管片拼裝試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計及仿真

郭京波，張 潮，徐純杰

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

1 引言

盾構(gòu)機(jī)在中國已經(jīng)發(fā)展了幾十年，現(xiàn)代化機(jī)械盾構(gòu)在中國的大規(guī)模應(yīng)用始于1990 年上海地鐵一號線的修建。在盾構(gòu)施工中，管片拼裝機(jī)的性能好壞直接影響到隧道施工的速度和質(zhì)量[1]。管片拼裝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)管片的軸向平移、周向旋轉(zhuǎn)、徑向提升、偏轉(zhuǎn)、俯仰和橫搖六個自由度，任何一個動作執(zhí)行不到位都會直接影響到管片拼裝的質(zhì)量。管片拼裝機(jī)的液壓系統(tǒng)必須滿足以下幾點要求：穩(wěn)定性高、精度高、安全性好、效率高。提高電液系統(tǒng)控制性能以實現(xiàn)管片的高效自動智能拼裝一直以來都是管片拼裝技術(shù)研究的重點和熱點領(lǐng)域[2-4]。為了優(yōu)化管片拼裝機(jī)的液壓系統(tǒng)的，進(jìn)而提高工作穩(wěn)定性、效率和拼裝精度，設(shè)計了管片拼裝試驗臺的液壓系統(tǒng)。

2 管片拼裝試驗臺液壓系統(tǒng)

管片拼裝能夠?qū)崿F(xiàn)對管片六個自由度的調(diào)整。包括軸向平移、周向旋轉(zhuǎn)、徑向提升、偏轉(zhuǎn)、俯仰和橫搖[5]，如圖1 所示。

圖1 管片拼裝試驗臺六個自由度Fig.1 Six Degrees of Freedom for Segment Assembly Test Platform

其中，周向旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)帶動減速機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐實現(xiàn)的，軸向平移運動是由伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠實現(xiàn)的。其余四個運動的實現(xiàn)均是采用液壓驅(qū)動方式[6]。

管片拼裝試驗臺的液壓系統(tǒng)滿足的性能指標(biāo)，如表1 所示。

表1 管片拼裝試驗臺性能指標(biāo)Tab.1 Performance Indicators of Segment Assembly Test Platform

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計與計算

管片拼裝試驗臺的液壓系統(tǒng)包括徑向提升回路、偏轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)整回路、橫搖調(diào)整回路三部分，其中偏轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)整回路又稱姿態(tài)調(diào)整回路，如圖2 所示。

圖2 管片拼裝試驗臺液壓系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic System of Segment Assembly Test Platform

3.1 徑向提升回路

徑向提升回路由比例電磁換向閥、平衡閥、分流集流閥、液壓鎖等組成。比例電磁換向閥右（左）位得電，液壓缸實現(xiàn)伸出（縮回）動作，通過調(diào)節(jié)其電流大小控制油缸運動速度，到達(dá)指定位置后換向閥回到中位，液壓鎖鎖緊回路，避免油缸在負(fù)載作用下發(fā)生位移造成事故。平衡閥等量分配進(jìn)入兩提升油缸支路的流量，使負(fù)載不均勻時兩油缸同步。

3.1.1 徑向提升液壓缸尺寸計算

管片的最大質(zhì)量為100kg，考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)計兩個油缸的最大提升力2400N，因此每個液壓缸受力F=1200N，管片徑向調(diào)整100mm，提升液壓系統(tǒng)工作壓力6MPa。

式中：D—液壓缸直徑，mm；d—活塞桿直徑，取 d=0．7D；p1—液壓缸工作腔壓力，Pa；p2—液壓缸回油腔壓力，即背壓力，Pa。

計算得，d=22.3mm。取標(biāo)準(zhǔn)值得徑向提升液壓缸的桿徑d=22mm，缸徑D=40mm，行程S=100mm。

3.1.2 徑向提升液壓缸流量計算

根據(jù)徑向提升速度v=10mm/s，有桿腔為工作腔。提升時所需流量：

推進(jìn)時速度同樣為v=10mm/s，推進(jìn)時所需流量：

所以徑向提升液壓回路所需的最大流量為：qmax=1.51L/min。

3.1.3 徑向提升液壓缸實際工作壓力計算

當(dāng)活塞桿受拉時，油缸實際工作壓力為：

式中：S1—油缸受拉時作用面積，m2。

當(dāng)活塞桿受壓時，油缸實際工作壓力為：

式中：S2—油缸受壓時作用面積，m2。

3.2 姿態(tài)調(diào)整回路

姿態(tài)調(diào)整回路實現(xiàn)管片的偏轉(zhuǎn)和俯仰運動，由四個雙作用油缸協(xié)同完成。液壓鎖保證在管片調(diào)到預(yù)定位置后固定不動，溢流閥防止液壓缸施加的壓力太大，對管片和拼裝機(jī)造成損壞?；赜吐飞涎b有調(diào)速閥，保證每個系統(tǒng)在工作時有一定的背壓存在，使每個油缸對管片都有一定的預(yù)緊力，保證管片拼裝過程中的穩(wěn)定性，避免管片不受控制的運動。

3.2.1 姿態(tài)調(diào)整液壓缸尺寸計算

姿態(tài)調(diào)整液壓缸行程為35mm，額定工作壓力p=2MPa，每個液壓缸預(yù)緊力F=1000N，活塞桿伸出速度為v=5mm/s，無桿腔為工作腔。

