刍议高效节能技术在盾构液压系统中的应用.doc

1、刍议高效节能技术在盾构液压系统中的应用摘要：介绍了高效节能技术的原理二次调节技术、泵控调速技术、能量回收技术、负载敏感技术等及其应用现状在盾构液压系统中，管理的节能措施与盾构液压系统使用进行总结，并对盾构液压节能技术的发展趋势进行了展望。 关键词：盾构；高效节能技术；液压系统；发展趋势 中图分类号：U455.43 文献标识码： A 当前日益受到人们重视的节能和能源问题，节能设计液压系统也成为所关注的液压技术工作者要解决的重大课题。通过进行改进液压系统的执行元件、控制元件、工作介质等方面可提高能量的利用率，是实现高效节能的主要途径，实现能量回收借助于辅助设备使得再次利用能量，达到良好的节能效果。

2、二次调节技术、泵控调速技术、能量回收技术、负载敏感技术、压力匹配技术等为常用的液压节能技术。 一、工程概述 杭州市地铁 1 号线 16、17 号盾构区间工程包括【九堡东站下沙西站】区间单圆盾构隧道、区间风井以及联络通道、泵站等附属结构；【下沙东站文泽路站】区间单圆盾构隧道、联络通道、泵站等附属结构。其里程如表 1。 表 1 【九堡东站下沙西站】 、 【下沙东站文泽路站】区间里程表 区 间 里 程 长 度 备 注 九堡东站下沙西站 K28+571.326 K31+573.447 3002.12 K29+599.644、K30+656.45、K31+235.822处设一个联络通道，K30+080

3、处设一个风井兼联络通道（含泵房） ，K29+152.5 处设一个联络通道兼泵房。 下沙东站 文泽路站 K33+926.498K35+48.268 1121.77 K34+500 处设一个联络通道兼泵房。 二、泵控调速技术 具有功率效率高、损失小、调速及节能方便、发热量小等特点的泵控马达容积调速系统，大功率液压伺服系统中被广泛应用。 （一） 、PID 控制技术 PID 控制技术即是在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制。是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID 使用方便、控制原理简单，可根据过程动态特性及时调整其参数，PID 参数的调节、适

4、应性强和对系统优化决定了控制性能最终能达到的目的，而控制系统设计的核心内容是 PID 参数整定。对 PID 控制器参数在泵控马达容积调速系统中通过非线性控制设计模块 NCD 在Matlab/Simulink 中与 Z-N 整定方法进行优化设计，系统的稳定性得到提高。 （二） 、变频技术 结合了液压传动控制和电气控制两方面优势的变频容积调速系统，与传统的相比，具有性能良好、节能高效，价格合理，控制方便等一系列优点。液压容积调速系统在变频技术的基础上，既能直接容积调速双重节能和获取变频调速的效果，又能满足速度控制要求，其控制结构图如图 1 所示。 图 1 变频容积调速控制结构图 在对变频调速技术分

5、析的基础上，交流变频容积调速回路通过实验验证具有分辨率高、调速范围宽，抗污能力强，节能性好，计算机控制等优点很容易实现。并对交流变频容积调速回路的调速特性进行分析，并为了提高液压马达的转速稳定性及响应速度采取模糊控制策略。 三、在液压系统刀盘驱动中的应用 随着工业技术的发展盾构刀盘的液压驱动技术在不断进步，多马达驱动的冗余干涉问题成功被解决，液压回路从节流调速的阀控回路到容积调速的泵控回路的发展，大大降低了能耗。闭式容积调速回路由变量马达和变量泵组成的完成是刀盘的转速控制。其液压原理图如图 2 所示。图 2 两种刀盘容积调速驱动方式 为了实现刀盘的扭矩控制、方向控制和转速控制，可采用泵控马达调

6、速方式。这种回路调速范围宽，采用恒扭矩调速模式在 01.5r/min，采用恒功率调速在 1.53r/min，通过软件编程可以实现。为了使所选泵的排量有效减小，采用此种方法，且使系统的成本降低。 四、二次调节技术 一种闭环控制静液传动方案即二次调节闭环控制，非常有效的对静液传动系统的效率进行改善，这种调节技术不但对工作机构的重力势能和制动动能可以进行重新与回收利用，而且还能实现功率适应。二次调节静液传动系统工作原理以图 3 说明，它是为了改变马达排量通过对输出端可逆式二次元件（柱塞泵）的调节斜盘倾角，在伺服阀的输入电压的控制之下使马达倾角变化。 图 3 二次调节静液传动系统图 在盾构 FPB 螺

