Rexroth A4VSG Axial Piston Variable Displacement Pump in TBM Hydraulic Systems: Soluções de Aplicação Inovadoras

1Introdução: Requisitos fundamentais dos sistemas hidráulicos TBM

Na construção moderna de túneis, as máquinas de perfuração de túneis (TBM) servem como equipamento crítico cujo desempenho determina directamente a eficiência e a qualidade do projecto.Funcionando como o "coração" de um TBM, alimenta funções essenciais, incluindo impulso, motor de cabeça de corte e ereção de segmento.As bombas de deslocamento variável de pistão axial da série Rexroth A4VSG tornaram-se a fonte de energia hidráulica preferida pelos fabricantes globais de TBM devido ao seu desempenho e confiabilidade excepcionais.

Desde o seu desenvolvimento em meados do século XX, a tecnologia de bomba de pistão axial tornou-se um componente chave insubstituível em sistemas hidráulicos de alta pressão.Em comparação com as bombas de engrenagem e bombas de veleiras tradicionais, as bombas a pistão axial de deslocamento variável oferecem vantagens significativas, incluindo alta pressão de trabalho, eficiência volumétrica,e uma ampla gama de regulação de caudal, tornando-os particularmente adequados para aplicações exigentes de TBM.

2Características técnicas das bombas de pistão axial de deslocamento variável Rexroth A4VSG

2.1 Conceito inovador de conceção

A série Rexroth A4VSG possui um projeto de deslocamento variável de pistão axial do tipo swashplate que consegue um ajuste de deslocamento sem passos alterando o ângulo da swashplate.Este projeto permite que a bomba ajuste automaticamente o fluxo de saída de acordo com as demandas do sistema, mantendo a velocidade de rotação constantePara equipamentos como os TBMs com cargas altamente variáveis, a utilização de um sistema de transmissão de potência de alta precisão permite a obtenção de uma correlação precisa de potência.Esta característica das bombas de deslocamento variável de pistão axial melhora significativamente a eficiência de utilização de energia.

2.2 Parâmetros essenciais de desempenho

· Intervalo de pressão de trabalho: Máximo de 400 bar, funcionamento contínuo a 350 bar, satisfazendo os requisitos hidráulicos de alta pressão dos TBM

· Faixa de deslocamento: 28-1000 ml/rev, cobrindo as necessidades de potência para várias especificações do TBM

· Eficiência volumétrica: Até 98%, minimizando a perda de energia

· Controle do ruído: O projeto optimizado do pistão e da sapatilha mantém o ruído operacional abaixo de 80 dB

2.3 Projeto de melhoria da fiabilidade

Abordando a necessidade de operação contínua em TBMs, a bomba de pistão axial A4VSG incorpora múltiplas tecnologias que aumentam a confiabilidade:

· Casas de ferro fundido nodular de alta resistência com excelente resistência a impactos e vibrações

· Pistões cromados duros e cilindros especialmente tratados para uma resistência superior ao desgaste

· Disposição de rolamentos otimizada que prolonga a vida útil

• Interfaces integradas de sensores de temperatura e pressão para a monitorização da condição

3Arquitetura do sistema hidráulico TBM e posicionamento de aplicações A4VSG

3.1 Composição típica do sistema hidráulico TBM

Os sistemas hidráulicos TBM modernos consistem tipicamente nos seguintes subsistemas:

· Sistema de propulsão principal: Fornece potência de propulsão para a frente

· Sistema de accionamento da cabeça de corte: Alimenta a roda de corte giratória

· Sistema de erecção de segmentos: controla com precisão os manipuladores de instalação de segmentos

· Sistemas auxiliares: Inclui funções de colagem, transporte de lama e outras funções de apoio

Dentre estes subsistemas, as bombas a pistão axial de deslocamento variável servem principalmente os sistemas de tração de empuxo principal e de cabeça de corte que têm as maiores exigências de potência.

