盾构管片拼装模拟装置液压系统设计与仿真分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 4 d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ．0 0 5 盾构管片拼装模拟装置液压系统设计与仿真分析 陈 馈 ． 冯欢欢 盾构及掘进技术国家重点实验室 ． 河南 郑州4 5 0 0 0 1 摘要 管片拼装质量 的好 坏直接影响到整个 隧道工程 的速度与质量 ， 为更好研 究管片拼装机各液压 系统的控制特性 ， 提出一种 盾构 管片拼装模拟装 置 ， 并对 其液压系统进行设计 和性能仿真分析 ， 结果表 明所 设计液压系统 能够满 足管片动作模拟需求 ． 能够为后 期实 验装 置的优化与制造提供参考 。 关键 词 盾构 ； 实验平台 ； 管片拼装 系统 ； 液压系统 ； A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 1 1 0 4 De s i g n a n d S t ud y 0 n t h e Hy d r a u hc S y s t e m o f a S h i e l d S e g me n t As s e mb h ng S i mu l a t o r C HE N Ku i ， F E NG Hu - h u a n S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S h i e l d Ma c h i n e a n d B o r i n g T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e q u a l i t y o f s e g me n t a s s e mb l y i s i mp o r t a n t t o t u n n e l i n g e n g i n e e ri n g ． T o g e t b e t t e r s t u d y o n t h e c o n t r o l c h a r a c t e ris t i c o f s e g me n t a s s e mb l i n g h y d r a u l i c s y s t e m ， a s h i e l d s e g me n t a s s e mb l i n g s i mu l a t o r wa s p r e s e n t e d ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f s i mu l a t o r w a s d e s i g n e d a n d p e r f o r ma n c e s i mu l a t i o n o f p e rf o r ma n c e wa s d i d i n t h i s p a p e r ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c s y s t e m c a n me e t t h e mo t i o n s i mu l a t i o n r e q u i r e me n t s o f s e g me n t ， wh i c h c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e o p t i mi z i n g a n d ma n u f a c t u r e o f e x p e rime n t a l p l a t f o rm ． Ke y wo r d s s h i e l d； e x p e r i me n t a l p l a tf o r m； s e g me n t a s s e mb l i n g s y s t e m； h y d r a u l i c s y s t e m； AME S i m 0 引言 1 液压系统原理设计 管片拼装机是盾构 的关键子 系统之一 ．它将混凝 土管片拼装成隧道衬砌 ． 用 于稳定开挖 的隧道 ． 并为盾 构推进提供支撑点 ．其性能的好坏直接关 系到隧道施 工的速度与质量[ 1 - 2 ] 。为了保证管片能够被准确 、 快速地 安装到指定 的位置 ． 管片拼装机的动作 比较复杂 ． 需要 保证管 片在空间上有 6个 自由度 每一 环管 片拼装的 完成都需周 向回转 、 纵向提升、 俯仰 、 侧翻等一 系列高 精度的动作来保证 ．任何一个动作执行不到位都会直 接影响到管片拼装的质量[ 3 1 液压系统作为管片拼装机 的动力源和控制中枢 ．它的好坏直接决定 了管片拼装 机能否 良好地工作 ． 因此 ． 提高 电液系统控制性能以实 现管片高效 自动拼装一直是管片拼装技术研究的重点 为全 面研究 和掌握盾构管片拼装系统 的六个动作 的控制特性 ．