徐尤南,鄧文強(qiáng)
(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 南昌 330013)
盾構(gòu)機(jī)是一種專門用于開挖地下隧道工程的大型、復(fù)雜施工裝備,具有開挖速度快、工程質(zhì)量高、施工安全性好、經(jīng)濟(jì)效益高、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[1]。在整個(gè)盾構(gòu)系統(tǒng)中,推進(jìn)系統(tǒng)是其關(guān)鍵系統(tǒng),承擔(dān)整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)任務(wù),保證盾構(gòu)按照我們?cè)O(shè)計(jì)的路線進(jìn)行施工掘進(jìn)[2]。而推進(jìn)液壓系統(tǒng)作為推進(jìn)系統(tǒng)的核心系統(tǒng),其協(xié)調(diào)動(dòng)作可以使盾構(gòu)在行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏等。因此,適時(shí)無級(jí)協(xié)調(diào)控制推進(jìn)速度和推進(jìn)壓力,能夠有效減少地表變形、控制地表沉降、避免不必要的超挖與欠挖,使隧道設(shè)計(jì)軸線偏差控制在允許范圍內(nèi)[3]。
目前,國(guó)內(nèi)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的控制技術(shù)一直處于研究與發(fā)展中,由之前的電液伺服控制發(fā)展到現(xiàn)在的電液比例控制,已設(shè)計(jì)出壓力流量復(fù)合控制的推進(jìn)液壓系統(tǒng),可以協(xié)調(diào)控制推進(jìn)速度與推進(jìn)壓力,使推進(jìn)液壓缸保持合適的姿態(tài)讓盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)軸線向前推進(jìn)[4]。
推進(jìn)系統(tǒng)由若干推進(jìn)液壓缸環(huán)向均勻分布在中盾圓周上,若是單獨(dú)對(duì)每個(gè)液壓缸進(jìn)行控制,同時(shí)又保障所有推進(jìn)液壓缸的準(zhǔn)確同步性和合理協(xié)調(diào)性,必然加大操作難度,系統(tǒng)顯得更繁瑣,并且會(huì)加大成本。因此,推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸的分區(qū)設(shè)計(jì)合理性顯得尤為重要。
盾構(gòu)機(jī)在土層掘進(jìn)過程中,主要是受到了開挖面的水土抵抗力、盾構(gòu)機(jī)與土層的摩擦力、尾盾和管片的摩擦阻力及其盾構(gòu)自身重力等,其推進(jìn)機(jī)構(gòu)的受力與力矩簡(jiǎn)圖如圖1所示。
推進(jìn)系統(tǒng)油缸分區(qū)布局與推進(jìn)載荷分布的匹配程度越高,分區(qū)性能就越好,同時(shí)為了方便對(duì)盾構(gòu)機(jī)的駕駛和操作,往往把盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)劃分為4個(gè)分區(qū)[5],也就是說把盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸分為4組。左、右兩分區(qū)由于受力大體一樣,故分配的推進(jìn)油缸數(shù)目相同,布置方式相同;下分區(qū)由于盾構(gòu)機(jī)本身自重及摩擦力大的緣故,推進(jìn)油缸數(shù)目比上分區(qū)多。假設(shè)有16個(gè)液壓缸,合理分區(qū)是:左D、右B兩區(qū)油缸數(shù)目各為4個(gè),上區(qū)A油缸數(shù)目為3個(gè),下區(qū)C油缸數(shù)目為5個(gè),如圖2所示。
圖1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力及力矩簡(jiǎn)圖
圖2 16個(gè)推進(jìn)油缸分組示意圖
不考慮各分組之間的關(guān)系,只是對(duì)單分組系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)開環(huán)控制仿真模型,如圖3所示。
圖3 開環(huán)控制的AMESim仿真模型
在進(jìn)行AMESim液壓系統(tǒng)仿真之前,先設(shè)定各元件的固定特性參數(shù),之后根據(jù)工況仿真條件設(shè)定系統(tǒng)的具體參數(shù)。本系統(tǒng)中,設(shè)定負(fù)載力為350kN,黏性阻尼系數(shù)為1 000kN/(m/s),推進(jìn)速度前5s為0.5 mm/s,后5s為1mm/s,采樣時(shí)間0.1s,仿真時(shí)間為10s。仿真得到液壓缸速度曲線見圖4。
圖4 開環(huán)控制推進(jìn)速度仿真曲線
由圖4可知,開環(huán)控制時(shí),推進(jìn)速度開始有所振蕩,其最大超調(diào)速度達(dá)到0.8mm/s,大概1s后推進(jìn)速度穩(wěn)定在設(shè)置的0.5mm/s,在1s~5s之間,速度保持不變前進(jìn);在5s時(shí),推進(jìn)速度同樣存在振蕩,最大超調(diào)速度達(dá)到了1.2mm/s,之后穩(wěn)定在1mm/s。