液壓缸的作用面積為：

缸體內(nèi)徑為：

取標(biāo)準(zhǔn)值得姿態(tài)調(diào)整液壓缸的桿徑d=0.7D=20mm，缸徑D=30mm，行程S=35mm。

3.2.2 姿態(tài)調(diào)整液壓缸流量計算

有桿腔所需要流量：

無桿腔所需要流量：

在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時，四根油缸同時動作，兩兩為一組，一組伸出，一組縮回。因此姿態(tài)調(diào)整支路所需的最大流量qmax=q1+q2=1.20L/min。

3.2.3 姿態(tài)調(diào)整液壓缸實際工作壓力計算

當(dāng)活塞桿受拉時，油缸工作壓力為：

式中：S1—油缸受拉時作用面積，m2。

當(dāng)活塞桿受壓時，油缸工作壓力為：

式中：S2—油缸受壓時作用面積，m2。

3.3 橫搖調(diào)整回路

橫搖調(diào)整工作由一個雙作用油缸完成，主油路上采用普通的電磁換向閥?；赜吐飞显O(shè)置的調(diào)速閥用于控制油缸運動速度，實現(xiàn)速度的無極調(diào)速，有利于提高橫搖調(diào)整精度，當(dāng)角度調(diào)好后電磁閥調(diào)到中位，液壓鎖鎖緊油路，避免姿態(tài)調(diào)整過程中管片發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

3.3.1 橫搖調(diào)整液壓缸尺寸計算

橫搖調(diào)整液壓缸的行程S=50mm，額定工作壓力p=5MPa，液壓缸力F=750N?；钊麠U伸出速度為v=2mm/s，無桿腔為工作腔。

液壓缸的作用面積為：

缸體內(nèi)徑為：

取標(biāo)準(zhǔn)值得橫搖調(diào)整液壓缸的缸徑D=20mm 桿徑d=0．7D=15mm，行程S=30mm。

3.3.2 橫搖調(diào)整液壓缸流量計算

因為橫搖調(diào)整回路屬于微調(diào)機(jī)構(gòu)，需要油缸提供的力很小，只需要克服機(jī)構(gòu)運動的摩擦力，因此油缸的運動速度是需要考慮的第一要素，所以流量要盡可能小一點，以保證油缸運動精度。

計算得流量q=0．04L/min，流量非常小，單依靠液壓泵很難完成如此小流量的輸出，因此流量控制需要借助調(diào)速閥，以達(dá)到運動精度，保證調(diào)節(jié)的效率。

3.3.3 橫搖液壓缸實際工作壓力計算

當(dāng)活塞桿受壓時，油缸實際工作壓力為：

式中：S—油缸受壓時作用面積，m2。

3.4 泵和電機(jī)相關(guān)計算

根據(jù)以上各個支路壓力的計算可知系統(tǒng)的最高壓力為6.53MPa，各個元件的存在壓力損失，取1MPa，所以泵的工作壓力為：p=6.53+1=7.53MPa，計算時取p=8MPa。液壓系統(tǒng)所需最大流量qmax=1.51L/min，同時存在泄漏，取泄漏系數(shù)為1.1，得液壓泵的輸出流量為q=1.1×1.51=1.81L/min。

則泵的排量：

式中：n—四級電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ηp—泵容積效率。

泵的輸出功率為：

電機(jī)額定功率的：

式中：η—泵的總效率。

4 管片拼裝試驗臺工步規(guī)劃

管片拼裝試驗臺將6 片管片拼成一環(huán)所需工步，如表2 所示。

表2 管片拼裝工步Tab.2 Segment Assembly Procedure

在各個工步中進(jìn)行徑向伸出時，兩個提升油缸受到的力不同。在不同位置時對提升油缸進(jìn)行受力分析。得出不同工況下的受力情況，如表3 所示。

表3 徑向提升油缸不同工步下的受力Tab.3 Force of Radial Lift Cylinder Under Different Working Steps

可知兩根徑向油缸受力不完全相同，當(dāng)負(fù)載差值較大時會造成油缸不同步，較大的不同步會使油缸受到彎矩，提升結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力，甚至?xí)固嵘龣C(jī)構(gòu)卡死，因此管片拼裝試驗臺的提升機(jī)構(gòu)許用位移差為10mm[8]。徑向提升回路采用了分流集流閥來保證提升油缸同步，使位移差維持在一定范圍內(nèi)。

5 徑向提升油缸同步仿真分析

在AMESim 軟件中，搭建徑向提升油缸液壓回路，如圖3 所示。分不同工步對徑向提升油缸位移差進(jìn)行仿真，以確定所設(shè)計液壓系統(tǒng)是否滿足管片運動需求[9-10]。

圖3 徑向提升液壓回路仿真模型Fig.3 Simulation Model of Radial Lifting Hydraulic Circuit

圖4 不同工步下的位移差Fig.4 Displacement Difference Under Different Working Steps

可知采用分流集流閥控制的徑向提升回路兩油缸的位移差隨時間基本呈線性關(guān)系，如圖4 所示。當(dāng)油缸完全伸出時，四個工步下的位移差分別為：1.05mm、7.89mm、4.74mm、2.63mm，滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)許用的位移差。

6 結(jié)論

建立了管片拼裝試驗臺的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包括徑向提升回路、偏轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)整回路、橫搖調(diào)整回路三部分，并對各個回路的液壓缸尺寸、流量、壓力以及液壓泵的排量、電機(jī)的功率進(jìn)行了計算。針對不同工步下的徑向提升油缸負(fù)載不均勻，利用AMESim 軟件建立了徑向提升回路的仿真模型，分析結(jié)果表明徑向提升油缸在不同工步下的位移差滿足許用位移差。