7、旋输送电液控制系统中应用二次调节原理不仅能使取得的惯性能回收效果明显，还对系统土压控制品质能够改善。其电液控制原理图如图 4 所示。 图 4 螺旋输送机液压系统原理图 五、负载敏感技术 负载敏感技术，就是匹配起负载所需的压力、流量与泵源的压力流量，一种高效节能技术使系统效率最大程度提高。分为泵控负载敏感系统和阀控负载敏感系统两种的负载敏感液压系统，液压原理图分别如图5 所示。相比阀控负载敏感系统，效率更高的是泵控负载敏感系统。 采用负载敏感控制技术在液压系统盾构推进主油路中，即采用恒压变量泵带远程压力控制的为驱动泵，将负载变化信号通过压力传感器检测出，对泵的流量由负载变化信号做相应的调节，使其

8、各分组所需的流量与输出流量始终相适应，其工作原理如图 6 所示。 图 6 进系统主油路控制原理图 六、能量回收技术 能量转化效率是能量回收系统的关键点，系统研究的目的是尽量将其吸收系统的剩余动能以最大限度地释放出去。其中主要包括液压马达、液压缸、二通插装阀、蓄能器、电动机、比例方向阀等为所涉及到的液压元器件。图 7 为两种常见的能量回收油路。 图 7 两种常见的能量回收油路 七、区间工程的节能效果 【九堡东站下沙西站区间】位于下沙区，隧道从下沙西站过松华河后沿九沙大道向西，过月牙路后沿九沙大道北侧向西，避让规划运河二通道桥至东湖路，下穿临平支线盾构段至九堡东站。沿线主要分布有九沙大道、1 号线

9、临平支线、规划运河二通道桥以及沿线 14 层民居等。九沙大道横穿九堡镇，为九堡至下沙经济技术开发区的东西向主干道，规划道路红线 50m，隧道穿越地段为待开发区，主要为农田和民居，场地开阔。两段区间隧道纵坡均为“V”型坡，最大坡度为 25，隧道顶部埋深为 9.020.6m，最小平面曲线半径为 800m，最大平面曲线半径为2000m。沿线隧道穿越的岩土层均为稍密中密状的饱和粉土及砂土，隧道围岩分类均为类。 【下沙东站文泽路站区间】位于下沙区，隧道从下沙东路站开始，沿二号大街左侧到达文泽路站，规划中九沙大道横穿下沙东站，为九堡至下沙经济技术开发区的东西向主干道，规划道路红线 50m，尚未实施。隧道穿

10、越地段为待开发区，主要为空地和民居，场地开阔。两段区间隧道纵坡均为“U”型坡，最大坡度为 24，隧道顶部埋深为8.9216.21m，最小平面曲线半径为 2000m，最大平面曲线半径为2500m。隧道穿越岩土层主要为稍密中密状的饱和粉土及砂土，隧道围岩分类均为类。 全线隧道采用装配式钢筋混凝土衬砌环，管片内径 5.5m，外径6.2m，管片厚度 350mm，宽度 1.2m。 通过使用高效节能技术，使液压系统达到较好的节能效果，是使用管理的价值和目的。 八、盾构液压节能技术的发展趋势 随着不断进步的软件技术和数字技术，将向易操作、高性能、节能效果显著方向发展液压节能化系统。具体改变途径： （1）将液压系统动力装置提高效率，提高工效，降低能耗； （2）改进液压系统或者设计出新的液压系统； （3）采用新型的控制元件在液压系统中，并将其制造精度提高。 总之，在系统工作时每个组成部分在盾构电液控制系统上都会有能量损失产生，因此，高效率的液压元件要合理使用，并进行综合调节液压系统，合理分配和设置元件管路，应用新材料、新技术，同时要加强在系统运行过程中的管理，使得液压系统的节能目的真正实现。 参考文献 1 袁建畅，任京芹.泵控液压马达容积调速系统的 PID 参数整定J.矿山机械,2010(10) 2 吴向东,安维胜.液压系统的能量回收方法J.液压与气动,2001(12)