盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)故障分析與仿真研究

徐恒吉

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800)

引言

盾構(gòu)機(jī)作為集機(jī)、電、液、光、傳感、信息、控制等技術(shù)為一體的高智能化隧道掘進(jìn)工程機(jī)械[1]，因其具有施工效率高、可靠性強(qiáng)、安全性高、對(duì)交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用到地鐵、越江隧道、鐵路、礦山隧道、公路等各種隧道掘進(jìn)的工程之中。

在盾構(gòu)機(jī)的工作推進(jìn)過程中，主要依靠液壓推進(jìn)系統(tǒng)來克服盾構(gòu)推進(jìn)過程中所遇到的各種障礙和阻力，同時(shí)還能利用推進(jìn)系統(tǒng)來完成盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎和姿態(tài)控制，使盾構(gòu)機(jī)能夠按照預(yù)先規(guī)劃的路線完成掘進(jìn)工作[2]，是盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。推進(jìn)系統(tǒng)的正常工作是盾構(gòu)機(jī)能夠高效推進(jìn)的重要保證。因此，對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的研究是盾構(gòu)機(jī)故障分析與診斷的研究重點(diǎn)。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的故障分析，一般是從液壓系統(tǒng)的原理出發(fā)，分析液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的故障發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而得出盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的故障模式。如郭建章[3]從液壓系統(tǒng)的機(jī)理出發(fā)，分析了盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件在掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)的故障及原因，并結(jié)合分析結(jié)果建立了一套盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)典型故障的監(jiān)測診斷系統(tǒng)。王國義[4]結(jié)合盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)工作原理及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的允許條件，分析了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)故障發(fā)生原因，并為推進(jìn)系統(tǒng)如何排除故障給出了合理性建議。鄧良平[5]結(jié)合盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)工作原理總結(jié)了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)泄漏、推進(jìn)壓力失常及推進(jìn)系統(tǒng)無法動(dòng)作等故障的現(xiàn)象和原因，并給出了故障預(yù)防措施和排除方法。此外，由于盾構(gòu)機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工環(huán)境較為危險(xiǎn)，實(shí)際對(duì)象的數(shù)據(jù)獲取不易且實(shí)驗(yàn)成本較高，因此對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)研究基本上是從仿真建模的角度開展的，郭京波等[6]利用AMESim軟件對(duì)一種微型盾構(gòu)機(jī)的刀盤、推進(jìn)及螺旋輸送機(jī)3個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模以及仿真分析，仿真結(jié)果表明微型盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)掘進(jìn)速度及螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。YANG Y等[7]利用MATLAB與AMESim聯(lián)合仿真的方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)的液壓推進(jìn)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，并采用了PID和模糊自整定PID的壓力和速度復(fù)合控制方法，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制具有系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高、調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)小、可以克服非線性時(shí)變特性的影響等優(yōu)點(diǎn)。胡國良[8]采用AMESim和MATLAB仿真軟件對(duì)一種基于壓力流量復(fù)合控制的盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真分析，仿真結(jié)果表明，采用主從式同步控制策略能達(dá)到很好的同步效果。ZHU B[9]提出一種電液控制模型，應(yīng)用到一種由壓力流量控制的盾構(gòu)機(jī)推力液壓系統(tǒng)中 ，并利用AMESim和Simulink軟件中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,驗(yàn)證了所提控制策略能明顯提高推理系統(tǒng)的性能。殷佳洪等[10]利用AMESim軟件建立了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)模型，通過仿真結(jié)果提出壓力流量復(fù)合控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。郝用興等[11]在AMESim平臺(tái)上建立了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)模型，并對(duì)液壓泵、溢流閥、液壓缸和換向閥等關(guān)鍵元器件的常見故障進(jìn)行了仿真分析。秦東晨等[12]在MWorks平臺(tái)中建立了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)各元器件的數(shù)學(xué)模型，分析了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。黃志全[13]建立了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸和各種控制閥組的數(shù)學(xué)模型，從理論仿真的角度對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。李錦等[14]建立了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，求出了推進(jìn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，研究結(jié)果為盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供了有價(jià)值的參考。王洪新等[15]基于模型試驗(yàn)的結(jié)果，推導(dǎo)得出土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的3個(gè)基本方程，建立了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，得出了總推力、土倉壓力、掘進(jìn)速度等參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)選擇和匹配具有重要指導(dǎo)意義。

