异形断面盾构切削机构与液压系统的设计.pdf

第 1 O期 2 0 1 4年 1 O月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 7 9 异形断面盾构切削机构与液压 系统的设计 黄田忠， 宋锦春 ， 蔡衍 东北大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4 摘要 研发异形断面盾构机构是 当前各国迫切需要研究解决的重大问题。而研究异形盾构掘进机， 应先解决盾构 掘进机 的主要核 心部分一 刀盘切 削机构 。 提 出了一种新 型的异形 断面盾 构切 削机构 ， 建立 了该切 削机 构挖掘 截面 的 计算模型， 并详细分析该机构的动作要求， 确定了电液比例控制系统的方案。建立非对称比例方向阀控制非对称液 压缸的数学模型， 获得 了切削机构电液比例位置控制系统的传递函数， 并采用 MA r L A B ／ S i mu l i n k软件进行 了液压系 统的建模仿真 ， 为后期的分析提供 了理论依据。 关键词 异形断面； 切削机构 ； 液压比例位置控制； 阀控缸系统； 建模 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 0 7 9 0 3 De s i g n o f t h e Cu t t i n g Me c h a n i s m o f Sp e c i a l Se c t i o n Sh i e l d a n d I t s Hy d r a u l i c S y s t e m HUANG T i a n - z h o n g ，S ONG J i n - c h u n ，CA I Ya n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ， C h i n a A b s t r a c t R e s e a r c h o f s p e c i a l - s e c t i o n s h i e l d t u n n e l i n g m e c h a n i s m i s a ma j o r i s s u e f a c i n g m o s t c o u n t r i e s u r g e n t l y ． T o s o l v e t h i s p r o b l e m， i t s c o r e p a r t ，t h e c u t t i n g mec h ani s m of c u t t e r h e a d ，s h o u l d b e fi r s t l y s t u d i e d ． T h is p a p e r p r e s e n t s a n o v e l s p e c i a l - s e c t i o n s h i e l d c u t t i n g mec h a n is m，b u i l d s u p t h e c o m p u t a t i o n m o d e l of a c r o s s - s e c t i o n of t h e c u t t i n g mec h ani s m， analy z e s i t s m o t i o n r e q u i r e m e n t s i n d e t a i l ， a n d w o r k s o u t t h e p r o g r a m ofe l e c t r o 一 y d r a u l i c p r o p o r t i o n al c o n t r o l s y s t e m ． We s e t u p t h e ma t h e m ati c a l mo d e l of a n a s y mm e t r i c h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n t r o l l e d b y r仇 a s y m me t r i c p r o p o r t i o n al d i r e c t i o n al c o n t r o l v a l v e ， g ain e d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n of e l e c t r o y d r a u l i c p r o p o rt i o n al p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m of t h e c u t t i n g mec h a n is m，a n d c o n d u c t e d t h e mo d e l i n g a n d s i mu l ati o n of t h e h y d r aul i c s y s t e m u s i n g MA T L A B ／ S i m u l i n k ，l a y i n g a t h e o r e t i c al b a s i s f o r s u b s e q u e n t an aly s i s ． Ke y W o r d s S p e c i a l S e c ti o n ；Cu t ti n g M e c h a n i s m ； Hy d r a u l i c P r o p o r t i o n a l P o s i t i o n Co n t r o l ； Va l v e - c o n t r o l l e d Cy l i n d e r S y s t e m ； M o d e l i n g 1引言 盾构掘进机是一种专门用于地下隧道工程开挖的大型高科 技施工装备。它具有开挖快、 优质、 安全、 经济并有利于环境保护 和降低劳动强度的优点。