盾构机推进液压系统设计与仿真分析.pdf

第 5期 总第 1 8 6期 2 0 1 4年 l O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEER1 NG ＆ AUT0M AT1 0N N0． 5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 5 0 0 5 9 0 2 盾构机推进液压 系统设计与仿真分析 谢 群 ，张俊辉 ，司宝玉 ，杨春 洋。 1 ． 沈阳理7-大 学 机械7 - 程 学院，辽宁 沈 阳 1 1 0 1 6 8 ；2 ．北方 重工 集团有限责任公司 盾构机分公司 ，辽 宁 沈 阳 1 1 0 1 4 1 ；3 ． 沈 阳机床集 团有 限责任公 司，辽 宁 沈阳 1 1 0 0 4 2 摘要 对盾构机推进 液压系统做 了详 细的介绍 ，阐述 了其 系统组成及 工作原理 。该 系统应用 电液比例 控制技 术实现 了推进力 和位移的控制 。通过 对推 进 系统的仿 真分析 表 明采用 电液 比例 泵和 比例减 压 阀的控 制策 略，满足 了系统 的推进速度和压力 要求。 关键 词 盾构机 ；推进液压 系统 ；设 计；仿真 中图分类号 T U6 2 1 TP 3 9 1 ． 9 文献标 识码 A 0 引言 盾 构掘 进机 已广泛 用 于地 铁 、 铁 路 、 公 路 、 市政 、 水 电等 隧 道工 程 。盾 构 机 在 实 际 施 工 过 程 中 ， 不 同施 工 地层土质及其土压力的变化会对推进速度及推进压力 产生很大影响 。另外 ， 在盾构机实际推进过程 中， 根据 施工要求 ， 还要做出许多动作 ， 比如前倾 、 后仰 、 转弯和 曲线行 进 ， 这些 都 会 导致 盾 构 机 的前 进 方 向 和设 计 轴 线 产生 一 定偏 差 。为 了满 足 实 际 施 工 需 要 ， 本 文对 推 进速度控制采用比例变量泵来实现 ； 推进压力 控制采 用分区比例减压阀来实现 ， 并采用 AMES i m软件分析 了系统及其操作流程 ， 以保证系统持续稳定高效工作 。 1 盾 构 机推 进液 压 系统 设计 1 ． 1 推 进 液压 系统 的动 力单元 设计 推进油缸在实际工作 过程 中有两种模式 推进模 式和管片拼装模式。推进模式要求 推进力较 大、 速度 较低 ； 管片拼装模式为了提高效率 ， 要求推进缸伸缩速 度快而压力不是很高 。结合这种 特殊工作模式 ， 得到 推进液压 系统的动力单元如图 1所示。动力单元 由 3 台泵 组成 ， 主泵 2采 用 比例 变量 泵 ， 它 主要 为 系统 提供 高压低流量液压油 ， 担任主要的推进任务。在推进模 式下 ， 操作手通过控制主控室的电位计旋钮 ， 直接控制 变量泵的斜盘摆角 ， 进而实现推进速度的控制 ； 在管片 拼装 模 式 下 ， 该 泵 以 最 大 流 量 输 出 ， 相 当于 定 量 泵 使 用 。在管片拼装过程中 ， 由于要求推进缸伸缩速度快 ， 而不需要太高压力 ， 可利用双联 叶片泵 4为系统 提供 低压大流量液压油， 以提高管片 的拼装效率 。在 盾构 机施工过程中， 通过推进缸位移传 感器反馈 液压 缸实 际行程 ， 通过 P L C计算 实际运行 速度 ， 如果与 给定信 号产生偏差 ， 利用偏差信号改变泵的排量使 液压缸推 进速度与设定值相同， 使盾构机按照给定 的速度前进 。 主泵还具有二级遥控压力切断功能， 管片拼装模式 的 最大切断压力由溢流阀 1 1 调定 ， 推进模式的最大切断 压力 由溢 流 阀 1 2调定 ， 通 过 三位 四通换 向阀 1 0换 向 ， 控制二级压力转换 ， 这样可以对系统进行过压保护。 1 ， 5 一吸油过滤器 ； 2 一 比例变量泵 ； 2 ． 1 一负载敏感缸 ； 2 ． 2 一小变量缸 ； 2 ． 3 一 比例换 向阀 ； 2 ． 4 一压力切断阀 ； 3 一电机； 4 一双联 叶片泵 ； 6 ， 7 一电磁溢流阀 ； 8 ， 9 一压力表 ； 1 0 一三位 四通换 向阀； 1 1 ， 1 2 ， 1 3 一溢流阀 ； 1 4 ， 1 5 一单向阀 ； 1 6 一测压接头 图 1 推进液压系统的动力单元 l _ 2 推 进 系统 的液 压缸 分布 形 式 推进系统由 2 0个液压缸分为 4个区控制， 其 中下 边分区液压缸承受开挖力最大 ， 这是 由于盾构推进时 周 向 阻力分 布不 均 而造成 的 ， 周 向阻力 呈梯 形分 布 ， 下 部 压力 最大 。因此下 边 的分 区液 压缸数 目为 8 个 ， 上 、 左 、 右分 区液压 缸数 目各 为 4个 。 图 2为 推 进 系 统 液 压 缸 的上分 区原理 图 。在盾 构 机 推 进 系 统 中 ， 采 用 推 进液压缸分区控制可 以进行 盾构掘进方 向控制 及纠 偏 ， 在系统中对于每个独立分区都分别设有压力传感 器和液压缸 内置式 的位移传感器 ， 以实时检测各分 区 的推进压力及位移 。