圖5為推進(jìn)液壓缸的壓力仿真曲線,在開始時(shí)壓力有所上升,并伴隨小幅波動(dòng),然后穩(wěn)定在7.8MPa,5 s時(shí)壓力有所振蕩,最終穩(wěn)定在7.8MPa。這是由于在5s時(shí)推進(jìn)速度從0.5mm/s上升到1mm/s,進(jìn)而導(dǎo)致壓力波動(dòng),當(dāng)速度達(dá)到設(shè)置值時(shí),推進(jìn)壓力會(huì)穩(wěn)定在開始設(shè)置值。
圖5 開環(huán)控制推進(jìn)壓力仿真曲線
由圖4和圖5可知,系統(tǒng)開環(huán)控制時(shí),其他條件不變的情況下,比例調(diào)速閥流量的改變會(huì)引起推進(jìn)液壓缸壓力的變化,且推進(jìn)速度具有較大的超調(diào)量,復(fù)合控制效果不是很理想。
為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制,需要常規(guī)PID控制器,將控制推進(jìn)液壓缸的壓力和速度信號(hào)分別反饋到比例溢流閥和比例調(diào)速閥,實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)壓力和流量的調(diào)整,降低速度和壓力波動(dòng),保證液壓缸正常推進(jìn)時(shí)所需的流量和壓力。
同樣不考慮各分組之間的關(guān)系,只是對(duì)單分組系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真模型,如圖6所示。
圖6 閉環(huán)控制的AMESim仿真模型
在進(jìn)行AMESim液壓系統(tǒng)仿真前,先設(shè)定各元件的固定特性參數(shù),系統(tǒng)的具體參數(shù)與開環(huán)控制參數(shù)相同。圖7為閉環(huán)控制的推進(jìn)速度仿真曲線,圖8為閉環(huán)控制的推進(jìn)壓力仿真曲線。
圖7 閉環(huán)控制的推進(jìn)速度仿真曲線
由圖7和圖8可以看出,采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)可以較好地對(duì)液壓缸推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié),在5s調(diào)節(jié)流量時(shí),推進(jìn)速度經(jīng)過短暫振蕩后達(dá)到穩(wěn)定,雖略有波動(dòng),但相對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制的推進(jìn)速度超調(diào)量小,調(diào)節(jié)時(shí)間短,控制效果明顯改善。
圖8 閉環(huán)控制的推進(jìn)壓力仿真曲線
盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)液壓缸分區(qū)控制是可行的,目的是減少控制復(fù)雜程度,更好實(shí)現(xiàn)差動(dòng)控制以達(dá)到盾構(gòu)適時(shí)姿態(tài)調(diào)整[6]。利用AMESim建立推進(jìn)液壓系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)仿真模型。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)開環(huán)控制時(shí),液壓缸的速度調(diào)節(jié)會(huì)引起壓力的明顯振蕩波動(dòng),而采用閉環(huán)控制可有效地協(xié)調(diào)流量與壓力的超調(diào),控制效果得到改善。
[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.
[2]胡國(guó)良,龔國(guó)芳,楊華勇,等.盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)液壓推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2005(2):92-94.
[3]Hu Guoliang,Gong Guofang,Yang Huayong,et al.Electro-hydraulic control system of shield tunnel boring machine for simulator stand[G]//The Proceedings of ICFP 2005.Hangzhou:Hangzhou Internation Academic Publishers,2005:94-99.
[4]孫繼亮.盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的控制仿真研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2006:62-66.
[5]莊欠偉.土壓平衡式盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)集成技術(shù)及其應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2005:26-28.
[6]胡國(guó)良.盾構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006:81-88.