盾構機是集多學科技術於壹體，專門用於地下隧道開挖的大型工程設備。具有開挖速度快、質量高、勞動強度低、安全性高、對地表沈降和環境影響小等特點，與傳統鉆爆法隧道施工相比具有明顯優勢[1，2]。
推進系統擔負著整個盾構機的頂升任務，要求完成盾構機的轉彎、曲線行進、姿態控制、糾偏和同步運動，使盾構機能夠沿著預定路線前進，是盾構機的關鍵系統。考慮到盾構機具有大功率、變負載、遠距離功率傳輸和控制的特點，其推進系統采用液壓系統實現功率傳輸、分配和控制[3]。
由於盾構推進系統工作環境惡劣，工作空間有限，要求控制系統的閥塊采用集成技術，具有高可靠性。主要介紹了推進系統閥組試驗臺的工作原理和設計計算，為推進系統閥組的性能測試提供了壹個測試平臺。
1推進液壓系統閥塊試驗臺的原理設計
為了測試所設計的推進系統閥組的性能，根據閥組的測試要求，設計了1試驗臺。該試驗臺可實現以下試驗:1)閥塊密封性能試驗；2)比例壓力閥調壓性能試驗；3)比例流量閥調速性能試驗；4)液控單向閥保壓性能試驗；5)插裝閥控制測試。
圖1是所設計的推進系統閥組試驗臺的示意圖。圖中數字12 ~ 22為待測推進系統集成閥組示意圖。推進液壓系統采用帶電動比例溢流閥的恒壓變量泵作為動力源，同時向四個分區供油。由於分區控制，四個分區只是屏蔽段分布位置不同，其控制方式和工作原理完全相同[4]。如圖，比例溢流閥14調節液壓缸的推進壓力，與壓力傳感器檢測到的壓力形成壓力閉環反饋控制，實時控制推進壓力；比例調速閥22調節進入系統的流量，並與液壓缸內置位移傳感器檢測的位移形成速度閉環反饋控制，實時控制推進速度。插裝閥12和兩位三通電磁換向閥13可以使比例調速閥22短路，實現液壓缸的快速運動，從而減少液壓油進入液壓缸時沿途的壓力損失。采用插裝閥21和兩位三通電磁換向閥15實現推進液壓缸的快速後退，減少液壓油的回流阻力。三位四通電磁換向閥20用於完成工作狀態的切換，可以實現推進液壓缸的前進、後退和停止狀態。溢流閥18用於實現系統過載保護。在推進的瞬間，液壓缸的進油口會出現瞬間過載。此時溢流閥18會立即打開形成短路，進油和回油回路自循環，使過載油路得到緩沖。采用兩位兩通電磁換向閥17實現故障停機時液壓缸的卸載和維護，可以減少卸載時的壓力沖擊。兩位兩通電磁換向閥17前面的阻尼孔可以防止兩位兩通電磁換向閥17空載時的壓力沖擊。插裝閥12和21前的阻尼孔用於調節插裝閥的開啟速度，改變插裝閥的靜動態特性，減小液壓沖擊。阻尼孔直徑根據經驗值壹般為0.8~2.5 mm。
根據推進系統集成閥組的工作原理，試驗臺系統的測試原理和方法如下:
(1)首先給試驗閥組加壓，檢查閥組的密封性能，檢查閥組回路是否暢通。
⑵將二位四通閥7置於左側，三位四通閥20置於左側，比例調速閥22置於最大開度，節流閥11置於壹定開度，啟動液壓泵，調節比例溢流閥14。閥塊比例溢流閥的調節功能是否正常，可以通過讀取壓力表來檢查。
⑶將二位四通換向閥7置於左側，三位四通換向閥20置於左側，比例溢流閥調至最大，加載節流閥11調至最大開度，啟動液壓泵，調節比例速度控制閥22。閥塊比例調速閥的調節功能是否正常，可以通過讀取壓力表來檢查。
(4)將二位四通換向閥7設置在正確位置，啟動液壓泵，關閉比例調速閥22，關閉加載節流閥11，給閥組加壓到壹定值，關閉液壓泵，檢測液控單向閥16和插裝閥21的保壓性能。通過打開加載節流閥11，可以同時檢測三位四通換向閥20的密封性。通過調整安全閥18，可以檢測安全閥18的過載和卸載能力。給二位二通換向閥17通電，檢測是否有壓力沖擊聲，以便選擇合適的阻尼孔，減少壓力沖擊。
5]將二位四通換向閥7置於左側，三位四通換向閥20置於右側，比例溢流閥14置於最大壓力，比例調速閥22和加載節流閥11置於開度，啟動液壓泵，打開和關閉二位三通換向閥13和15。可以通過讀取壓力表來檢查閥門。
2測試系統主要參數的計算
根據推進系統的要求，試驗系統壓力應大於或等於推進系統的設計壓力。推進系統最大工作壓力為21.5 MPa，因此試驗系統壓力為22 MPa。