本研究結(jié)合中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司在蕪湖長江隧道所使用的液壓驅(qū)動(dòng)大型泥水盾構(gòu)機(jī)，分析其液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，總結(jié)分析推進(jìn)系統(tǒng)工作過程中可能出現(xiàn)的故障，并基于AMESim平臺(tái)對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)和常見故障進(jìn)行建模仿真分析，得出在不同故障下的相關(guān)推進(jìn)參數(shù)，為后續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷分析提供參考。

1 盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理及故障分析

1.1 原理

液壓推進(jìn)系統(tǒng)為盾構(gòu)機(jī)的主要組成部分之一，一般由液壓泵站、調(diào)速機(jī)構(gòu)、壓力控制機(jī)構(gòu)、方向控制閥組和推進(jìn)油缸組成。在實(shí)際的施工過程中，推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著盾體頂進(jìn)的基本任務(wù)，此外，通過各控制閥組的共同作用，推進(jìn)系統(tǒng)可控制盾構(gòu)機(jī)的整體姿態(tài)和位置糾偏，使盾構(gòu)機(jī)能夠按照計(jì)劃路線向前推進(jìn)。

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的56個(gè)推進(jìn)液壓油缸呈圓形均勻分布在盾構(gòu)機(jī)機(jī)體周圍。為了簡化控制回路、降低控制成本和復(fù)雜性，推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)油缸一般采用分區(qū)控制，如圖1所示，為蕪湖長江隧道項(xiàng)目中所使用的泥水盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸的分布情況。整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)包括56個(gè)推進(jìn)油缸，共分為6組。在推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸伸出，撐靴作用到管片上提供盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的反力。6組油缸的壓力獨(dú)立調(diào)節(jié)，推進(jìn)速度由1個(gè)流量控制閥調(diào)節(jié)，通過調(diào)整每組油缸的推進(jìn)壓力和速度可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的糾偏和調(diào)向。同時(shí)在油缸之上裝有傳感器，技術(shù)人員可以在控制室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控每組油缸的行程和壓力。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)液壓油缸分組示意圖Fig.1 Grouping schematic of hydraulic cylinders of propulsion system

液壓推進(jìn)系統(tǒng)中6組液壓油缸的分布方式雖然不同，但其液壓、電氣等組成以及推進(jìn)原理都相同。因此，為了更好對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作機(jī)理及建模進(jìn)行分析，選擇其中1個(gè)分區(qū)的液壓回路進(jìn)行簡化分析，如圖2所示。該原理簡化圖中包含了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)中的所有關(guān)鍵元器件：推進(jìn)油缸、換向閥、節(jié)流閥、溢流閥和液壓泵等。簡化后降低了原有推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也符合盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際的工作情況。在實(shí)際的推進(jìn)過程中，電磁換向閥位于右位工作狀態(tài)，由液壓泵提供壓力油，使推進(jìn)油缸克服施工阻力與前進(jìn)障礙，完成掘進(jìn)過程。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口開度可以控制液壓油缸的伸出速度，溢流閥可以調(diào)控系統(tǒng)的工作壓力。完成推進(jìn)工作之后，調(diào)節(jié)電磁換向閥工作狀態(tài)，使其處于左位工作狀態(tài)，完成液壓油缸縮回動(dòng)作。

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理簡化圖Fig.2 Simplified diagram of hydraulic principle of propulsion system

1.2 故障分析

不同元器件的正常工作以及相互的協(xié)調(diào)配合是盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)完成推進(jìn)工作的保證。圖3中展示了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、每個(gè)系統(tǒng)所包含的關(guān)鍵元器件以及在盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)時(shí)所發(fā)揮的作用。

圖3 液壓推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能框圖Fig.3 Structure and functional block diagram of hydraulic propulsion system

盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)需要各器件之間的相互配合，但由于推進(jìn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所含元器件數(shù)量多，在推進(jìn)過程中會(huì)有較大的沖擊振動(dòng)，導(dǎo)致液壓元器件及其配件之間相互磨損，造成液壓元件的泄漏、液壓油被污染等現(xiàn)象的發(fā)生，隨著時(shí)間的積累，最終導(dǎo)致液壓推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生故障。發(fā)生的故障類型多樣，一些故障類型可以通過施工人員或者相關(guān)專家結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷識(shí)別并進(jìn)行定位，如當(dāng)泵體損壞或者油量不夠?qū)е卤梦諘r(shí)，會(huì)導(dǎo)致泵的運(yùn)行噪聲過大；當(dāng)溢流閥壓力設(shè)置失效或者輸出管路破損，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無壓力。以上故障均具有較為明顯的表現(xiàn)形式，很容易被檢測到并進(jìn)行報(bào)警提示或者被施工人員發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行快速定位排查和維修。但還有一些隱性故障的存在環(huán)境較為隱蔽，施工人員難以發(fā)現(xiàn)且沒有相應(yīng)的指標(biāo)報(bào)警信息。此時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)可能同樣會(huì)正常工作，但推進(jìn)的效率和性能會(huì)下降并且會(huì)帶來各種各樣的安全隱患，如液壓泵、液壓缸和控制閥組的內(nèi)泄漏[16]、液壓油被污染而導(dǎo)致的液壓油黏度升高等。以上故障往往難以被檢測和發(fā)現(xiàn)，但此類故障的發(fā)生會(huì)影響整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的掘進(jìn)效率，同時(shí)如果這些故障不能被及時(shí)排查出來，則會(huì)拖慢整個(gè)工程進(jìn)度，同時(shí)也會(huì)對(duì)其他的一些元器件造成損壞從而產(chǎn)生安全隱患。表1給出了液壓推進(jìn)系統(tǒng)一些常見的隱性故障及其產(chǎn)生的故障影響。

