王俊勇

(中鐵工程裝備集團盾構制造有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著中國鐵路事業(yè)發(fā)展越來越快,范圍越來越廣,隧道內部注漿施工在整個工程領域中已占據(jù)主導地位,不同比例注漿量作為其中的關鍵環(huán)節(jié),重要性不言而喻。

河北工程大學的張平格[1]等通過液壓系統(tǒng)設計,利用調節(jié)缸的行程位置調節(jié),實現(xiàn)了雙液注漿流量比例的無級調節(jié),但是調節(jié)過程繁瑣;黑旋風工程機械開發(fā)有限公司的田公明[2],研發(fā)了一種以電液比例閥控制流量的雙液流量注漿泵,依據(jù)控制器輸出到電液比例閥的電流大小,實現(xiàn)注漿泵流量的無級調節(jié);鄭朝虹等[3]研究的注漿泵控制系統(tǒng)采用PLC控制,利用非接觸式接近開關對注漿泵缸內的往復運動進行計數(shù),達到液配比的目的;石家莊鐵道大學王嬋等[4]設計了模糊PID控制器,并對該系統(tǒng)進行Simulink聯(lián)合仿真,加入模糊PID 控制,可以有效改善同步注漿系統(tǒng)的控制精度。

目前,對雙液注漿泵實現(xiàn)液配比的應用技術主要是采用兩臺變頻電機傳動,兩套獨立的液壓系統(tǒng)和工作系統(tǒng)來實現(xiàn)液配比的現(xiàn)象,所以,優(yōu)化注漿泵控制器成為一種可行的解決方案。由兩個液壓缸組成的單套獨立的液壓系統(tǒng)、可編程邏輯控制器與電氣控制系統(tǒng)構成的雙液注漿泵控制器系統(tǒng),達到了雙液注漿過程中對二者流量比值等信息精確控制的目的[5-7]。

1 雙液注漿泵控制器系統(tǒng)設計

1.1 雙液注漿泵控制器系統(tǒng)結構設計

筆者設計一種雙液注漿泵控制器系統(tǒng),其特點:基于兩個液壓缸組成的單套獨立液壓系統(tǒng)控制的雙液注漿泵設計,以達到同步注漿和液配比的目的。整個系統(tǒng)主要包括可編程邏輯控制器、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置。液壓系統(tǒng)由單個變頻器、單個液壓電機、兩個三位四通電磁換向閥和兩個液壓缸等組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置包括流量傳感器、壓力傳感器和HMI人機界面。HMI人機界面通過RS-232 與可編程邏輯控制器相連,進行通信;可編程邏輯控制器通過RS-485與變頻器通信。雙液注漿泵控制器系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 雙液注漿泵控制器系統(tǒng)結構

1.2 雙液注漿泵控制器系統(tǒng)工作原理分析

由圖1分析控制器系統(tǒng)工作原理:可編程邏輯控制器控制變頻器的輸出頻率,進而控制液壓電機轉速,液壓電機轉速調節(jié)是依據(jù)注漿口A 和B總流量決定;另一方面,可編程邏輯控制器采用占空比可變換的PWM 信號,設置液壓系統(tǒng)下兩個三位四通電磁換向閥A/B 得、失電的時間間隔,使液壓缸(油缸)自動往復運動,在一個周期內獲取各自不同的占空比,控制閥體移動開啟或關閉不同的排油口(進油口常開),液壓油就會進入不同的排油管,通過油的壓力推動油缸活塞,活塞帶動活塞桿,而液壓缸與漿缸拉桿相連,通過控制液壓缸拉桿帶動漿缸拉桿運動。

通過控制三位四通電磁換向閥左右兩端電磁鐵的電流通斷時間比例就能控制機械運動的特點,設置三位四通電磁換向閥得失電的時間間隔不同,二者在一個周期內獲得高低電平時間也會不同,即占空比(一個脈沖周期內,高電平時間與整個周期時間的比例)也就不同,那么,在脈沖寬度調制(PWM)理論下,三位四通電磁換向閥得失電的時間間隔不同,油缸活塞受到的油壓力也不同,帶動漿缸的拉桿運動速度快慢就不同,排出的漿液量也會不同。因此,通過調節(jié)占空比,能夠實現(xiàn)速度可控性,進而控制出口流量。

