Rexroth A4VSG Axial Piston Variable Displacement Pump trong hệ thống thủy lực TBM: Giải pháp ứng dụng sáng tạo

1. giới thiệu: Yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy lực TBM

Trong xây dựng đường hầm hiện đại, máy khoan đường hầm (TBM) phục vụ như là thiết bị quan trọng mà hiệu suất của nó trực tiếp quyết định hiệu quả và chất lượng của dự án.hoạt động như "trái tim" của TBM, năng lượng các chức năng cốt lõi bao gồm đẩy, cutterhead drive, và segment erection.Các máy bơm trục trục trục trục A4VSG của Rexroth đã trở thành nguồn điện thủy lực ưa thích cho các nhà sản xuất TBM toàn cầu do hiệu suất và độ tin cậy vượt trội của họ.

Kể từ khi phát triển vào giữa thế kỷ 20, công nghệ bơm piston trục đã trở thành một thành phần chính không thể thay thế trong các hệ thống thủy lực áp suất cao.So với máy bơm bánh răng truyền thống và máy bơm cánh quạt, máy bơm piston trục biến động cung cấp những lợi thế đáng kể bao gồm áp suất làm việc cao, hiệu suất thể tích,và phạm vi điều chỉnh dòng chảy rộng ◄ làm cho chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng TBM đòi hỏi.

2- Đặc điểm kỹ thuật của máy bơm axis Rexroth A4VSG

2.1 Khái niệm thiết kế sáng tạo

Dòng Rexroth A4VSG có thiết kế dịch chuyển piston trục theo kiểu swashplate đạt được điều chỉnh dịch chuyển không bước bằng cách thay đổi góc của swashplate.Thiết kế này cho phép máy bơm tự động điều chỉnh dòng chảy đầu ra theo nhu cầu của hệ thống trong khi duy trì tốc độ xoay liên tụcĐối với các thiết bị như TBM với tải trọng biến động cao,đặc điểm này của các máy bơm piston trục biến động di dời cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng.

2.2 Các thông số hiệu suất chính

· Phạm vi áp suất làm việc: Tối đa 400 bar, hoạt động liên tục ở 350 bar, đáp ứng các yêu cầu thủy lực áp suất cao của TBM

· Phạm vi dịch chuyển: 28-1000 ml/rev, bao gồm các yêu cầu về công suất cho các thông số kỹ thuật TBM khác nhau

· Hiệu suất khối lượng: Tối đa 98% giảm thiểu mất năng lượng

· Kiểm soát tiếng ồn: Thiết kế piston và slipper được tối ưu hóa giữ tiếng ồn hoạt động dưới 80 dB

2.3 Thiết kế tăng độ tin cậy

Để giải quyết nhu cầu hoạt động liên tục trong TBM, máy bơm piston trục A4VSG kết hợp nhiều công nghệ tăng độ tin cậy:

· Nhà sắt đúc nốt có độ bền cao với khả năng chống va chạm và rung động tuyệt vời

· Máy bít được mạ cứng và lỗ ống xăng được xử lý đặc biệt để chống mài cao hơn

· Cấu trúc vòng bi tối ưu hóa kéo dài tuổi thọ

· Giao diện cảm biến nhiệt độ và áp suất tích hợp để theo dõi tình trạng

3Kiến trúc hệ thống thủy lực TBM và vị trí ứng dụng A4VSG

3.1 Thành phần hệ thống thủy lực TBM điển hình

Hệ thống thủy lực TBM hiện đại thường bao gồm các hệ thống con sau:

· Hệ thống đẩy chính: cung cấp sức đẩy phía trước

· Hệ thống lái đầu cắt: Điện cho bánh cắt xoay

· Hệ thống lắp đặt phân đoạn: Điều khiển chính xác các bộ điều khiển lắp đặt phân đoạn

· Hệ thống phụ trợ: Bao gồm ghép, vận chuyển bùn và các chức năng hỗ trợ khác

Trong số các hệ thống con này, máy bơm piston trục biến động chủ yếu phục vụ các hệ thống đẩy chính và đầu cắt có nhu cầu công suất cao nhất.