表1 液壓推進(jìn)系統(tǒng)常見隱性故障分析Tab.1 Analysis on common hidden faults of hydraulic propulsion system

2 盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)建模

隱性故障的存在對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)有著極大的影響，因此隱性故障的檢測與診斷對(duì)于整個(gè)工程來說具有重要意義。為了能更好的深入分析隱性故障機(jī)理及故障特征，本研究以蕪湖長江隧道項(xiàng)目中的泥水盾構(gòu)機(jī)為研究對(duì)象，在AMESim平臺(tái)上建立了其液壓推進(jìn)系統(tǒng)中液壓缸、換向閥、溢流閥關(guān)鍵核心器件的仿真模型，并根據(jù)相關(guān)的故障機(jī)理建立推進(jìn)系統(tǒng)的故障模型，提取相關(guān)的故障參數(shù)，分析得出相關(guān)故障產(chǎn)生時(shí)流量、壓力、推進(jìn)速度等參數(shù)的變化情況。

2.1 換向閥模型設(shè)計(jì)

在液壓推進(jìn)系統(tǒng)中，液壓油缸活塞桿的伸出與縮回動(dòng)作主要是由電磁換向閥控制的，在換向閥控制系統(tǒng)完成換向的過程中，換向閥閥芯與閥體之間會(huì)有往返動(dòng)作，由于摩擦作用而造成閥芯與閥體內(nèi)孔的磨損。特別是當(dāng)液壓油中含雜質(zhì)較多時(shí)，會(huì)加劇磨損程度，使得換向閥閥芯與閥體之間的配合間隙增大，換向閥閥體內(nèi)的液壓油由高壓腔向低壓腔的泄漏量和由閥體向閥外的泄漏量加大，引發(fā)內(nèi)泄漏故障。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)泄漏量過大時(shí)，會(huì)造成推進(jìn)油缸自走現(xiàn)象，降低液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率，影響推進(jìn)油缸的正常工作。對(duì)于電磁換向閥來說，影響內(nèi)泄漏量的主要因素是閥芯與閥體之間配合間隙的大小。當(dāng)只考慮壓力差流動(dòng)，不考慮剪切流動(dòng)時(shí)，換向閥內(nèi)泄漏量的計(jì)算公式[17]為：

(1)

式中，d—— 換向閥閥芯直徑

h1—— 換向閥閥芯與閥體孔的半徑間隙

Δp1—— 間隙孔兩端的壓差

μ—— 液壓油黏度

l1—— 密封長度

e—— 換向閥閥芯與閥體孔的中心線偏差

因此，當(dāng)選定液壓油型號(hào)以及換向閥的型號(hào)參數(shù)之后，通過改變閥芯與閥體孔的半徑間隙h可以改變換向閥內(nèi)泄漏量的大小，當(dāng)泄漏量超過一定的程度，便可對(duì)換向閥內(nèi)泄漏故障進(jìn)行模擬。

根據(jù)換向閥工作原理，在AMESim平臺(tái)中，利用HCD庫搭建換向閥的仿真模型及故障模型，如圖4所示。

圖4 換向閥仿真模型Fig.4 Shuttle valve simulation model

2.2 溢流閥模型設(shè)計(jì)

溢流閥在系統(tǒng)中做安全閥使用，一方面可以調(diào)節(jié)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，另一方面又可防止系統(tǒng)過載而產(chǎn)生安全隱患。由于溢流閥閥芯和閥體之間存在配合間隙， 發(fā)生泄漏是不可避免的。蕪湖長江隧道工