3.2 Soluções típicas de configuração A4VSG para MTT

As soluções de configuração para bombas de pistão axial A4VSG variam de acordo com o diâmetro do TBM e as condições geológicas:

- Não.Solução TBM de diâmetro pequeno/médio (abaixo de φ6m)- Não.

· Sistema de tração principal: bombas de pistão axial 2×A4VSG 250 com controlo de detecção de carga

· Motor de cabeça de corte: 1 × A4VSG 500 bomba de pistão axial com controlo de potência constante

· Potência total: aproximadamente 500-800 kW

- Não.Solução TBM de grande diâmetro (acima de φ6m)- Não.

· Sistema de empuxo principal: bombas de pistão axial 4×A4VSG 355 com controlo de pressão zonado

· Motor de cabeça de corte: 2 × A4VSG 750 bombas de pistão axial com frequência variável + controlo de composto de potência constante

· Potência total: 1200-2000 kW

4Principais vantagens técnicas das bombas de pistão axial A4VSG em TBM

4.1 Controle preciso da força de empurrão

A propulsão do TBM requer ajuste em tempo real da força de empuxo e velocidade de acordo com as condições geológicas.As bombas de pistão axial A4VSG equipadas com controlo proporcional electrónico (controlo HD) ou controlo de detecção de carga (controlo DA) permitem:

· Precisão da velocidade de propulsão até 0,1 mm/s

· Ajuste independente da pressão para grupos de cilindros múltiplos

· Correcção automática do desvio para manter a precisão do eixo de túnel

4.2 Combinação eficiente da potência

Os sistemas tradicionais de bomba de deslocamento fixo desperdiçam uma quantidade significativa de energia durante a operação do TBM a baixa carga.As bombas de deslocamento variável de pistão axial A4VSG conseguem-se através de controlo de potência constante ou controlo de detecção de carga:

· Economia de energia superior a 30%

· Redução do aumento da temperatura do óleo hidráulico, prolongando a vida útil do fluido

· Redução da carga do sistema de arrefecimento

4.3 Adaptabilidade à geologia complexa

Para diferentes condições geológicas (sol macio, cascalho, rocha, etc.), as bombas de pistão axial A4VSG podem ajustar rapidamente os parâmetros de funcionamento:

· Estrato de solo mole: baixa pressão, modo de fluxo elevado

· Estrato de rocha dura: Alta pressão, baixo caudal

· Estrato misto: Troca automática de modo

5Tecnologia de controlo inteligente para A4VSGBombas de pistão axial

5.1 Integração do sistema de controlo electrónico

As modernas bombas de pistão axial A4VSG podem integrar várias opções de controle eletrônico:

· Controle proporcional do solenoide: Permite o ajuste preciso do deslocamento

· Interface de autocarro CAN: Conexão perfeita com o sistema de controlo principal do TBM

· Interface de monitorização da condição: Feedback em tempo real dos parâmetros de funcionamento da bomba

5.2 Funções inteligentes de diagnóstico de falhas

Ao monitorizar os parâmetros-chave das bombas de pistão axial, podem ser obtidos avisos precoces de falhas:

· Sensores de vibração detectam a condição do rolamento

· Análise de pulsação de pressão identifica desgaste do pistão

· A monitorização da temperatura prevê a vida útil das focas

5.3 Aplicação da tecnologia digital gêmea

A comparação dos dados operacionais da bomba de pistão axial A4VSG com os modelos digitais permite:

· Previsão da tendência de degradação do desempenho

· Avaliação da vida residual

· Determinação do tempo de manutenção ideal

6Casos típicos de aplicação em engenharia

6.1 Caso 1: Projeto de túnel de metro urbano

Parâmetros do projecto:

· Diâmetro do TBM: 6,28 m

· Comprimento do túnel: 3,2 km

• Condições geológicas: alternar camadas de solo mole e cascalho

Configuração do sistema hidráulico:

· Propulsão principal: bombas de pistão axial 3×A4VSG 355

· Motor de cabeça de corte: 2 × A4VSG 500 bombas de pistão axial

Resultados da operação:

