刍议高效节能技术在盾构液压系统中的应用

朱强 司娅娅

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 陕西 西安 710000

当前日益受到人们重视的节能和能源问题，在液压系统中应用节能技术目前成为液压领域的热门课题之一。液压系统中的节能技术主要通过对系统的执行元件或者工作介质等方面进行优化改造来实现，从而提高液压系统整体的能源利用率，不仅如此，高效的节能技术还可以通过相关辅助设备提高能量回收率，节能效果进一步提高。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

以杭州市地铁 1 号线的两个盾构区间工程为例，这两个区间分为为【九堡东站～下沙西站】和【下沙东站～文泽 路站】，两个工程都包括各自区间内的隧道、风井及泵站等结构。两工程里程如表1所示。表1【九堡东站～下沙西站】、【下沙东站～文泽路站】区间里程表

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二、泵控调速技术

泵控马达容积调速系统在功率效率等方面具有明显的优势，而且调速过程便捷、发热量极低，同时节能效果显著，因此广泛应用于各工厂的大功率液压伺服系统中。

（一）、PID 控制技术

PID 控制技术是目前工程项目中比较常见的控制器调节技术，主要是通过微积分等对系统中的误差进行计算，得到相应的控制规律，然后对操作对象进行控制。该技术操作便捷，应用的原理并不复杂，在操作过程中，可以得到控制对象的实时变化，然后根据其变化特性可以进行相应的调整，以达到控制目的。PID技术对操作对象具有较强的适应特性，可以对系统进行更好的优化，整个控制系统的核心在于PID的参数的设计和调整，在这一过程中，通常采用非线性模块NCD按照Z-N法进行，这种方法可以保证整个系统的稳定性。

（二）、变频技术

依据这一技术设计的调速系统，与其他调速系统相比，在两类控制即液压传动控制和电气控制方面具有相当明显的优势，具体可以体现在性能良好、节能高效，价格合理，控制方便等方面。如此一来，加载变频技术的液压容积 调速系统，既可以达到对操作对象的直接容积调速双重节能的效果，还可以在保证对速度控制的要求的同时得到变频调速的效 果，具体的控制结构图如图 1 所示。

图1 变频容积调速控制结构图

为进一步对频调速技术进行分析，设计交流变频容积调速回路进行相关实验，结果表明，变频调速技术在系统分辨率、调速范围等方面具有非常大的优势，同时，变频调节技术节能效果好、抗污能力较强、调速系统容易控制等。通过对调速性能分析，可以得知，利用模糊控制方法进行调速时，可以保证液压马达工作的稳定性。

三、在液压系统刀盘驱动中的应用

随着工业技术的不断提高以及人们对压驱动技术研究的不断深入，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 的变化，节能效果得到明显的提升。闭式容积调速回路对刀盘转速的控制是两部分结构来实现的，分别是变量马达以及变量泵。具体的

液压原理图如图 2 所示。

图2 两种刀盘容积调速驱动方式

对刀盘的控制不单单是对其转速有要求，还需要对扭矩和旋转方向进行控制，为满足上述要求，可以利用泵控马达来实现。该方法具有较为宽泛的调速范围，一般来说，通过软件编程，保证扭矩不变的情况下，转速控制在0～1.5r/min范围内；保证功率不变的情况下，转速控制在1.5～3r/min的范围内。采用此种 方法，且使系统的成本降低。

四、二次调节技术

二次调节技术是一种闭环控制静液传动方式，其优点在于有利于提高系统效率，同时有利于回收利用系统工作时重力势能与制动动能，从而更好地匹配系统功率。该技术在马达排量等方面进行了优化，采用可逆式二次元件，配合输入伺服阀电压实现对调节斜盘倾角的控制。系统工作原理图如图 3 所示。

图3 二次调节静液传动系统图

在盾构 FPB 螺旋输送电液控制系统中应用二次调节可以实现更好的控制结果，具体变现为在高效回收惯性能的同时，还可以优化系统液压。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

为保证启动负载所需的压力、流量等相匹配，研究人员开发出负载敏感技术，这是一种大幅度提高系统效率的节能技术。目前已经出现两种负载敏感液压系统，即泵控系统和阀控系统。对比两者，可以得知前者具有更好地提升系统效率。

负载敏感控制技术大多数情况下，用在液压系统盾构推进主油路当中，驱动泵一般使用工作压力保持不变的变量泵，接通负载信号后，相应的传感器检测出压力变化，并将这种变化传递给泵的流量控制环节，后者随即进行调节，最后保输出流量与相应的所需流量一一适应。负载敏感控制液压系统工作原理如图6所示。

图6 进系统主油路控制原理图

六、能量回收技术

能量转化效率在整个能量回收系统中占有至关重要的低位，研究的目的在于释放尽可能多的残余动能。

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，该区间沿线主要分布有九沙大道、规划运河二通道桥等线路。这其中，九沙大道是这一区间内经济开发区贯穿东西的主要道路之一，规划线路超过50米，不仅要穿过居民住宅区，还会穿过农田等地区。两段区间线路的隧道纵坡设计思路相同，即都为“V”型坡，最大坡度为2.5%，隧道底部埋深最小为10米左右，最大不超过21米，平面曲率半径在800米到2000米之间。沿线穿越的岩土层大多为③稍密～中密状的砂土，隧道围岩属于Ⅰ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，至文泽路站，九沙大道在该区间的设计规划中横穿下沙东站，同样，九沙大道作为这一区间内经济开发区贯穿东西的主要道路之一，规划线路超过50米，不仅要穿过居民住宅区，还会穿过农田等地区。与上文区间不同点在于，这两段区间的隧道纵坡均呈现“U”型，最大坡度相差无几，为2.4%，隧道底部埋深最小为8.9米左右，最大不超过16米，平面曲率半径在2000米到2500米之间。隧道穿越岩土层主要为③稍密～中密状的粉土等，隧道围岩属于Ⅰ类。

全线隧道施工采用钢筋混凝土，管片尺寸为内径5.5m，外径6.2m，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

随着数字技术的快速发展，推动液压系统朝更加便捷的操作、更加高效的节能效果方向不断发展。盾构液压节能技术的发展趋势可以从以下几个方面看出：

（1）提高液压系统工作效率，提高节能效果；

（2）改进液压系统或者设计出新的液压系统；

（3）提高控制元件的制造精度。

综上所述，盾构电液控制系统在工作过程中，各单元都会有多多少少的能力耗散，也正是由于这一愿因，如何科学的选择液压元件、如何合理的调控各相关参数以及各元件管路如何分配显得尤为重要。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。