采用比例减压阀进行分区控制 以 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 6 ；修 回 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 1 6 作者简介 谢群 1 9 6 5 一 ，女 ，辽宁沈阳人 ，教授 ，硕士 ，研究方 向为流体传动与控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4 年 第 5期 调整盾构掘进机各区的推进压力 ， 液压缸的推进和缩 回 可以通过两位三通截止式电磁换向阀直接控制插装阀。 2 推进系统的仿真分析 当盾构机要做转弯或者 曲线前进时， 分组液压缸 的动作均可通过三通阀控制插装阀的开启 而调定 ， 被 选择的分 区液压缸可 以正常工作 ， 没被选择 的分 区液 压缸始终不动 。为了简化分 析且便于仿真 ， 本研究将 插装换向阀模块简化为 1个 三位 四通换向阀， 省略部 分插装阀只保留比例减压阀和执行元件液压缸， 利用 HC D 液压元件设计模块 建立其 HC D模型 。单组推 进系统简化控制模型如图 3所示 。在盾构机的推进过 程中， 比例变量泵可以满足推进时速度不 断调节的要 求 ， 由比例减压阀控制分区的压力 。在压力调节过程 中， 将压力升高到 2 5 MP a保持不变 ， 经过 5 s ， 调节泵 的比例换 向阀输入信号 ， 使推进流量 由2 5 L ／ mi n增加 到 3 5 L ／ rai n ， 仿真时间 1 0 S ， 系统的压力变化 曲线如 图 4所示 。在流量调节过程 中， 保持最大 流量不变 ， 5 s 时压力从 2 5 MP a 变化为 3 0 MP a ， 系统 的流量变化 曲线如图 5所示。由图 4和 5可 以看 出， 当系统启动 瞬间突然加压 、 流量 突然增加到最大值 以及 系统的压 力、 流量做出调整时， 推进系统的流量和压力均会受到 一 定的冲击， 并产生一定的波动 ， 但短时间内就稳定 了 下来 。 2 6 一 比例减压阀 ； 2 7 一插装阀 ； 2 8 一两位三通 电磁换 向阀； 2 9 一液压缸 圈 2液压缸的上分 区原理 图 图 3 单组推进 系统的简化控制模型 图 4和 5为推进系统 的压力和流量突然增加到给 定压力和流量的变化曲线 ， 但 在盾构机 的实际施工过 程 中， 操作员不可能突然加压造成大的压力 冲击 。图 6和图 7为变量泵和 比例减压阀连续缓慢地调节给定 流量和压力时系统的压力和流量变化曲线 。由图 6和 7可以明显看出， 推进系统的压力和流量受到冲击时 ， 超调量明显减小 ， 控制效果明显得到改善 。 3 0 2 5 2 0 皇 1 5 蚓 1 0 5 l y V 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s 图 4 突然增加到给定压力和流量时推进压 力变 化曲线 l盘 3 0 皇 2 O ＼ 1 0 I V’ 『 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s 图 5 突然增加到给定压力和流量 时推进流量变 化曲线 3O 2 5 ∞ 2 O I 1 5 幽 1 0 5 r 0 2 4 6 8 1 O t ／ s 图 6 缓慢地调节 到给定压力和流量时推进压 力变化 曲线 2 5 2 0 嗣 l 5 1 O 捌 塔5 ，’● l厂 ’ ⋯● ●●● ●⋯ J 0 Z 4 6 8 l 0 t ／ s 图 7 缓 慢地 调节到给定压力和流量 时推进流 量变化 曲线 3 结 论 采用电液比例泵和比例减压阀设计的推进液压系 统是可行 的。当盾构机在施工过程中， 推进压力和推 进速度需要调整的时候 ， 采用 电液 比例泵和 比例减压 阀的控制策略能够很好地根据推进过程的压力和速度 的改变做 出适应性 的调整 。虽然在调整时候会出现一 些液压波动 ， 但在实际操作过程中， 操作员在调节压力 和流量时， 通过缓慢连续加压和改变流量， 可以在一定 程度上减少这些波动 ， 达到工程的需求 。 参考文献和英文摘要转第 6 2页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 5 期 2 b 、 2 c 所示。可以看到， 图 2 b 、 2 c 体素化模 型 能很好地再现原模型 如图 2 a 所示 。 相比图 2 b 的体素模型 ， 图 2 c 中的体素模型的 细节更加丰富 ， 表面轮廓更加清晰， 更接近原模型 ， 这 一 点从 模 型 的尾 部 、 蹄 部及 腿 细 节 的 比较 中 均能 看 出 来。由表 2可知， 图 2 b 模 型的体素量是 4 0 0 6 9 ， 而 图 2 c 模型的体素量是 2 9 0 1 9 ， 相 比图 2 b 减少 了 2 7 ． 6 。 表 2 “ 牛” 的 3 D S模型体素化数 据 R[ m” ] R[ 1 1 ] RE 1 2 ] R[ 1 3 ] RE 2 1 ] R[ 2 2 ] R[ 2 3 3 RE 3 1 3 R[ 3 2 ] R[ 3 3 ] 体素量 9 1 3 5 6 7 o 1 5 O 9 1 2 5 O 1 5 1 8 2 9 4 1 4 0 0 2 4 0 0 6 9 2 9 0 1 9 2 2 6 9 1 运行 时间 ms 4 7 4 7 4 6 7 9 7 8 7 8 1 2 5 1 1 O 9 4 内存消耗 MB 1 5 ． 