致盾體倒退。單向閥V10可防止回油管路中的壓力將液控單向閥V11誤開啟。盾構(gòu)機掘進時,不同工況下的推進速度和姿態(tài)調(diào)整通過4個分區(qū)控制閥組的比例調(diào)速閥和比例溢流閥的聯(lián)合調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。4個分區(qū)控制閥組的比例調(diào)速閥由1個電位計進行統(tǒng)一同步控制,電位計調(diào)節(jié)到一個控制值后,根據(jù)各分區(qū)推進油缸數(shù)量的不同,控制程序會給出對應(yīng)比例的控制電流到各分區(qū)的比例調(diào)速閥,調(diào)節(jié)各分區(qū)的壓力油流量,當(dāng)其他條件一致時,各分區(qū)的推進速度相同。實際工況下,假設(shè)整個掌子面的地質(zhì)均勻一致,由于刀盤和盾體自重的關(guān)系,在直線掘進時,下部(C區(qū))推進油缸的阻力會比較大,上部(A區(qū))推進油缸的阻力比較小,這時需根據(jù)負(fù)載阻力的不同通過比例溢流閥將4個分區(qū)設(shè)定不同的工作壓力;使得各分區(qū)比例調(diào)速閥輸出的壓力油經(jīng)比例溢流閥溢流損失的流量保持與各分區(qū)推進油缸數(shù)量相應(yīng)的比例,這樣最終實際輸送到各分區(qū)推進油缸的壓力油流量也保持相應(yīng)的比例,盾構(gòu)機保持直線掘進。保持4個分區(qū)的設(shè)定壓力不變,調(diào)節(jié)電位計的設(shè)定值可調(diào)節(jié)盾構(gòu)機的推進速度。當(dāng)盾構(gòu)機掘進過程中遇到地質(zhì)突變,負(fù)載阻力突然加大時,推進系統(tǒng)工作壓力會跟隨有一個小范圍升高,如果負(fù)載阻力保持較高,因推進分區(qū)壓力沒有進行調(diào)節(jié)保持在負(fù)載阻力突變前的設(shè)定值,因此大部分壓力油將從比例溢流閥溢流,推進速度下降,推進系統(tǒng)工作壓力不會一直升高。這樣可防止盾構(gòu)機推進力突然大幅度升高引起刀盤負(fù)載扭矩隨之大幅升高可能導(dǎo)致的刀盤卡死或盾體側(cè)滾,具有彈性保護作用當(dāng)盾構(gòu)機進行轉(zhuǎn)彎調(diào)向或姿態(tài)調(diào)整時,需要根據(jù)調(diào)節(jié)的方向?qū)?個分區(qū)比例溢流閥的設(shè)定壓力進行調(diào)整。如果需要向左轉(zhuǎn)彎,則在直線掘進設(shè)定壓力的基礎(chǔ)上調(diào)大右側(cè)(B區(qū))分區(qū)推進油缸的工作壓力,使右側(cè)分區(qū)壓力油溢流流量減小,實際到達推進油缸的流量增大,速度加快;同時調(diào)小左側(cè)(D區(qū))推進油缸的工作壓力,使左側(cè)分區(qū)壓力油溢流流量增大,實際到達推進油缸的流量減小,速度減慢,實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎調(diào)向3.3管片拼裝模式從液壓泵P1輸出的壓力油經(jīng)過濾器F1過濾后進入公共塊Z2的P口,在管片拼裝模式下,電磁球閥V6得電,閥芯切換到右位,二通插裝閥V7的控制油腔通過電磁球閥V6的右位與回油路連通,壓力油進入二通插裝閥V7工作腔將閥口打開,壓力油流經(jīng)二通插裝閥V7后輸送到單組油缸控制塊。單組油缸控制塊在管片拼裝模式下推進油缸的伸出控制與推進模式下一致。管片拼裝模式下縮回推進油缸時,因推進油缸無桿腔壓力較大,為降低換向沖擊,需先將無桿腔泄壓。按下推進油缸回縮按鈕后,電磁球閥V15先得電,閥口打開,推進油缸無桿腔的壓力油經(jīng)節(jié)流孔D1和電磁球閥V15與回油路連通,壓力逐漸釋放。3s后電磁球閥V15斷電,電液換向閥V9左側(cè)電磁鐵和電磁球閥V13同時得電,電液換向閥V9閥芯切換到左位,壓力油經(jīng)電液換向閥左位進入推進油缸有桿腔,推動油缸活塞桿回縮,壓力油流經(jīng)電液換向閥后同時將液控單向閥V11打開,從推進油缸無桿腔流回的液壓油一部分經(jīng)液控單向閥V11、電液換向閥V9和單向閥V10流入回油路。電磁球閥V13得電后閥芯切換到左位,二通插裝閥V12的控制腔通過電磁球閥V13左位與回油路連通。從推進油缸無桿腔流回的液壓油大部分進入二通插裝閥V12工作腔將閥口打開后流入回油路。推進油缸實現(xiàn)縮回。4推進油缸優(yōu)化本工程盾構(gòu)機在掘進施工過程中,工作性能穩(wěn)定,無重大故障,僅在盾構(gòu)機掘進初期出現(xiàn)一次B區(qū)推進閥組壓力調(diào)節(jié)問題。即在盾構(gòu)機推進模式下,B區(qū)工作壓力調(diào)至11MPa后無法繼續(xù)調(diào)高,其他分區(qū)壓力調(diào)節(jié)正常。根據(jù)故障現(xiàn)象,故障點應(yīng)該在B區(qū)推進閥組內(nèi)部,首先檢查公共塊上的比例調(diào)速閥和比例溢流閥,用萬用表測量比例調(diào)速閥和比例溢流閥的控制電流與操作指令相符。在推進模式下屏蔽B區(qū)所有推進油缸動作,即B區(qū)推進閥組上所有電液換向閥V9不得電,將比例調(diào)速閥控制電流比例給到20%,將比例溢流閥控制電流從0開始逐漸增大,此時實際壓力隨電流增大而增大,可達到程序設(shè)定的最大壓力30MPa,由此可以確定比例溢流閥工作正常。再在推進模式下逐個屏蔽單組推進油缸,分別屏蔽推進油缸TCC04和推進油缸TCC05時,故障現(xiàn)象與最初一致。當(dāng)屏蔽推進油缸TCC06時,現(xiàn)象出現(xiàn)變化,B區(qū)工作壓力可調(diào)至14MPa(因施工因素限制,未繼續(xù)調(diào)高),因此判定故障點在單組油缸控制閥組Z5內(nèi)部?？赡艿膲毫π孤c有溢流閥V14、電磁球閥V15、二通插裝閥V12。按照從易到難的原則,首先更換電磁球閥V15,試驗后故障未消除。再更換電磁球閥V13,試驗后故