3.2 Giải pháp cấu hình A4VSG điển hình cho TBM

Các giải pháp cấu hình cho máy bơm piston trục A4VSG khác nhau tùy theo đường kính TBM và điều kiện địa chất:

‌Giải pháp TBM đường kính nhỏ/trung (dưới φ6m):

· Hệ thống đẩy chính: 2 × A4VSG 250 bơm piston trục với điều khiển cảm nhận tải

· Cutterhead drive: 1 × A4VSG 500 bơm piston trục với điều khiển năng lượng không đổi

· Tổng công suất: Khoảng 500-800 kW

‌Giải pháp TBM đường kính lớn (trên φ6m):

· Hệ thống đẩy chính: 4 × A4VSG 355 bơm piston trục với điều khiển áp suất theo vùng

· Cutterhead drive: 2 × A4VSG 750 bơm piston trục với tần số biến đổi + điều khiển hỗn hợp công suất không đổi

· Tổng công suất: 1200-2000 kW

4Ưu điểm kỹ thuật chính của máy bơm piston trục A4VSG trong TBM

4.1 Kiểm soát lực đẩy chính xác

Động cơ TBM đòi hỏi phải điều chỉnh thời gian thực lực đẩy và tốc độ theo điều kiện địa chất.Máy bơm piston trục A4VSG được trang bị điều khiển tỷ lệ điện tử (điều khiển HD) hoặc điều khiển cảm biến tải (điều khiển DA) cho phép:

· Độ chính xác tốc độ đẩy đến 0,1 mm/s

· Điều chỉnh áp suất độc lập cho nhiều nhóm xi lanh

· Điều chỉnh độ lệch tự động để duy trì độ chính xác trục đường hầm

4.2 Phù hợp năng lượng hiệu quả

Các hệ thống bơm cố định truyền thống lãng phí năng lượng đáng kể trong quá trình vận hành TBM với tải trọng thấp.Máy bơm piston trục A4VSG có thể đạt được thông qua điều khiển công suất không đổi hoặc điều khiển cảm biến tải:

· Tiết kiệm năng lượng hơn 30%

· Giảm tăng nhiệt độ dầu thủy lực, kéo dài tuổi thọ của chất lỏng

· Giảm tải hệ thống làm mát

4.3 Khả năng thích nghi với địa chất phức tạp

Đối với các điều kiện địa chất khác nhau (đất mềm, sỏi, đá, v.v.), máy bơm piston trục A4VSG có thể điều chỉnh nhanh các thông số hoạt động:

· Lớp đất mềm: Áp suất thấp, chế độ dòng chảy cao

· Lớp đá cứng: Áp suất cao, dòng chảy thấp

· Lớp hỗn hợp: Chuyển chế độ tự động

5Công nghệ điều khiển thông minh cho A4VSGMáy bơm piston trục

5.1 Tích hợp hệ thống điều khiển điện tử

Máy bơm piston trục A4VSG hiện đại có thể tích hợp nhiều tùy chọn điều khiển điện tử:

· Kiểm soát điện điện tương xứng: Cho phép điều chỉnh độ dịch chuyển chính xác

· Giao diện bus CAN: Kết nối liền mạch với hệ thống điều khiển chính TBM

· Giao diện giám sát tình trạng: Phản hồi thời gian thực về các thông số hoạt động của máy bơm

5.2 Chức năng chẩn đoán lỗi thông minh

Bằng cách theo dõi các thông số chính của máy bơm piston trục, cảnh báo lỗi sớm có thể đạt được:

· Cảm biến rung cảm nhận tình trạng vòng bi

· Phân tích xung áp suất xác định sự mòn của piston

· Kiểm tra nhiệt độ dự đoán tuổi thọ con hải cẩu

5.3 Ứng dụng công nghệ sinh đôi kỹ thuật số

So sánh dữ liệu hoạt động của máy bơm piston trục A4VSG với các mô hình kỹ thuật số cho phép:

· Dự đoán xu hướng suy giảm hiệu suất

· Đánh giá tuổi thọ

· Xác định thời gian bảo trì tối ưu

6Các trường hợp ứng dụng kỹ thuật điển hình

6.1 Trường hợp 1: Dự án đường hầm tàu điện ngầm đô thị

Các thông số dự án:

· Độ kính TBM: 6,28 m

· Chiều dài đường hầm: 3,2 km

· Điều kiện địa chất: Lớp đất mềm và sỏi xen kẽ

Cấu hình hệ thống thủy lực:

· Động lực chính: 3 × A4VSG 355 bơm piston trục

· Cutterhead drive: 2 × A4VSG 500 máy bơm piston trục

Kết quả hoạt động:

· Tỷ lệ tiền mặt trung bình đạt 12 m/ngày

· Không có lỗi hệ thống thủy lực

· Tiết kiệm năng lượng 28% so với các hệ thống thông thường

6.2 Trường hợp 2: Dự án đường hầm băng qua sông

Thách thức của dự án:

· Áp suất nước cao (0,6 MPa)

· Đường hầm đường dài (5,8 km)

· Địa chất phức tạp (đất mềm, khu vực gãy đá)

Giải pháp:

· Thiết kế dư thừa sử dụng máy bơm piston trục A4VSG

· Cấu hình hệ thống bù áp thông minh

· Thực hiện giám sát tình trạng từ xa

Thành tựu của dự án:

• Thiết lập kỷ lục hàng tháng là 456 mét

· Độ tin cậy hệ thống thủy lực đạt 99,98%

· Nhận giải thưởng đổi mới công nghệ của chủ sở hữu

7. Hướng dẫn bảo trì và khắc phục sự cố

7.1 Các điểm bảo trì thông thường

Để đảm bảo hiệu suất máy bơm piston trục A4VSG tối ưu trong các ứng dụng TBM:

· Kiểm tra độ sạch của chất lỏng mỗi 500 giờ (ISO 4406 18/16/13)

· Kiểm tra bộ lọc hút bơm mỗi 1000 giờ

· Kiểm tra hiệu suất khối lượng của máy bơm mỗi 2000 giờ

· Kiểm tra thường xuyên sự sắp xếp nối và rung động đường ống

7.2 Giải quyết sự cố chung

‌Vấn đề 1: Lưu lượng sản xuất không đủ‌
Nguyên nhân có thể:

· Thiết bị điều chỉnh thanh thép dính

· Ít áp suất điều khiển

· Mất bơm

Giải pháp:

· Kiểm tra áp suất mạch điều khiển

· Kiểm tra sự tự do di chuyển của thanh kiếm

· Đo độ trống của piston/cylinder block

‌Vấn đề 2: Tiếng ồn bất thường‌
Nguyên nhân có thể:

· Cavitation do hút không đủ

· Đánh thiệt hại

· Xỉa giày chân bông

Giải pháp:

· Kiểm tra bộ lọc hút

· Phạm vi rung động của màn hình

· Tháo rời để kiểm tra các cặp ma sát quan trọng

8. Xu hướng phát triển trong tương lai và Khảo sát công nghệ

8.1 Hướng phát triển công nghệ bơm piston trục

· Năng lượng áp suất cao hơn: Mục tiêu hoạt động liên tục 450 bar

· Điều khiển thích nghi thông minh: Tối ưu hóa tham số tự học dựa trên điều kiện hoạt động

· Ứng dụng vật liệu mới: Piston gốm, vòng bi hợp chất, vv

· Thiết kế nhỏ gọn hơn: 30% mật độ năng lượng cao hơn

8.2 TBM Hệ thống thủy lực đổi mới

· Hệ thống điện lai: Máy bơm piston trục và động cơ điện

· Công nghệ phục hồi năng lượng: Sử dụng A4VSG trong chế độ động cơ để phục hồi năng lượng phanh

· Hệ thống điện thủy lực đầy đủ: Loại bỏ thủy lực điều khiển với điều khiển điện tử hoàn toàn

9Kết luận

Bơm biến động axis Rexroth A4VSG đã trở thành thành phần năng lượng cốt lõi trong các hệ thống thủy lực TBM hiện đại do hiệu quả áp suất cao, điều khiển thông minh,và độ bền đáng tin cậyThông qua thiết kế tối ưu và ứng dụng công nghệ điều khiển thông minh,A4VSG không chỉ đáp ứng các yêu cầu vận hành TBM nghiêm ngặt mà còn thể hiện hiệu suất đặc biệt trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo trì thông minh.

Khi việc xây dựng đường hầm tiến tới các dự án sâu hơn, dài hơn, và phức tạp hơn về mặt địa chất,công nghệ bơm piston trục sẽ tiếp tục đổi mới để cung cấp cho TBM các giải pháp điện mạnh mẽ và thông minh hơnLà một nhà lãnh đạo toàn cầu trong công nghệ thủy lực, Rexroth vẫn cam kết thúc đẩy sự phát triển bơm piston trục, lái xe hệ thống thủy lực TBM hướng tới hiệu quả cao hơn, thông minh,và bền vững môi trường.