本文设计了一种基于实际盾构管片拼装 系统的缩尺实验液压系统 基 金项 目 国家 9 7 3课题 2 0 1 2 C B7 2 4 3 0 8 ； 国家 国际科技 合作 专项资 助 2 0 1 1 D F B 7 1 5 5 0 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 0 8 作 者简介 陈馈 1 9 6 3 一 ， 男 ， 湖南新 化人 ， 教授级高工 ， 在读博士生 ， 现从 事盾构掘进技术 研究工作。 根据 管片拼装 系统执行 机构 的六个动作 控 制需 求 ． 进行液压 系统设计 ， 其液压控制原理简图如 图 1所 示。液压系统主要包括 回转 、 提升、 水平 、 姿态及摆动等 五条支路 ．分别 实现对拼装机 回转动作 、管片提升动 作 、 管片水平运动、 管片俯仰及侧翻动作 、 管片摆 动等 六个动作的控制 。 液压马达、 液压缸 、 液压管道等处分别配置有压力 传感器 、 位移传感器 、 温度传感器、 流量传感等 ， 能够实 现各种信号的实 时采集与反馈。通过实验台数据采集 及处理系统能够实现管片周 向回转速 、 管片提升速度 、 摆动速度及液压系统状态等参数 的实时监测 和控制 ． 并进行数据分析。由工控机和 P L C组成 的控制系统可 将各参数 的实际值与设定值进行 比较 ，并产生控制信 号 ． 进而与电液 比例阀共同组成闭环控制系统 。 2 设计参数计算 管片拼装模拟装置的管片质量 M 4 7 0 k g 、回转质 量 1 6 2 0 k g 、提 升质 量 8 6 0 k g 、水 平 质 量 M4 6 0 5 k g ， 现对其液压系统 的主要设计参数进行计算 。 1 最大 回转扭矩 ． 管片拼装系统的回转扭矩主要包括转动惯量扭矩 和摩擦扭矩 两部分 1 】 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 O 9期 回转支路 提升支路 水平支路 姿态支路 摆动支路 、 构运动速度要求 ，每个液压缸的最大运行 式中 P 厂 一 有 杆 压 力 ， 1 6 M P a o m 。 一 菡 ’ 3 一 ． ． ． ～’ 量 ⋯出 ⋯⋯ D 。 ⋯ n ～ , 6 ⋯r／m in 笔 苎 计 得 ， 淼准 ．G B ／rI12 3 4 8 _ 19 9 3 取 篓 3 N B 标准“ 1 f ／ 3 i 。 _ 9 6 转 速 比 0 ’ 则 马 达 的 最 大 回 转 扭 矩 ． 2 支 儿“b暇 ～⋯一 “““。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 4 3 。 3水 平支路 管 片水平移 动最 大行程 为 5 0 0 mm．系统压力 取 6 ． 3 MP a ， 液压缸所提供 的最大水平力 1 ． 2 k N。计算液压 缸 内径 取有杆腔为工作腔 ，方法 同上 。计算得 ， D 1 9 ． 5 mm。查 询 标 准 G B ／ T 2 3 4 8 1 9 9 3 ．取 标 准 值 D 2 0 ram， d 0 ． 6 D 1 2 m m。 液压缸行程 ／ 5 5 0 ram。 水平支路 所需最大流量为 q 3 0 ． 1 9 L ／ m i n 3 ． 4姿态支路 姿态 回路 6 k N， 2用缸 ， 每个缸按 3 k N计算 。 姿态 回 路特点是 打开 4个 比例方 向阀 ， 2个正 向 2个反 向， 由 于后退缸 负载小优先 回退 。 继而前进缸 向前推进 ． 这是 一 个顺序动作 回路 计算 液压缸有杆腔 的有效面积 f 取有杆腔为工作 腔 ，方法同上 。计算得 ， D 2 4 ． 6 ra m。查询标准 G B ／ T 2 3 4 8 1 9 9 3 。 取 标准 值 D 2 5 mm； d 0 ． 1 5 ram， 取标 准值 1 6 mm。考虑空 间位置要求 。取 液压缸行程 Z 2 0 0 ram。姿态支路所需最大流量为 q 4 0 ． 2 9 m i n 。 3 ． 5摆 动 回路 姿态回路载荷为 2 k N． 系统压力初算取 6 ． 3 M P a 则 按上述 同样方法计算得 。 摆动缸内径 D 2 5 ram． 杆径 d 1 6 ram。 摆动支路所需最大流量 q s 0 ． 2 9 L ／ n 由于五个支路的执行机构不同时动作 ．因此系统 所需最大流量为 3 8 ． 9 7 L ／ ra i n 。根据系统工作压力及所 需最大流量即可完成 电机和液压泵的选型。 4 仿真分析 为验证盾构管片拼装模拟装置液压系统设计的正 确性 ．下文基于 A ME S i m软件平 台对拼装机 的主要动 作 周 向回转 、 双缸提升 的控制效果进行分析 ， 以确定 所设计液压系统是否满足管片运动需求。 4 ． 1 回转液压 系统仿真研究 利用 A ME S i m仿真软件的液压与机械元件库建立管 片拼装机的周向回转液压控制回路模型如图2所示 图 2 液压 马达及平衡 回路 的仿真模型 根据前面周向回转运 动液压系统设计情况 ．确定 系统仿真参数如表 1 所示 。 