传统的盾构断面主要是以圆形为主， 而 随着人类对地下空间的不断开发和利用， 对隧道的功能有了新的 要求， 形式多样化的隧道断面将成为盾构未来的发展趋势[ 1] 。 人们 发现利用圆形盾构掘进机加工异形断面隧道如门洞形、椭圆形、 拱形、 矩形等时， 往往会造成断面利用率低、 浪费空间等弊端。而 直接采用异形断面可减少挖掘 的面积 、 减少 回填土量 ， 从而达使 得效率和空间利用率得到提高， 使隧道施工技术更趋先进口 。为 此， 设计与研发异形断面盾构结构是当前各个国家急需研究和解 决的重大问题。而研究异形盾构掘进机， 首先应先解决盾构掘进 机的主要核心部分一 刀盘切削机构。 2异形断面切削机构的设计 针对目前现有技术存在的问题 ，设计了一种异形断面盾构 切削机构的结构 ， 该结构突破了无法使用一台盾构机实现多种 截面形状一7欠l生成形的技术瓶颈。 一组刀具切削机构安装于刀盘 上的简图， 如图 1 所示。 2 ． 1异形断面切削机构工作原理 刀盘驱动机构由马达减速器组件组成， 用于带动刀盘旋转， 摆动支臂带动伸缩支臂摆动， 伸缩支臂带动旋转刀头沿伸缩支臂 轴线直线运动，使旋转刀头在工作平面内实现设定的切割曲线， 最终实现多种不同的隧洞截面形状。 旋转刀头切割曲线轨迹由闭 环控制系统进行精确控制 。将所需挖掘的断面形状与异形盾构 切削机构的结构进行几何关系的计算[ - o3 ， 获得摆动支臂和伸缩支 臂与刀盘转角的函数关系， 编入控制器， 再由检测器检测的数据 进行反馈修正， 实现摆动支臂和伸缩支臂的位置精确控制 ， 从而 保证旋转刀头切割曲线轨迹的实现。 2 _2异形断面切削机构挖掘截面计算模型 根据刀头切割轨迹的形成过程，以挖掘截面为一定尺寸的 门洞形为例， 如图2所示。推导出切削机构的挖掘截面的数学模 型并进行理论计算。 来稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 4 作者简介 宋锦春， 1 9 5 7 一 ， 男， 辽宁沈阳人， 博士， 教授， 主要研究方向 机电液一体化 No ． 1 0 0 c t ． 2 0 1 4 机 械 设 计 与制 造 8 1 所示。整个液压系统执行机构由两条油缸和马达组成， 由于液压 缸回路和马达回路供油压力不同， 液压缸供油压力较低 ， 为此两 个液压缸回路上均设置减压阀， 并采用比例换向阀进行压力流量 控制。马达回路采用三位四通换向阀， 回油调速阀以及安全阀用 于实现马达转向、 速度和压力的控制[8 - O l 。 4液压控制系统的分析 盾构掘进主要有控制与测量、 刀盘刀具、 电液控制等三大关 键技术，显然对于切削机构的液压控制系统的分析也至关重要。 本系统采用的是阀控缸的控制方式， 下面采用传递函数的方式进 行控制系统的建模 。 4 ． 1比例方 向阀建模 根据比例方向阀的结构以及工作原理， 并结合工程经验， 将 比例方向阀视为一个二阶环节， 其传递函数表示为 W L 一 6 1 ‘ 式中 ． 一比例方向阀的流量增益， 量纲为 m V； 一比例方向 阀的相频宽； ． 一比例方向阀的阻尼比。 4 ． 2 比例放大器建模 由于其转折频率比系统的频宽高得多，通常将其视为比例 环节， 即 K 7 a 式中 一比例放大器增益； ， n s 一比例放大器输出电流， A； s 一比例放大器输人电流， A 。 4 ． 3位移传感器建模 其频宽比系统频宽高得多， 可将位移传感器视为比例环节 ， 则有 8 式中 传感器增益 ， Mm 。 4 ． 4非对称阀控非对称液压缸建模 切削机构阀控缸系统控制形式可根据实际工程情况进行选 择，在此采用非对称阀控制非对称缸的通用模型进行推导分析 分析过程略 ， 其简化模型的传递函数如下， 其中面积A 为液压 缸有效面积， 当比例阀芯位移 0时， N I ； 当比例阀芯位移 0 ⋯ 黪 旦 4 fl A N A p t X c e I s v t 式中 ∞ ， _固有频率； 一流量增益； K 争 效流量一压力系数 ； 一 液压阻尼 比。 4 ． 5切削机构液压控制系统框图 液压固有频率表示液压动力元件的响应速度。在液压比例 系统中， 液压固有频率是整个系统中最低的频率， 它限制了系统 的响应速度。比例系统的方块图，如图 6 所示。利用 MA T L A B ／ S i m u l i n k 软件， 对系统进行仿真。比 例控制系统仿真框图， 如图 7 所示。将控制系统中各参数代入仿真框图中，即可获得系统的 B o d e 图、 阶跃响应图等。 通过调节 P I D参数， 可获得稳定性好、 响 应时间较短的控制系统。 图 6比例系统方块图 Fi g ． 6 Bl o c k Di a g r a m o f t h e Prop o r t i o n a l S y s t e m 图7比 例控制系统仿真框图 Fi g ． 7 S i mu l a t i o n Di a gra m o f P r o p o r t i o n a l Co n t r o l S y s t e m 5结束语 提出了一种新型的异形断面盾构切削机构的结构，该结构 可实现挖掘截面由单一圆形转向门 洞形、矩形等多种复杂截面， 旋转刀具可一次挖掘成形， 大大扩大了盾构机的使用范围； 该结 构可与现有盾构掘进机刀盘进行互换 ， 具有很好的互换性。 此外， 建立了该切削机构挖掘截面的计算模型， 确定了电液比例控制系 统的方案， 建立了切削机构电液比例位置控制的传递函数， 并采 用 MA T L A B ／ S i m u l i n k软件进行了液压系统的建模仿真，为后期 的分析提供了理论依据。 参考文献 [ 1 ]陈馈 ， 洪 开荣 ， 吴学 松． 盾 构施工技 术 [ M] ． 北京 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9 ． C h e n K u i ， Ho n g K a i - r o n g ， Wu X u e - s o n g S h i e l d C o n s t r u c t i o n T e c h n i q u e [ M] ．B e i j i n g C h i n a C o m mu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 茅承觉， 叶定海， 张照煌．