盾构注浆液压泵吸空抑制方法研究

2014-11-24袁晓亮

建筑机械化 2014年10期

袁晓亮，朱雷

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

注浆液压泵是同步注浆液压系统的油源，隧道断面直径的增大需要更大排量的注浆液压泵以满足盾构最大推进速度时需要的注浆量，但在长期使用中发现，如不采取针对性设计，大排量变量柱塞泵容易发生吸空损坏，严重影响系统性能和可靠性。本文以开挖直径Ø6 980mm的大直径盾构所用的A10VO140DFLR注浆液压泵为例，在阐明其工作原理和工况特点的基础上，对其吸空原因进行了分析，并提出了有针对性的吸空抑制方法。

1 注浆液压泵原理分析及工况特点

注浆液压泵系统原理如图1所示，具有恒压恒流恒功率变量特性的柱塞泵在电机带动下吸油，油液须依次通过吸油滤和蝶阀到达泵吸油口。恒功率阀变量控制起调点大于恒压阀设定值90bar，因此在正常工况下恒功率阀基本不起作用。电机启动3s后加载电磁阀得电，泵出口油液压力反馈到恒流阀控制压力油口，一方面实现了低载启动，减小对柱塞泵和电机的冲击；另一方面在电机正常启动后，变量泵的恒流功能被屏蔽，因此变量柱塞泵在正常工作时可以简化为恒压泵。

图1 注浆液压泵系统原理图

注浆液压泵出口压力通过控制油路作用在小变量缸弹簧腔及恒压阀阀芯左端，恒压阀设定压力通过右端调压螺钉无级调定。泵出口压力超过恒压阀设定压力后，阀芯右移，控制油经恒压阀左位流入变量泵控制敏感腔，推动变量活塞左移，使与活塞杆相连的斜盘角度减小，泵输出流量减小，随之压力下降，系统压力保持恒定而泵仅供给注浆系统所需流量；当泵出口压力低于恒压阀设定值时，阀芯左移，变量控制敏感腔油液回油箱，斜盘在小变量缸弹簧力作用下将斜盘角度摆至最大，因此，在系统压力未达到调定压力之前实际上是以最大排量的定量泵工作。

单路注浆泵液压控制原理图如图2所示，由注浆液压泵提供的压力油经过比例调速阀控制注浆速度，与主油缸固连的混凝土缸在吸料提升缸和出料提升缸的配合下交替吸料和排料。调节液压控制阀组两侧节流阀，可以控制注浆泵泵送主油缸在吸料和出料行程终端的换向延时时间。Ø6 980mm大直径盾构共有6路注浆泵，每路注浆量由各路的比例调速阀独立调节。由于换向延时时间和流量需求的即时变化，注浆液压泵可能运行于图3所示恒压泵静态特性曲线恒压设定值的任意点上。

图2 单路注浆泵液压控制原理图

图3 恒压变量泵静态特性曲线

在6路注浆泵同时由换向延时工况向吸料或出料工况转换时，注浆液压泵流量变化率达到最大，其输出流量瞬时由零变为接近全排量时的210L/min。由此可见，注浆液压泵工作时的两个特点：①注浆液压泵输出流量变化频繁且快速，最大流量变化率发生于泵由零排量瞬间变为全排量；②恒压阀阀芯一直在中位高频振荡，以适应注浆泵流量需求的实时变化。

2 注浆液压泵吸空机理及原因分析

吸空是指液压泵吸入的油液中混有空气的现象，空气在油液中的存在形式有两种：一是以气泡形式混入油液，二是溶解在油液中。当回泄油管高于油箱液位而使回泄油在油箱内剧烈搅动产生漩涡以及液压泵密封失效或吸油管路管接头装配不当时，都会导致游离的空气以气泡形式混入油液中，此种原因引起的吸空现象故障明显且容易观测，不在本文讨论之列。在大气压下，石油型液压油常温时约含有9%的溶解空气，开式泵经吸油管路从油箱吸油，由于压力损失，吸油区形成负压，当油液压力低于该温度下的空气分离压时，原先溶解于油液中的气体将分离出来形成气泡并混杂在油液中，产生气穴，致使液体变为不连续介质而发生吸空。气穴在高压区的溃灭伴随局部高压冲击和高温，使系统产生噪声、气蚀、泵容积效率下降，甚至导致油泵短时间内损坏。

从上面的分析可以得出，油泵吸空的直接原因是吸油口处绝对压力的过分降低。对于A10系列液压泵，样本中明确指出，吸油口S处绝对压力最小为0.8bar，并且随驱动转速的增加和工作排量的增大而增大(图4)。对于注浆液压泵系统，吸油管路压力损失过大进而导致吸油口处绝对压力过小的可能原因有：①吸油滤和截止阀处压力损失过大；②管道和弯头处沿程压力损失和局部压力损失过大；③注浆液压泵由零排量瞬间变为全排量时吸油管路流量突变引起的压损过大；④壳体泄油压力过大。泄油压力过大虽不直接导致油泵吸空，但当泄油压力与吸油口S处进口压力之差超过0.5bar时，油泵吸油性能变差，并且不能保证滑靴在斜盘上高速旋转时始终与斜盘保持静压支承。