程的盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)中所用溢流閥為力士樂先導(dǎo)式溢流閥DB20，對(duì)于先導(dǎo)型溢流閥，其內(nèi)泄漏部位主要發(fā)生在先導(dǎo)閥的閥芯與閥座的配合處、主閥芯與主閥座的配合處和主閥芯與主閥孔在滑動(dòng)的導(dǎo)向處[18]。當(dāng)溢流閥長時(shí)間處于工作狀態(tài)之下，閥芯與閥體之間的相互摩擦持續(xù)發(fā)生，使得兩者之間的縫隙變大。當(dāng)泄漏量超過一定程度，系統(tǒng)壓力降低而導(dǎo)致液壓油缸無法正常推進(jìn)，使得推進(jìn)系統(tǒng)無法進(jìn)行正常掘進(jìn)工作。在先導(dǎo)型溢流閥的泄漏方式中，先導(dǎo)閥芯與閥座的配合處的泄漏為主要泄漏方式，溢流閥泄漏量大小也主要由該種方式?jīng)Q定，計(jì)算方式[19]為：

(2)

式中，D—— 先導(dǎo)閥閥芯外徑

h2—— 溢流閥閥芯與閥體間隙

l2—— 縫隙長度

Δp2—— 先導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的壓力差

因此，當(dāng)設(shè)置好系統(tǒng)壓力和液壓油型號(hào)之后，通過改變閥芯與閥體的間隙δ便可改變溢流閥泄漏量大小，對(duì)溢流閥內(nèi)泄漏故障進(jìn)行仿真。根據(jù)先導(dǎo)式溢流閥工作原理，在AMESim中利用HCD元件庫建立溢流閥及其內(nèi)泄漏故障模型如圖5所示，通過改變泄漏模型中的直徑間隙參數(shù)大小，便可對(duì)溢流閥內(nèi)泄漏故障進(jìn)行仿真。

圖5 溢流閥仿真模型圖Fig.5 Relief valve simulation model diagram

2.3 液壓缸及負(fù)載模型設(shè)計(jì)

液壓油缸是推進(jìn)系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，其正常工作是推進(jìn)系統(tǒng)能完成推進(jìn)任務(wù)的重要保證。但是由于在活塞與缸的內(nèi)壁之間存在間隙，使得液壓油會(huì)從高壓腔流向低壓腔，發(fā)生內(nèi)泄漏現(xiàn)象。而當(dāng)泄漏量過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)活塞桿無法動(dòng)作而導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)無法正常推進(jìn)，液壓缸泄漏量的計(jì)算公式[20]為：

Δq3=Δp3·Ks·Ka

(3)

式中， Δp3—— 液壓缸高壓腔與低壓腔的壓差

Ks—— 形狀系數(shù)

Ka—— 泄漏系數(shù)

通過改變泄漏系數(shù)Ka的大小便可對(duì)液壓缸內(nèi)泄漏故障進(jìn)行仿真。

在AMESim軟件平臺(tái)中，其模型庫中的液壓油缸可以對(duì)活塞與缸體之間的泄漏參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此可以利用模型庫中的液壓油缸來對(duì)液壓缸內(nèi)泄漏故障進(jìn)行仿真，但由于盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中所受到的阻力復(fù)雜多變，需克服各種變力才能完成推進(jìn)任務(wù)。因此，為更好的模仿盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中的受力情況，選擇Kelvin模型和一個(gè)恒力并聯(lián)的模型作為液壓缸的負(fù)載模型[21]，能夠很好地反映在掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中的受力情況，所建立模型如圖6所示。

圖6 液壓缸及負(fù)載模型Fig.6 Hydraulic cylinder and load model

2.4 液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理簡圖以及所設(shè)計(jì)關(guān)鍵元件的模型，在AMESim平臺(tái)中建立液壓推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型圖如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of shield machine hydraulic propulsion system

在上述推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型圖中，換向閥、溢流閥和液壓缸等關(guān)鍵元件通過AMESim中的HCD庫自行設(shè)計(jì)并注入故障模型。通過調(diào)節(jié)換向閥和溢流閥泄漏故障模型中的直徑間隙參數(shù)和液壓缸模型中的泄漏系數(shù)參數(shù)，可以對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)中的換向閥內(nèi)泄漏、溢流閥內(nèi)泄漏和液壓缸內(nèi)泄漏故障進(jìn)行仿真模擬。

3 仿真研究

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

蕪湖長江隧道工程中的盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 蕪湖盾構(gòu)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Related technical parameters of Wuhu shield machine

