王野牧，劉子銘

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

隨著工業(yè)水平的不斷提高，盾構(gòu)機在日常生活中使用的頻率逐步增多，因其具有安全、高效等諸多優(yōu)勢而被廣泛使用。但其缺點也十分明顯，95%的盾構(gòu)機主軸承由于各種原因在還沒到其設(shè)計壽命前或損壞或拆檢維修。主驅(qū)動密封的作用就是為了將主軸承和外界分隔開，主驅(qū)動密封的受損會直接導(dǎo)致主軸承的損壞，從而大大縮短盾構(gòu)機的使用壽命。

本試驗臺通過模擬盾構(gòu)機主驅(qū)動密封系統(tǒng)實際工況、故障類型和預(yù)防措施進行分析探討，對不同密封形式的密封性能進行實驗對比，結(jié)合實際需要，以模擬仿真和狀態(tài)測試實驗為依托，提出切實可行的預(yù)防措施，保證盾構(gòu)機的主驅(qū)動密封系統(tǒng)部件性能可靠，延長使用壽命。

1 試驗臺組成及工作原理

密封圈試驗臺的本質(zhì)是一種主驅(qū)動密封系統(tǒng)，是一種分腔施壓檢測密封性能的試驗裝置。主要應(yīng)對目前現(xiàn)有的實驗裝置無法研究分析橡膠密封圈在密閉實驗容器內(nèi)左右兩腔于不同壓強環(huán)境下的模擬盾構(gòu)機工況實驗。

試驗臺大致由以下部件組成，其分別為：油缸、波紋管、攪拌電機、葉輪、主驅(qū)動軸。實驗主體腔體、加料器、軸承組、聯(lián)軸器、扭矩轉(zhuǎn)速儀、液壓馬達、電控柜、泵站等。

其工作原理如下：從加料器中加入水、油、脂及泥沙等，泵站對液壓缸加壓，進而使波紋管壓縮。通過工控機控制，對連接兩個波紋管左右兩腔施加不同壓強。使攪拌電機通電，帶動葉輪攪拌，使腔內(nèi)介質(zhì)混合均勻，通過減壓閥和壓力傳感器在工控機控制下形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓力的調(diào)節(jié)。再將液壓馬達開啟，帶動扭矩轉(zhuǎn)速儀和主驅(qū)動軸工作，從而模擬盾構(gòu)機工作狀態(tài)進行試驗。主驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速可以通過扭矩轉(zhuǎn)速儀采集的數(shù)值，控制變量泵排量從而對轉(zhuǎn)速加以控制。其試驗臺簡化模型如圖1所示。

圖1 工作臺模型

2 液壓系統(tǒng)

試驗臺液壓系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩部分組成。其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

動力裝置是為試驗臺提供動力的液壓系統(tǒng)，其主要組成結(jié)構(gòu)為油箱、閥塊、減壓閥、溢流閥等。通過調(diào)節(jié)變量泵的排量改變液壓馬達的轉(zhuǎn)速，以及控制電磁換向閥實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

加載裝置通過控制減壓閥的開合程度控制出口壓力，從而對油缸的壓力加以控制，再對波紋管施壓，經(jīng)由高壓液壓軟管總成對試驗臺實驗主體裝置兩腔分別加壓。波紋管采用立式結(jié)構(gòu)而非臥式，一方面是因為試驗工作介質(zhì)復(fù)雜，采用立式結(jié)構(gòu)可以避免雜質(zhì)通過管路進入波紋管和油缸內(nèi)部，可以確保壓力的精準度；另一方面，波紋管上端接有微型高壓測壓接頭，可以在開始試驗前，通過氣孔排放實驗裝置內(nèi)多余氣體，保證試驗壓力能準確達到預(yù)期值。在該液壓系統(tǒng)中，加載系統(tǒng)中核心是比例減壓閥的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真分析

3.1 比例減壓閥模型的建立

比例減壓閥作為密封圈試驗臺液壓系統(tǒng)的重要核心元件，其好壞直接影響系統(tǒng)響應(yīng)時間、穩(wěn)定性及控制精度。根據(jù)實際減壓閥確定參數(shù)，在AMESIM建立模型如圖3所示。模型中參數(shù)值如表1所示。

圖3 比例減壓閥仿真模型

表1 比例減壓閥參數(shù)

3.2 閉環(huán)系統(tǒng)模型的建立

閉環(huán)控制系統(tǒng)的通過比例減壓閥對油缸輸出壓力，使波紋管壓縮，為實驗主體裝置提供壓強，同時油缸前端的壓力傳感器實時監(jiān)測油缸壓力，將檢測值反饋給工控機，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，AMESIM中建立模型如圖4所示。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真

3.3 控制系統(tǒng)動態(tài)特性分析

當信號源輸入信號為0～10時，對應(yīng)的減壓閥輸出壓力為0～2.8 MPa。試驗臺的溢流閥開啟壓力為50 MPa。實驗要求減壓閥輸出壓力值為2.8 MPa且精確度為0.1%。

圖5為減壓閥輸出壓力變化曲線，從圖中可以看出，壓力值在很短時間內(nèi)完成階躍，在達到2.8 MPa時趨于持續(xù)穩(wěn)定，且精確度達到實驗要求精度0.1%，滿足實驗所需要求。

圖5 減壓閥輸出壓力變化曲線

4 結(jié)語

密封圈試驗臺壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計利用AMESim 軟件進行建模和仿真，與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)傳遞函數(shù)相比，更加直觀、方便得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。該試驗臺的成功研制為今后同類試驗臺的研制提供了一定的借鑒作用。