图4 进口压力随转速和排量的变化曲线

3 注浆液压泵吸空抑制方法

为杜绝油泵吸空，须采取措施避免吸油口处绝对压力的过分降低，针对上述对吸空原因的分析，可能的解决方法主要有以下几种。

1）取消吸油滤或减小吸油滤过滤精度；截止阀由蝶阀更换为闸阀。

吸油过滤因存在吸油压力损失而增加泵入口的真空度（图5），并且在使用过程中，滤芯不断被污染物堵塞，其压差还会逐渐增大。柱塞泵自吸性能差，为避免油泵吸空，吸油口严禁用精密过滤器，当必须使用吸油滤时，要尽可能选用通流能力大和过滤精度低的过滤器。

图5 WF系列吸油滤压差流量曲线

蝶阀全开时，吸入油液被中间阀板分隔为两部分，两股液流在通过蝶阀后汇合，此过程伴随液流速度大小和方向的改变，对液流的阻碍作用不可忽视。而闸阀全开时阀板不在液流通道内，液流通过时的压损远小于蝶阀。闸阀体积稍大，在安装空间允许的情况下可以考虑用闸阀作截止阀。

2）增大管径，减少弯头尤其是90°弯头。

吸油管路的压力损失分为两部分：沿程压力损失和局部压力损失，图6展示了沿程压力损失和局部压力损失在管网流动中的产生位置和大小，它们都与流速的平方成正比，即Δp∝v2。

图6 沿程压力损失与局部压力损失

由于流速与通流截面积成反比，因此在通流量一定的条件下，总的压力损失与截面直径的四次方成反比，可见增大管径对减小压力损失有显著效果。以注浆液压泵所用的A10VO140为例，当吸油管直径由DN65增大为DN80时，其吸油管路压力损失可以减小56.4%。

图7 90°流道速度云图和压力云图

当油液流经管道系统中的弯管时，流速会重新分布，流体质点与质点之间及质点与管壁之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到阻碍，如图7所示为等径直角转向流道的速度云图和压力云图。弯度越大，其对液流的阻碍作用也越大，液流经过一个90°弯头产生的压力损失比经过两个45°弯头产生的压力损失之和还要大，因此在注浆液压泵吸油管道上要尽量避免布置弯头，尤其是90°急弯。

3）延长油泵变量时间，减小流量变化率。

注浆液压泵工况转换时瞬时流量突变，极易使油泵吸油不足，导致油泵容积效率下降，并产生气穴、振动和噪声。要减小工况转换时的流量变化率，需要延长油泵变量时间，这可以通过适当调整变量过程中进入控制敏感腔的流量实现。

图8所示为恒压阀结构，其中的旁通液阻R2和R3主要是为了增强变量系统的稳定性。要减缓泵由接近零排量变为全排量的时间，一个简单可行的方法是在基泵上与变量缸控制敏感腔连通的恒压控制阀A通道上增设液阻R4。增设液阻R4后变量控制阀液阻网络如图9所示，图中液阻R1为控制油流经恒压阀时的液阻。

图8 恒压阀结构及旁通液阻

图9 增设液阻R4后的变量泵液阻网络

增设液阻后的注浆变量泵系统仿真模型及控制敏感腔流量变化曲线分别如图10和图11所示。由曲线可知，A通道增设液阻后变量泵变量时间延长，并且液阻越大，变量时间越长。但液阻越大，阻尼孔越容易堵塞，同时，变量时间过长，输出流量跟不上注浆系统所需流量的瞬时变化将会引起压力的较大波动或压力超载现象，因此液阻大小需要综合考量。

4）减小安全溢流阀设定压力，使油泵工作于静态特性曲线定量特性段。

图10 注浆变量泵系统AMEsim仿真模型

图11 控制敏感腔流量变化曲线

图1中与注浆液压泵出口并接的溢流阀起安全阀作用，其设定压力不能小于恒压阀调定压力，否者注浆液压泵不能运行于恒压工况。当把安全溢流阀设定值减小到小于恒压阀调定压力时，油泵将始终以最大排量的定量泵工作，恒压阀起安全限压作用，超过注浆系统所需的流量将全部通过溢流阀溢流，从而避免了油泵变量时吸油口流量的跟随变化，此种方法本质上仍然是通过减小流量变化率抑制吸空，只不过要以牺牲溢流损失为代价。

5）替换A10系列泵为A11系列泵。

A11系列泵与A10系列泵相比，额定压力高，效率高，排量范围大，同时A11系列泵对由于壳体泄油压力超过吸油压力一定数值时导致的滑靴敲击斜盘现象的敏感度也小于A10系列泵，在它们排量相近时，A11系列泵的最大允许转数高于A10系列泵，可见A11系列泵吸油性能好于A10系列泵。此外A11系列泵有自带升压泵的可选项，当其内置有辅助升压泵时，允许的吸油口S处最小绝对压力更低，从而对吸油不畅导致的间断性吸空有良好的适应性。

图12所示A11系列泵为带有辅助升压泵的恒功率变量泵。辅助油泵为离心泵，其用途是辅助A11VO泵吸油，可使其额定转速提高，同时对于油液粘度较高的冷启动工况有利。用排量相当的A11VLO130代替A10VO140将极大提升注浆液压泵的吸油性能，由于A11VLO130在工程机械上使用量大，其价格未必比A10VO140高出很多。