盾构机推进液压系统仿真分析 - 文章

盾构机推进液压系统仿真分析

作者：浙江大学龚国芳余佑官胡国良

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摘要：推进系统是盾构机的关键系统之一。本文阐述了盾构机推进液压系统的原理。利用AMESim仿真工具对该系统进行了仿真。仿真结果表明常规压力控制会引起流量的剧烈波动，常规流量控制又会引起压力波动，而压力流量复合控制方式既可以进行压力闭环控制又可是进行流量闭环控制，从而减小压力和流量的波动，达到对推进压力和推进速度的实时控制的目的。
关键词：盾构机，推进液压系统，压力流量复合控制；AMESim仿真

1. 前言

盾构掘进机是一种用于地下隧道工程开挖的复杂机电系统，具有开控切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，比之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势，有着良好的综合效益。

推进系统承担着整个盾构机械的顶进任务，要求完成盾构掘进机的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动，使得盾构掘进机能沿着事先设定好的路线前进，是盾构机的关键系统之一。

考虑到盾构掘进机具有大功率、变负载和动力远距离传递及控制特点，其推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配及控制。

本文针对盾构推进液压系统的工况要求采用AMESim 仿真工具进行了系统的相关分析研究。仿真结果对实际系统的设计具有重要意义。

2 推进液压系统原理介绍

盾构机推进液压系统原理图如图 1 所示。比例溢流阀 3 调节液压缸压力，达到压力控制；比例调速阀14 来调节进入系统的流量，达到速度控制；三位四通电磁阀 12 实现推进缸的推进、后退和停止状态；插装阀 1 可以为推进油缸的快速运动时提供快速流通通道，减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装 13可以实现为推进缸快速退回提供快速流通通道，减小液压油回程阻力。溢流阀 10 可以对系统起缓冲作用，当液压缸进行推进的瞬间进油口会出现瞬时的过载，这样溢流阀就会立即开启形成短路，使进、回油路自循环，过载油液得到缓冲；二位二通阀 7 通电可以对故障中液压缸进行卸载检修，减小卸载中的压力冲击。阻尼孔用来调节插装阀的开启速度，改变插装阀的静动特性和减小液压冲击，同时可防止二位二通阀 7 卸载时产生的压力冲击。阻尼孔的直径范围一般为 0.8～2.5mm。

3 推进液压系统仿真分析

3.1 仿真模型

盾构推进时，系统的插装阀 1 处于关闭状态，三位四通阀 12 置于右位，液压油通过比例调速阀 14 和三位四通阀 12 流入液压缸无杆腔，有杆腔液压油通过三位四通阀 12 和比例溢流阀 1 流回油箱。当盾构掘进时，插装阀 1 打开，三位四通阀 12 置于左位，液压油流入液压缸有杆腔，使油缸回退。通过比例液流阀和比例调速阀来设定系统的压力和调节系统的速度。为简化分析且便于仿真的进行可以省略插装阀 1，插装阀 13 和三位四通阀 12，得到简化原理图如图 2 所示。

利用AMESim建立系统简化的仿真原理模型图如图 3 所示。液压输入取恒压输入模型PRSEC，作为执行元件的液压缸选用系统模型HJ010，管道选用系统HL000[5]。由于AMESim软件自身没有带比例调速模型阀和比例压力阀模型，故利用HCD（液压元件设计模块）建立其HCD模型如图 3 所示。

仿真时压力达到设定 8.5Mpa 时，负载速度从 0载速度上升到 0.001mm/s，负载力设定为常数：12361N。

3.1.1 推进压力开环控制仿真

流量阀的流量设定为 11.4L/min ，压力阀为10.5Mpa，当液压缸压力达到 8.5Mpa 时负载速度从 0上升到 0.001m/s。压力阀在 100s 时调节为 10.5Mpa，200s 时调节到 9.0Mpa。图4为调整压力时液压缸压力图和流量曲线图。其中 1＃曲线为液压缸压力变化曲线，2＃曲线为液压缸流量变化曲线。