· A taxa média de adiantamento atingiu 12 m/dia

· Zero falhas do sistema hidráulico

· 28% de poupança de energia em comparação com os sistemas convencionais

6.2 Caso 2: Projeto de túnel fluvial

Desafios do projecto:

· Alta pressão de água (0,6 MPa)

· Construção de túneis de longa distância (5,8 km)

· Geologia complexa (sol mole, zonas de fracturas rochosas)

Solução:

· Projeto redundante utilizando bombas de pistão axial A4VSG

· Configuração inteligente do sistema de compensação de pressão

· Implementação de monitorização remota da condição

Realizações do projecto:

· estabelecer um recorde mensal de 456 metros

· A fiabilidade do sistema hidráulico atingiu 99,98%

· Recebeu o prémio de inovação tecnológica do proprietário

7Guia de manutenção e resolução de problemas

7.1 Pontos de manutenção de rotina

Para assegurar um desempenho óptimo da bomba de pistão axial A4VSG em aplicações de TBM:

· Verificar a limpeza dos fluidos a cada 500 horas (ISO 4406 18/16/13)

· Inspeccionar o filtro de sucção da bomba a cada 1000 horas

· Teste da eficiência volumétrica da bomba a cada 2000 horas

· Verificar regularmente o alinhamento do acoplamento e a vibração do tubo

7.2 Resolução comum de problemas

- Não.Questão 1: Fluxo de produção insuficiente- Não.
Possíveis causas:

· Mecanismo de regulação da placa de suporte

· Pressão de controlo insuficiente

· Desgaste do pistão

Soluções:

· Verificar a pressão do circuito de controlo

· Teste a liberdade de movimento da placa de espada

· Medir a distância entre o pistão e o bloco do cilindro

- Não.Questão 2: Ruído anormal- Não.
Possíveis causas:

· Cavitação devido a sucção insuficiente

· Danos causados

· Desgaste dos chinelos de pistão

Soluções:

· Inspeccionar o filtro de sucção

· Espectro de vibração do monitor

· Desmontar para examinar pares de atrito críticos

8. Tendências de Desenvolvimento Futuro e Perspectivas tecnológicas

8.1 Direcções de desenvolvimento da tecnologia das bombas de pistão axiais

· Pressão nominal mais elevadaObjectivo: 450 bar de funcionamento contínuo

· Controle adaptativo inteligenteOptimização de parâmetros de auto-aprendizagem com base nas condições de funcionamento

· Aplicações de novos materiais: pistões de cerâmica, rolamentos de compósitos, etc.

· Desenhos mais compactosDensidade de potência 30% superior

8.2 Inovações do sistema hidráulico da TBM

· Sistemas de energia híbrida: Combinação de bombas de pistão axial e motores elétricos de cilindros

· Tecnologia de recuperação de energia: Utilização do A4VSG no modo motor para recuperar a energia de travagem

· Sistemas elétricos-hidráulicos completos: Eliminação da hidráulica piloto com controlo electrónico completo

9Conclusão

A bomba de deslocamento variável de pistão axial Rexroth A4VSG tornou-se o componente de potência central nos sistemas hidráulicos modernos TBM devido à sua eficiência de alta pressão, controle inteligente,e durabilidade confiávelAtravés de um design otimizado e aplicações de tecnologia de controlo inteligente,O A4VSG não só cumpre os rigorosos requisitos operacionais do TBM, mas também demonstra um desempenho excepcional em conservação de energia e manutenção inteligente.

À medida que a construção de túneis progride para projetos mais profundos, mais longos e geologicamente mais complexos,A tecnologia de bomba de pistão axial continuará a inovar para fornecer soluções de potência mais poderosas e inteligentes aos TBMsComo líder mundial em tecnologia hidráulica, a Rexroth continua comprometida em avançar no desenvolvimento de bombas de pistão axial, conduzindo os sistemas hidráulicos TBM para uma maior eficiência, inteligência,e sustentabilidade ambiental.