盾構(gòu)機推進液壓系統(tǒng)設計與仿真分析

謝 群，張俊輝，司寶玉，楊春洋

（1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.北方重工集團有限責任公司 盾構(gòu)機分公司，遼寧 沈陽 110141；3.沈陽機床集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110042）

0 引言

盾構(gòu)掘進機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。盾構(gòu)機在實際施工過程中，不同施工地層土質(zhì)及其土壓力的變化會對推進速度及推進壓力產(chǎn)生很大影響。另外，在盾構(gòu)機實際推進過程中，根據(jù)施工要求，還要做出許多動作，比如前傾、后仰、轉(zhuǎn)彎和曲線行進，這些都會導致盾構(gòu)機的前進方向和設計軸線產(chǎn)生一定偏差。為了滿足實際施工需要，本文對推進速度控制采用比例變量泵來實現(xiàn)；推進壓力控制采用分區(qū)比例減壓閥來實現(xiàn)，并采用AMESim軟件分析了系統(tǒng)及其操作流程，以保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定高效工作。

1 盾構(gòu)機推進液壓系統(tǒng)設計

1.1 推進液壓系統(tǒng)的動力單元設計

推進油缸在實際工作過程中有兩種模式：推進模式和管片拼裝模式。推進模式要求推進力較大、速度較低；管片拼裝模式為了提高效率，要求推進缸伸縮速度快而壓力不是很高。結(jié)合這種特殊工作模式，得到推進液壓系統(tǒng)的動力單元如圖1所示。動力單元由3臺泵組成，主泵2采用比例變量泵，它主要為系統(tǒng)提供高壓低流量液壓油，擔任主要的推進任務。在推進模式下，操作手通過控制主控室的電位計旋鈕，直接控制變量泵的斜盤擺角，進而實現(xiàn)推進速度的控制；在管片拼裝模式下，該泵以最大流量輸出，相當于定量泵使用。在管片拼裝過程中，由于要求推進缸伸縮速度快，而不需要太高壓力，可利用雙聯(lián)葉片泵4為系統(tǒng)提供低壓大流量液壓油，以提高管片的拼裝效率。在盾構(gòu)機施工過程中，通過推進缸位移傳感器反饋液壓缸實際行程，通過PLC計算實際運行速度，如果與給定信號產(chǎn)生偏差，利用偏差信號改變泵的排量使液壓缸推進速度與設定值相同，使盾構(gòu)機按照給定的速度前進。主泵還具有二級遙控壓力切斷功能，管片拼裝模式的最大切斷壓力由溢流閥11調(diào)定，推進模式的最大切斷壓力由溢流閥12調(diào)定，通過三位四通換向閥10換向，控制二級壓力轉(zhuǎn)換，這樣可以對系統(tǒng)進行過壓保護。

圖1 推進液壓系統(tǒng)的動力單元

1.2 推進系統(tǒng)的液壓缸分布形式

推進系統(tǒng)由20個液壓缸分為4個區(qū)控制，其中下邊分區(qū)液壓缸承受開挖力最大，這是由于盾構(gòu)推進時周向阻力分布不均而造成的，周向阻力呈梯形分布，下部壓力最大。因此下邊的分區(qū)液壓缸數(shù)目為8個，上、左、右分區(qū)液壓缸數(shù)目各為4個。圖2為推進系統(tǒng)液壓缸的上分區(qū)原理圖。在盾構(gòu)機推進系統(tǒng)中，采用推進液壓缸分區(qū)控制可以進行盾構(gòu)掘進方向控制及糾偏，在系統(tǒng)中對于每個獨立分區(qū)都分別設有壓力傳感器和液壓缸內(nèi)置式的位移傳感器，以實時檢測各分區(qū)的推進壓力及位移。采用比例減壓閥進行分區(qū)控制以調(diào)整盾構(gòu)掘進機各區(qū)的推進壓力，液壓缸的推進和縮回可以通過兩位三通截止式電磁換向閥直接控制插裝閥。

2 推進系統(tǒng)的仿真分析

當盾構(gòu)機要做轉(zhuǎn)彎或者曲線前進時，分組液壓缸的動作均可通過三通閥控制插裝閥的開啟而調(diào)定，被選擇的分區(qū)液壓缸可以正常工作，沒被選擇的分區(qū)液壓缸始終不動。為了簡化分析且便于仿真，本研究將插裝換向閥模塊簡化為1個三位四通換向閥，省略部分插裝閥只保留比例減壓閥和執(zhí)行元件液壓缸，利用HCD（液壓元件設計模塊）建立其HCD模型。單組推進系統(tǒng)簡化控制模型如圖3所示。在盾構(gòu)機的推進過程中，比例變量泵可以滿足推進時速度不斷調(diào)節(jié)的要求，由比例減壓閥控制分區(qū)的壓力。在壓力調(diào)節(jié)過程中，將壓力升高到25MPa保持不變，經(jīng)過5s，調(diào)節(jié)泵的比例換向閥輸入信號，使推進流量由25L/min增加到35L/min，仿真時間10s，系統(tǒng)的壓力變化曲線如圖4所示。在流量調(diào)節(jié)過程中，保持最大流量不變，5 s時壓力從25MPa變化為30MPa，系統(tǒng)的流量變化曲線如圖5所示。由圖4和5可以看出，當系統(tǒng)啟動瞬間突然加壓、流量突然增加到最大值以及系統(tǒng)的壓力、流量做出調(diào)整時，推進系統(tǒng)的流量和壓力均會受到一定的沖擊，并產(chǎn)生一定的波動，但短時間內(nèi)就穩(wěn)定了下來。

圖2 液壓缸的上分區(qū)原理圖

圖3 單組推進系統(tǒng)的簡化控制模型

圖4和5為推進系統(tǒng)的壓力和流量突然增加到給定壓力和流量的變化曲線，但在盾構(gòu)機的實際施工過程中，操作員不可能突然加壓造成大的壓力沖擊。圖6和圖7為變量泵和比例減壓閥連續(xù)緩慢地調(diào)節(jié)給定流量和壓力時系統(tǒng)的壓力和流量變化曲線。由圖6和7可以明顯看出，推進系統(tǒng)的壓力和流量受到?jīng)_擊時，超調(diào)量明顯減小，控制效果明顯得到改善。

圖4 突然增加到給定壓力和流量時推進壓力變化曲線

圖5 突然增加到給定壓力和流量時推進流量變化曲線

圖6 緩慢地調(diào)節(jié)到給定壓力和流量時推進壓力變化曲線

圖7 緩慢地調(diào)節(jié)到給定壓力和流量時推進流量變化曲線

3 結(jié)論

采用電液比例泵和比例減壓閥設計的推進液壓系統(tǒng)是可行的。當盾構(gòu)機在施工過程中，推進壓力和推進速度需要調(diào)整的時候，采用電液比例泵和比例減壓閥的控制策略能夠很好地根據(jù)推進過程的壓力和速度的改變做出適應性的調(diào)整。雖然在調(diào)整時候會出現(xiàn)一些液壓波動，但在實際操作過程中，操作員在調(diào)節(jié)壓力和流量時，通過緩慢連續(xù)加壓和改變流量，可以在一定程度上減少這些波動，達到工程的需求。

［1］吳根茂.新編實用電液比例技術(shù)［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

［2］路甬祥，胡大纮.電液比例控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

［3］付永領，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［4］謝群，楊佳慶，高偉賢.土壓平衡盾構(gòu)機推進液壓系統(tǒng)的設計［J］.機床與液壓，2009（6）：99-100.