基于AMESIM的盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真分析

殷佳洪，黃曉華

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種用于隧道開(kāi)挖的專(zhuān)用工程機(jī)械，具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開(kāi)挖時(shí)可控制地面沉降、減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開(kāi)挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，已經(jīng)成為城市隧道建設(shè)的首選設(shè)備。

盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的主要系統(tǒng)之一，整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)推力是靠液壓缸提供的，其前進(jìn)方向和姿態(tài)調(diào)整也是靠液壓缸之間的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)的正確控制液壓缸動(dòng)作是整個(gè)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。由于推進(jìn)系統(tǒng)既要滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)整體的推進(jìn)力要求，同時(shí)也要滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度和方向的要求，單純的壓力控制系統(tǒng)或者流量控制系統(tǒng)很難滿(mǎn)足其運(yùn)行要求，必須把兩者結(jié)合起來(lái)，形成壓力流量復(fù)合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的控制任務(wù)。因此，通過(guò)AMESIM對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模，研究其動(dòng)態(tài)性能，就成為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)控制的首要任務(wù)。

1 盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)承載著整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)任務(wù)，主要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)管片的拼裝曲線行進(jìn)以及姿態(tài)糾偏等功能。

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)組成

現(xiàn)以在德國(guó)海瑞克盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)為對(duì)象，進(jìn)行研究分析。其推進(jìn)系統(tǒng)主要由推進(jìn)油缸、恒壓變量泵站、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、電磁換向閥以及相關(guān)檢測(cè)元件等組成。整個(gè)系統(tǒng)由32個(gè)推進(jìn)油缸組成，分為16對(duì)（圖1）。

圖1 推進(jìn)油缸分布圖

推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)油缸數(shù)量較多，如果要對(duì)每個(gè)液壓缸都單獨(dú)進(jìn)行控制，不僅使得整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)很復(fù)雜，而且控制難度也很大，成本也會(huì)大大提高。所以文中盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)采用的是分區(qū)控制方式，從圖1可知，該推進(jìn)系統(tǒng)分為A，B，C，D四個(gè)分區(qū)，每個(gè)區(qū)裝有一個(gè)位移傳感器，然后對(duì)每個(gè)區(qū)進(jìn)行單獨(dú)控制，這樣不僅減小了控制難度也減小了成本，并且滿(mǎn)足控制要求。由于地下工作環(huán)境復(fù)雜，加上盾構(gòu)機(jī)自身重力以及運(yùn)行過(guò)程中土壓和水壓的作用，盾構(gòu)機(jī)下部在運(yùn)行過(guò)程中受到的摩擦力最大，并且為了防止盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生低頭現(xiàn)象，所以在四個(gè)分區(qū)中C區(qū)有5對(duì)推進(jìn)油缸，A區(qū)3對(duì)，B和D區(qū)都為四對(duì)。每對(duì)推進(jìn)油缸都裝有比例溢流閥和比例調(diào)速閥，分別進(jìn)行推進(jìn)油缸的壓力控制和速度控制。

1.2 推進(jìn)系統(tǒng)工作原理

盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)4組16對(duì)油缸組成，每一對(duì)油缸的工作原理基本相同，所以以其中一對(duì)推進(jìn)油缸來(lái)進(jìn)行分析研究，其工作原理如圖2所示。

圖2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)圖

盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)分為兩種工作模式:正常推進(jìn)模式和管片拼裝模式。正常推進(jìn)模式下，液壓油流經(jīng)恒壓變量泵口、過(guò)濾器12、壓力計(jì)11、比例調(diào)速閥10、三位四通閥8右位進(jìn)入推進(jìn)油缸無(wú)桿腔，推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，推進(jìn)速度由比例調(diào)速閥10控制，推進(jìn)壓力由比例溢流閥2控制;管片拼裝模式下，壓力油經(jīng)恒壓變量泵出口、插裝閥13、三位四通閥8左位進(jìn)入推進(jìn)油缸有桿腔控制液壓缸縮回，無(wú)桿腔液壓油經(jīng)插裝閥9回到油箱，其中系統(tǒng)壓力由比例溢流閥2控制，插裝閥9、13為液壓油提供了快速流通通道，使得推進(jìn)油缸能夠快速縮回。溢流閥7起到開(kāi)啟緩沖和過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)液壓缸剛開(kāi)始推進(jìn)的瞬間進(jìn)油口會(huì)有一個(gè)瞬間的高壓（和過(guò)載相似），溢流閥7就會(huì)開(kāi)啟，起到保護(hù)作用。二位二通閥6的作用是在推進(jìn)油缸需要檢修時(shí)，斷開(kāi)推進(jìn)油缸油路，使得液壓油直接返回油箱，提供一個(gè)安全的檢修環(huán)境。

2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型的建立

本文對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的仿真分析主要是研究該系統(tǒng)壓力和速度的控制特性，即對(duì)比例溢流閥、比例調(diào)速閥、推進(jìn)油缸以及負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。由于系統(tǒng)中的一些液壓元件如插裝閥、過(guò)濾器以及起過(guò)載保護(hù)的溢流閥對(duì)仿真結(jié)果的影響不大，為了便于仿真，對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖3所示，其中負(fù)載本文采用的是線性粘彈性模型以模擬盾構(gòu)機(jī)在地下挖掘過(guò)程中所受到的各種阻力。

圖3 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

2.1 比例溢流閥和比例調(diào)速閥模型

比例溢流閥是通過(guò)比例電磁鐵直接產(chǎn)生推力，推動(dòng)閥芯，由于作用在比例電磁鐵上的電壓是可以連續(xù)變化的，所以可以產(chǎn)生大小不同的推力，從而產(chǎn)生連續(xù)變化的液壓壓力。