图4 调整压力时液压缸压力和流量曲线

压力上调时，液压缸速度出现上升的较大波动，直到压力达到调压阀设定的新压力值。压力下调时，液压缸速度出现下降较大的波动直到压力达到调压阀设定的新压力值。因此，液压缸调节压力时应缓慢进行，防止缸速度变化太大。

3.1.2 推进流量开环控制仿真

流量阀的流量设定为 11.4L/min ，压力阀为10.5Mpa，当压力达到设定值 8.5Mpa 后负载速度从 0上升到 0.001m/s。流量阀在 100s 时调节为 11.4L/min，200s 时调节到 5.7L/min。负载速度在 100s 时调节为0.0005m/s，200s 时调节为 0.001m/s。图 5 为调整流量时液压缸压力和流量曲线图。其中 1＃曲线为液压缸压力变化曲线，2＃曲线为液压缸流量变化曲线。

上调流量时，液压缸速度上升波动，压力有微小变化。下调流量时，液压缸速度下降波动，压力已有微小变化。液压缸压力微小变化取决于比例溢流阀溢流量的变化。

从图 4 和图 5 的仿真结果可以看到，单纯的压力控制会引起流量波动，单纯的流量控制又会引起压力的波动，两者都不能达到很好的控制效果。

3.2 压力流量复合闭环控制方式

为了实现压力流量复合闭环控制，采用以下控制原理。分别对液压缸的压力流量信号进行采集反馈，比例压力阀作为压力流量复合控制的主要执行元件，比例流量阀实现流量大致范围的控制，提供液压缸正常推进和比例压力阀稳定溢流所必需的流量，如图 6所示。

复合控制采用内环流量闭环控制，外环压力闭环控制，为了减小流量最大波动量在压力闭环PID控制后增加一个阈值控制器，通过设定阈值就可以控制流量最大变化量。其中P为系统控制要求压力，QV为液压缸正常推进所需流量，QY为比例压力阀稳定溢流所需流量。

推进负载速度为斜坡输入，在30s内从0mm/min达到为60mm/min，流量阀的流量设定为QV＋QY＝20l/min，压力阀P为10Mpa，在150s时调节为9.0Mpa。分别调节阙值为1，2，3 可得推进液压缸压力曲线如图7所示，流量曲线如图8所示。

增加阈值可以增加压力回路控制时间，但是相应地增加了系统流量波动。减小阈值可以明显地减小了系统流量的波动，但是会增加了系统压力的控制时间。但和单纯的压力或流量控制相比较，压力和流量波动有了很大的改善，控制效果取得了明显的提高。

4 结论

仿真结果表明,盾构推进工况下常规压力控制会引起流量的剧烈波动，常规流量控制又会引起系统压力的波动。而压力流量复合控制方式可以既进行压力闭环控制又进行流量闭环控制，同时通过调整阈值的大小，可以不同程度上减少压力调节引起的液压缸的速度波动。

参考文献：
[1] 傅德明．隧道盾构掘进机技术和沉管法施工回顾及其展望[J]，工程技术进步 2001.5．
[2] 庄欠伟．土压平衡式盾构电液控制系统集成技术及其应用[D]，浙江大学硕士论文.
[3] 杨华勇，龚国芳．盾构掘进机及其液压技术的应用[J]．液压气动与密封，2004（1）：27～29.
[4] Hu Guoliang, Gong Guofang, Yang Huayong, etc. Electro-hydraulic Control System of Shield Tunnel Boring Machine for Simulator Stand[J], The Sixth International Conference on Fluid Power Transmission and Control (ICFP'2005), Hangzhou, China, April 5-8, 2005: 94-99.
[5] Imagine Company, AMESim 4.0 User Manual[M],France2002．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/22/2007)


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