2.1系統流量測定
推動系統執行機構的液壓缸尺寸為φ200/φ160×1 900mm，系統要求各區域液壓缸最大速度v為1.4 m/min，其中下部區域有10個液壓缸，要求流量為
上區有6個液壓缸，要求流量為95L/min。左右兩區各有8個液壓缸，所需流量為126.6 L/min。
該測試系統主要測試推進系統集成閥組的壓力控制性能。流量控制性能可以模擬上部區域6個推進液壓缸的流量控制性能，因此確定系統流量為95 L/min。
2.2主驅動泵的參數計算和選擇
根據計算的流量和系統壓力選擇主驅動液壓泵。選擇時，泵的額定流量應相當於計算所需的流量，不應超過太多。但是泵的額定壓力可以是系統工作壓力的25%或更高。根據泵流量公式，泵的排量為
式中:VG——液壓泵的理論排量(mL/r)
q 1-系統所需流量(升/分鐘)，Q1 = 95升/分鐘。
n-電機轉速(轉/分)，n =1 500轉/分。
ηv——液壓泵的容積效率，ηv=0.9。
根據計算，液壓泵采用德國力士樂，型號為A10VO71DR。該泵是壹種變量泵，用於開式系統。額定壓力28 MPa，峰值壓力35 MPa，理論排量71 mL/r，能夠滿足系統的工作要求。
2.3電機功率計算和選擇
根據公式，電機功率為
式中:n——所需電機功率(kW)
qp-泵的額定流量(升/分鐘)
VG-泵的排量(ml/r mL/r)，Vg=71 mL/r/r。
n-電機轉速(轉/分)，n =1 500轉/分。
ηm-泵的機械效率，ηm=0.9。
ηV-泵的容積效率，ηv=0.9。
△p-系統壓差(MPa)，△p =22 MPa。
根據計算，選用ABB公司的Y2- 250M- 4- B35電機，功率為55 kW，滿足系統要求。
2.4燃油箱設計
燃油箱采用開放式燃油箱，箱內液位與大氣相通。油箱頂部裝有空氣濾清器，同時也用作加油口。油箱的有效容積壹般為泵每分鐘流量的3 ~ 7倍，泵每分鐘流量為
油箱的有效容積應為95.8×7=670.6 L，如果有效容積為80%，則油箱總容積為840 L。可以初步確定油箱的三邊尺寸為1000mm×1000mm×850mm。
2.5輔助部件的計算和選擇
過濾器是液壓系統中的重要部件。能消除液壓油中的汙染物，保持油的清潔度，保證系統元件的可靠性。根據其要求，系統壓力管道過濾器為溫州黎明公司的ZU- H250×10DFP。
根據油箱有效容積670.6 L，系統最大流量95 L/min，選用黎明公司的過濾器EF7- 100。燃油流量為110 L/min，空氣流量為1 055 L/min。根據吸油管流速v為0.5 ~ 1.5 m/s，確定吸油管內徑；
取標準軟管直徑ф50mm，即可滿足要求。
根據液壓油管道流速v為4 ~ 7 m/s，確定液壓油管道內徑；
標準軟管直徑ф19mm可以滿足要求。
泵站和試驗臺的三維設計和實體圖
為了提高系統設計的準確性，以及試驗臺系統各部件整體裝配的緊湊性和緊密性，利用三維參數化設計軟件Pro/E建立的三維實體可以完整地再現各物理部件的真實特征，從而方便直觀地進行實體的虛擬裝配和運動分析。通過觀察裝配體的各個部分，檢查設計的正確性、合理性和準確性，從而在設計階段發現和解決各種問題，提高設計效率[5]。圖2為Pro/E設計的系統泵站和試驗臺的三維布局圖，圖3為待測試的推進系統集成閥塊圖，圖4為推進系統集成閥塊試驗臺。
4調試結果及現場推廣
通過在試驗臺上的調試，發現集成閥塊與各部件之間的密封性能良好，回路暢通。可在22 MPa的系統工作壓力下長期工作，可承受最大峰值壓力35 MPa，滿足系統的密封性能要求。通過調節比例閥放大板的電流，比例調速閥和比例溢流閥可在0 ~ 100%的標定範圍內無級調速，也能滿足系統的工作要求。同時，插裝閥的通斷功能、溢流閥的過載卸載能力和換向閥的壓力沖擊都滿足設計要求。
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