1.3 雙液同步注漿且注漿量和注漿比例可以調節(jié)的實現(xiàn)方法

通過對雙液注漿泵結構及工作原理分析,提出基于兩個液壓缸組成的單套獨立液壓系統(tǒng)控制設計,實現(xiàn)對注漿量的控制[8-10]。

(1)液壓電機驅動一套獨立的液壓動力系統(tǒng),聯(lián)動兩個三位四通電磁換向閥分別驅動各自液壓缸工作,直接實現(xiàn)同步注漿目標。

(2)液壓電機的轉速快慢可以控制周期內注漿總量,液壓電機的轉速快慢由可編程邏輯控制器控制變頻器的輸出頻率設定,頻率的設定依據(jù)注漿口A/B 反饋的周期內流量、壓力等參數(shù)決定。

(3)采用PWM 調節(jié)占空比,高電平時,導通時間長,液壓油量越大,液壓缸活塞速度越快,周期內平均流量也會上升;低電平時,電磁換向閥關閉,無流量通過。設定周期t=10 s,以三位四通電磁換向閥A 為基準,設置占空比(脈寬時間)t=6 s,三位四通電磁換向閥B 的脈寬時間t=2 s、4 s、6 s、8 s,分別計算注漿口A/B 周期內平均流量比值。實驗表明,注漿口A/B周期內平均流量比值等于占空比之比。

(4)由流量傳感器先確定注漿口A/B周期內平均流量比值,再去調節(jié)占空比,同樣滿足實驗要求。要確保電磁換向閥正常運動,必須合理選取占空比范圍,一般選取為20%～80%。

2 雙液注漿泵關鍵數(shù)據(jù)及系統(tǒng)功能

2.1 理論依據(jù)

2.1.1 變頻調速原理

從作用上講,變頻器就是將固定頻率轉換為可調頻率的一種設備,轉速和頻率滿足公式:

其中,n為同步轉速,r/min;p為電機極對數(shù);f為頻率,Hz。

由公式(1)可知,同步轉速n、極對數(shù)P與頻率f三者之間互成比例,若頻率發(fā)生改變,則電機轉速n也隨之改變。對于泵類負載來說,只需要保持電動機上的電壓隨頻率的平方成正比變化即可。

2.1.2 控制系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)分析

本次設計中選擇的電機型號為YVF160M,其額定功率為15 k W,極對數(shù)為1對(即兩極),額定轉速為2 850 r/min,額定電壓為380 V。故由公式(1)得:n=60×50÷1=3 000 r/min,轉差率計算:1-s=2 850/3 000=0.95,故s=0.05。由公式(2):

可得n與f的關系為:n=57f,即f=n/57。

由電機的額定轉速為2 850 r/min,注漿泵總排量為90 L/min,可得到電機轉速與注漿泵流量之間的線性關系,假設它們之間的線性系數(shù)為l,則可以得到:l=90/2 850≈0.031 58。

在上述計算中分別得到了頻率與轉速的關系以及轉速與流量L的關系,可以進一步得到頻率與流量之間的關系,即泵的系數(shù)。轉換如下:L=57f×0.031 58=1.800 06f,可得泵的系數(shù):K=L/f≈1.8。

2.1.3 系統(tǒng)主要功能

雙液注漿泵系統(tǒng)主要功能有同步注漿、以數(shù)顯觸屏模式控制調頻電機轉速、數(shù)字顯示雙缸往復工作次數(shù)、注漿狀態(tài)實時數(shù)據(jù)顯示以及A/B液配比可隨意調整等功能。

2.1.4 雙液注漿泵控制器流量比值調節(jié)、顯示反饋實現(xiàn)方法

以系統(tǒng)工作流程圖方式描述實現(xiàn)流量比值的調節(jié)及注漿過程中壓力和注漿流量、頻率和注漿流量的邏輯關系,如圖2所示。如果流量小,可以通過降低壓力缸油量等處理方法,作為控制流程編制的參考。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 結 論

(1)以設計更加簡便雙液注漿泵控制器系統(tǒng)為出發(fā)點,針對傳統(tǒng)智能液壓調比注漿泵控制系統(tǒng)設計繁瑣的問題,提出一種新型雙液注漿泵控制器設計。

(2)兩個液壓缸組成的單套獨立液壓系統(tǒng)聯(lián)動兩個三位四通電磁換向閥,分別控制各自液壓缸工作。

(3)本設計解決了傳統(tǒng)雙液系統(tǒng)注漿量設置不同比值的繁瑣設計問題,同時在周期內注漿量的多少、注漿量比值調節(jié)可以滿足不同場合下對注漿工藝高精度要求,值得推廣和應用,為后續(xù)深入研究雙液注漿泵控制器系統(tǒng)問題,提供借鑒。