比例調(diào)速閥是通過(guò)比例電磁鐵作用在閥芯上，帶動(dòng)閥心動(dòng)作，通過(guò)改變閥芯開(kāi)口的大小來(lái)改變液阻，從而控制流量的大小。本文采用的比例調(diào)速閥是由比例節(jié)流閥和定值減壓閥串聯(lián)而成的，在比例節(jié)流閥前面串聯(lián)一個(gè)定值減壓閥可以讓油液先經(jīng)過(guò)減壓閥閥芯產(chǎn)生一次壓降，利用減壓閥閥芯的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以使得比例節(jié)流閥兩端壓差基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)輸入電壓對(duì)流量的線性控制。

由于AMESIM軟件本身是不帶比例溢流閥和比例調(diào)速閥模型，所以利用其自帶的液壓元件設(shè)計(jì)模塊（HCD）自行設(shè)計(jì)了比例溢流閥和比例調(diào)速閥的HCD模型如圖4所示，圖4（a）為比例溢流閥，圖4（b）為比例調(diào)速閥。

圖4 比例閥HCD模型

2.2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型

利用AMESIM建立的液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型圖如圖5所示，該推進(jìn)系統(tǒng)采用的是恒壓變量泵，所以仿真模型圖中輸入采用的是恒壓輸入模型PRESC，推進(jìn)油缸采用的是帯質(zhì)量塊的液壓缸模型HJ000，加上比例溢流閥和比例調(diào)速閥的HCD模型以及電磁換向閥形成完整的仿真模型圖。

圖5 推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

3.1 開(kāi)環(huán)壓力控制仿真

推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)壓力控制仿真時(shí)，三位四通電磁閥輸入負(fù)信號(hào)處于右位，負(fù)載設(shè)為10 kN，比例調(diào)速閥流量設(shè)定為20 L/min，比例溢流閥壓力先設(shè)定為3.5 MPa，10 s后設(shè)定為3 MPa，再過(guò)10 s后設(shè)定為3.5 MPa。

壓力調(diào)整時(shí)，液壓缸的壓力流量變化如圖6所示，從圖6可以看出，當(dāng)壓力下調(diào)時(shí)，液壓缸流量會(huì)出現(xiàn)快速下滑并來(lái)回波動(dòng)現(xiàn)象（由于下滑太大未能在一個(gè)圖中全部表示出來(lái)）。所以在進(jìn)行液壓缸的壓力調(diào)整時(shí)，需注意緩慢進(jìn)行。

3.2 開(kāi)環(huán)流量控制仿真

推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)流量控制仿真時(shí)，三位四通電磁閥輸入負(fù)信號(hào)處于右位，負(fù)載設(shè)為10 kN，比例溢流閥壓力設(shè)定為7.5 MPa，比例調(diào)速閥流量先設(shè)定為10 L/min，10 s后設(shè)定為42 L/min，再過(guò)10 s后設(shè)定為10 L/min。

流量調(diào)整時(shí)，液壓缸的壓力流量變化如圖7所示，流量上調(diào)時(shí)，壓力會(huì)有一個(gè)小的波動(dòng)，流量下降時(shí)，壓力會(huì)有一個(gè)比較大的波動(dòng)。

從上面兩幅仿真圖可以看到，壓力的變化會(huì)引起流量的波動(dòng)，流量的變化又會(huì)引起壓力的波動(dòng)，所以單純的壓力控制或者流量控制都滿(mǎn)足不了系統(tǒng)的控制要求。

3.3 閉環(huán)控制仿真

本文采用常規(guī)的PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力和流量的復(fù)合閉環(huán)控制，通過(guò)將推進(jìn)油缸的壓力信號(hào)反饋給比例溢流閥速度信號(hào)反饋給比例調(diào)速閥，從而控制整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的壓力和流量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)如圖8所示，為了看圖方便，通過(guò)AMESIM中的超級(jí)元件模塊，把比例溢流閥和比例調(diào)速閥簡(jiǎn)化為如圖所示圖標(biāo)，加上位移傳感器和壓力傳感器以及控制部分形成了完整的壓力流量復(fù)合控制的推進(jìn)系統(tǒng)。

圖8 推進(jìn)系統(tǒng)壓力流量復(fù)合控制仿真模型

系統(tǒng)閉環(huán)復(fù)合控制仿真時(shí)，三位四通電磁閥輸入負(fù)信號(hào)處于右位，負(fù)載設(shè)為10 kN，比例溢流閥壓力設(shè)定為7.5 MPa，比例調(diào)速閥流量先設(shè)定為21 L/min，10 s后設(shè)定為42 L/min，再過(guò)10 s后設(shè)定為21 L/min。

圖9所示為壓力流量復(fù)合控制下推進(jìn)油缸的壓力和流量曲線圖。該圖說(shuō)明采用閉環(huán)復(fù)合控制可以較好的進(jìn)行壓力和流量調(diào)節(jié)。當(dāng)流量改變時(shí)，壓力會(huì)經(jīng)過(guò)短暫的震蕩后達(dá)到穩(wěn)定，振蕩幅度小。與單獨(dú)的壓力控制或者流量控制相比，復(fù)合控制超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，具有較好的控制效果。

圖9 復(fù)合控制下液壓缸的液壓流量曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)AMESIM仿真可以看出采用壓力流量復(fù)合控制方式能夠更好的保證盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)的精確度，與傳統(tǒng)的壓力控制或者流量控制相比，可以明顯減小壓力和流量的波動(dòng)，更好地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的控制要求，具有很好的運(yùn)用前景。

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