參照蕪湖長江隧道項(xiàng)目所使用的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)中液壓推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，在AMESim中的parameter模式下進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表3所示，其余未設(shè)置參數(shù)均使用默認(rèn)值。

表3 仿真模型參數(shù)Tab.3 Simulation model parameter settings

3.2 仿真結(jié)果分析

在完成仿真參數(shù)的設(shè)置之后，設(shè)置仿真步長為0.01 s，仿真總時(shí)長為50 s，其中在前10 s，換向閥處于中位狀態(tài)，后40 s處于左位，即液壓推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)工作狀態(tài)。通過設(shè)置液壓缸的泄漏系數(shù)，換向閥、溢流閥故障模型中的直徑間隙大小來模擬盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的正常工作、液壓缸泄漏故障、換向閥泄漏故障和溢流閥泄漏故障，并得出液壓缸推進(jìn)速度、推進(jìn)行程、液壓缸無桿腔流量和系統(tǒng)工作壓力等參數(shù)的變化情況，如圖8～圖11所示。

圖8 不同狀態(tài)下液壓油缸的推進(jìn)速度Fig.8 Propulsion speed of hydraulic cylinder in different states

圖9 不同狀態(tài)下的推進(jìn)行程Fig.9 Propulsion strokes in different states

圖10 不同狀態(tài)下的無桿腔流量Fig.10 Rodless cavity flow in different states

從從圖8～圖11可以看出，在正常狀態(tài)下，系統(tǒng)保持正常的推進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的推進(jìn)速度穩(wěn)定在0.5 mm/s，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在13.7 MPa，無桿腔流量穩(wěn)定在3 L/min，與所提供的技術(shù)參數(shù)基本上保持一致，說明了所建立模型的合理性；當(dāng)注入液壓缸泄漏故障之后，液壓油由液壓缸無桿腔到有桿腔的泄漏量增大，使得兩邊壓力差減小，導(dǎo)致活塞桿無法動(dòng)作，液壓缸無法向前正常推進(jìn)；當(dāng)注入換向閥泄漏故障之后，從圖9中可以看出，在未啟動(dòng)推進(jìn)動(dòng)作之前，液壓缸已經(jīng)開始向前推進(jìn)，出現(xiàn)了缸自走現(xiàn)象，同時(shí)由于內(nèi)泄漏的發(fā)生，一部分液壓油由閥體向外泄漏，使得進(jìn)入液壓缸無桿腔的液壓油流量有所降低，導(dǎo)致推進(jìn)速度減慢，影響了系統(tǒng)的正常推進(jìn)效率；當(dāng)注入溢流閥內(nèi)泄故障之后，從圖11中可以看出，此時(shí)輸出的系統(tǒng)壓力相較于正常狀態(tài)下有明顯的降低，導(dǎo)致了液壓缸無桿腔的壓力不足，使得活塞桿無法正常伸出，系統(tǒng)無法進(jìn)行推進(jìn)動(dòng)作。

圖11 不同狀態(tài)下的系統(tǒng)壓力Fig.11 System pressure in different states

4 結(jié)論

(1) 結(jié)合蕪湖長江隧道工程中所使用的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，分析了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理并對(duì)原有的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，總結(jié)了液壓推進(jìn)系統(tǒng)中核心元器件的故障模式及故障發(fā)生時(shí)所帶來的影響；

(2) 利用AMESim軟件中的HCD庫建立了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)故障機(jī)理實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓缸泄漏故障、換向閥泄漏故障和溢流閥泄漏故障的仿真，搭建了盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的故障仿真平臺(tái)；

(3) 通過提取正常模式和故障模式下的液壓缸推進(jìn)速度、推進(jìn)行程、無桿腔流量和系統(tǒng)壓力等參數(shù)，仿真結(jié)果表明，在液壓缸泄漏狀態(tài)下，活塞桿無法動(dòng)作，推進(jìn)速度為0，無法正常向前推進(jìn)；在換向閥泄漏狀態(tài)下，在換向閥處于中位狀態(tài)時(shí)液壓缸出現(xiàn)自走現(xiàn)象，并且在后續(xù)推進(jìn)狀態(tài)時(shí)，推進(jìn)速度明顯小于正常工作狀態(tài)；在溢流閥泄漏狀態(tài)下，系統(tǒng)壓力明顯降低，液壓缸無法克服阻力向前推進(jìn)，推進(jìn)速度為0；

(4) 仿真結(jié)果驗(yàn)證了發(fā)生液壓缸泄漏故障、換向閥泄漏故障和溢流閥泄漏故障時(shí)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，為開展盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的故障診斷和故障預(yù)測工作提供了有價(jià)值的參考。