全断面岩石掘进机概论一 全断面岩石掘进机 技术讲座之--[ J ] ． 建筑机械， 1 9 9 8 9 3 0 - 3 4 ． Ma o C h e n g - j u e ， Y e Di n g - h a i ， Z h a n g Z h a o - h u a n g ． A n i n t r o d u c t i o n o f f u l l _f a c e t u n n e l b o rin g ma c h i n e Te c h n i c a l S e mi n a r One o f f u l l lf a c e t u n n e l b o ri n g ma c h i n e [ J J ．C o n s t ruc t i o n ma c h i n e r y ， 1 9 9 8 9 3 0 - 3 4 ． [ 3 ] 宋锦春 ， 王长周 ， 李松． 一种盾 构机的变截面掘进装置 中国 ， 2 0 1 3 2 0 - 8 2 4 9 7 8 0 [ P ] ， 2 0 1 3 1 2 1 3 ． S o n g J i n- c h u n ， Wa n g C h a n g z h o u ， L i S o n g ．A n o v e l v a r i a b l e s e c t i o n t u n n e l i n g d e v i c e C h i n a ， 2 0 1 3 2 0 8 2 4 9 7 8 0 l PJ ． 2 0 1 3 - 1 2 - 1 3 ． [ 4 ] 宋锦春． 电液比例控制技术[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 1 4 ． S o n g J i n c h u n ． E l e c t r o - h y d r anl i c P r o p o r t i o n al C o n t r o l T e c h n o l o g y [ M] ． B e ij i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t ryP r e s s ， 2 0 1 4 ． [ 5 ] H． Mr o u e h ， I ．S h a h r o u r ． A s i mp l i fi e d 3 Dmo d e l f o r t u n n e l c o n s t ruc t i o n u s i n g t u n n e l b o ri n g ma c h i n e s [ J ] ．T u n n e U i n g a n d U n d e r gro u n d S p a c e T e c h n o l o g y ． 2 0 0 8 2 3 3 8 4 5 ． [ 6 ] G ． G al l i ， A ．G r i m al d i ， A ．L e o n a r d i ．T h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l l i n g o f t u n n e l e x c a v a t i o n a n d l i n i n J ] ．C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s ， 2 0 0 4 3 1 1 7 1 - 1 8 3 ． [ 7 ]Y a n g Hu a - y o n g ， S h i H u ， G o n g G u o f a n g ．E l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al c o n t r o l of t h r u s t s y s t e m f o r s h i e l d t u n n e l i n g m a c h i n e[ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t ruc t i o n ， 2 0 0 9 1 8 9 5 0 - 9 5 6 ． [ 8 ]Z h a n g Q i a n ， Q u C h u a n- y o n g ， C a i Z o n g x i ． Mo d e l i n g o f t h e t h rus t a n d t o r q u e a e f n g 0 n s h i e l d ma c h i n e s d u r i n g t u n n e l i n g l J J ． A u t o m a t i o n i n C o n s t r u c t i 0 n ， 2 0 1 4 4 0 6 6 7 ． [ 9 ] Wa n g L i n - t a o ， G o n g G u o - f a n g ， S h i H u ． M o d e l i n g a n d ana l y s i s o f t h rus t f o r c e for E P B s h i e l d t u n n e l i n g ma c h i n e l J 』 ．A u t o ma t i o n i n C o n s t ruc t i o n ， 2 0 1 2 2 7 1 3 8 1 4 [ 1 0 ] 王春行． 液压控制系统 [ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 4 0-5 6 ． Wa n g C h u n - x i n g Hy d r anl i c C o n t r o l S y s t e m [ M] e ij l u g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ． 2 0 1 0 4 0 5 6 ．