5 2 1 2 ． 9 5 6 1 1 ． 6 5 2 5 2 ． 7 4 4 5 0 ． 4 4 8 3 7 ． 3 5 6 9 9 ． 6 3 6 9 4 ． 4 6 8 7 0 ． 3 4 8 a “ 牛 的3 D S 模型 b 分辨率1 6 0 3 笛卡尔 c 分辨率 2 X 1 2 7 0 B C C d 分辨率2X 1 1 3 0 B C C 图 2 “ 牛” 的 3 D S体素模型 将采 样 点 数 量 4 0 9 6 0 0 0降低 7 0 ％，即变 为 2 8 8 5 7 9 4 ， 这时 分辨 率为 2 1 1 3 。 ， 得 到 “ 牛 ” 的体 素模 型如图 2 d 所示 。可以看出图 2 b 和图 2 d 中的体 素模型有十分相仿 的视觉效果 ， 说 明这两种采样 方式 采获的信息量大致相等。而图 2 d 模 型的实际体 素 量 是 2 2 6 9 1 ， 相 比图 2 b 减少 了 4 3 ． 4 9 ／ 6 。 3 结论 在采样点数量相等的情况下 ， 与笛卡尔采样栅格 得到 的体素模 型相 比， 采用 B C C采样得 到的体素模 型 ， 提高了精度 ， 而且减少 了体素量。如果将 B C C栅 格采样 的数量降低到笛卡尔采样数量的 7 O 后 ， 两种 方式获得的体素化模型精度非常接近， 而由 B C C采样 得到的模型的体素量要比笛卡尔采样得到的模 型体素 量减少 4 3 ． 4 。很明显， 这样可 以较大地节省程序运 行时间和数据存储空间 ， 可见 B C C采样栅格在三维显 示图像处理方面具有明显的优势。 参考文献 [ 1 ] 李元奎， 姚剑敏， 林志贤， 等． 基于 F P G A的 L E D体三维 显示方案研究[ J ] ． 光电子技术 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 2 2 2 3 ． [ 2 ] 刘珂珂， 刘锦高． 体三维模型数据采集技术研究[ j - 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h u i ， S I B a o - y u ， Y A N G C h u n - y a n 1 ． Sh e n y a n g Li g o n g Un i v e r s i t y， Sh e n y a n g 1 1 0 1 6 8， Chi n a ； 2 ．No r t h e r n He a v y I nd u s t r y Gr o u p TBM Co mp a n y， S h e n y a n g l 1 01 4 1， Ch i n a； 3 ．Sh e ny a n g M a c h i n e To o l Gr o u p Co ，，Lt d ．，Sh e ny a n g 1 1 0 0 4 2，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m o f a s h i e l d t u n n e l i n g ma c h i n e i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l a n d i t s s y s t e ma t i c c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e a r e e x p l a i n e d ．Th e 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 a l c o n t r o l t e c h n i q u e i s u s e d t o c o n t r o l t h r u s t p r e s s u r e a n d t h r u s t d i s p l a c e me n t ． Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m s h o w t h a t wi t h t h e u s e o f t h e s t r a t e g y o f 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 a l p u mp a n d p r o p o r t i o n a l p r e s s u r e - r e d u c i n g v a l v e ，t h e r e q u i r e me n t s o f t h e v e l o c i t y a n d p r e s s u r e a r e me t ． Ke y wo r d s s h i e l d ma c h i n e ；h y d r a u l i c t h r u s t s y s t e m；d e s i g n ；s i mu l a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m