表 1 周 向回转 系统仿真参数 图 3为管片最大周向回转速度仿真曲线。从 图 3 可 以得出液压马达输 出转速稳定 ， 响应迅速 ， 系统经过 减速后 ， 管 片回转速度为 6 r ／ mi n ， 能达到模拟实际盾构 管片拼装系统回转速度的标准 ， 因此 ， 所设计周 向回转 液压系统满足需求。 曩 一 时间 ／ s 图 3负载转 速曲线 4 ． 2 双缸同步控制 系统研究 管片拼装 机须在 全 圆周 范 围内完 成管 片拼装 动 作 。 因此 。 随着定位角度 的变化 ， 两个提升油缸所受 外 载荷也不 同。本系统 中采用两个电液 比例阀同时控制 两个提升油缸的伸缩动作 ，下文将在不考虑液压缸的 制造精度误差和元器件的安装误差 的前提下 ．对双缸 承受载荷不同时的同步特性进行分析 。建立提升支路 子液压系统的开环仿真模型 。 如图 4所示。 图 4双缸同步仿真模型 图 5是双 缸分别 在 1 0 0 N， 1 0 0 0 N， 5 0 0 0 N、 1 0 0 0 0 N 的负载差值下 的同步仿真 曲线 。 1 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 O 9期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n 。 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 0 6 恒功率变量泵故障诊断专家系统的研究 林荣珍， 黄志坚， 郭敬恩 广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 5 1 0 0 0 6 摘 要 实践证明． 专家系统在液压系统故障诊断领域中具有其独特的优点。该文在传统专家系统的基础上， 结合神经 网络及模糊理论 ， 开 发一种基于 V i s u al C 与 Ma t l a b 联合编程应用于恒功率变量泵的模糊神经网络专家系统 。 关键词 专 家系统 ； 模糊神经网络 ； 故 障诊断 中圈分类号 T HI 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 1 4 0 3 Re s e a r c h o f F a u l t Di a g n os i s Ex pe r t S y s t e m f o r Co n s t a n t Po we r Va r i a b l e P u mp L ／ N R o n g - z h e n ， HU A NG Z h i - j i a n ， G U O J i n g - e n S c h o o l o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6， C h i n a Ab s t r a c t P r a c t i c e h a s p r o v e d t h a t e x p e r t s y s t e m h a s i t s u n i q u e a d v a n t a g e s i n t h e fi e l d o f h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t d i a g n o s i s B a s e d o n t h e t r a d i t i o n a l e x p e rt s y s t e m n e u r a l n e t wo r k s a n d f u z z y t h e o r y t h i s p a p e r d e v e l o p s a f u z z y n e u r a l n e t wo r k e x p e r t s y s t e m wh i c h i s o n t h e b a s i s o f V i s u a l Ca n d Ma t l a b j o i n t p r o g r a m m i n g a n d i s A p p l i e d t o c o n s t a n t p o w e r v a ri a b l e p u m p Ke y wo r d s e x p e rt s y s t e m； f u z z y n e u r a l n e t wo r k； f a u l t d i a g n o s i s 0 前 言 专家系统在故障诊 断领域 中具有其独 特的优点 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 2 3 作者简介 林 荣珍 1 9 8 9 一 ， 男 ， 广东廉江人 ， 硕士研究 生 ， 研究方 向 机 电 液一 体化智 能控 制及仿 真。 专家级的知识和推理能力 。实践证 明， 它应用于故障诊 断领域可 以提高故障诊断能力 。 但是还存 在知识瓶颈 、 推理能力弱 、 智能水平低等缺点。 神经 网络在知识的获取 、 机器 自学习 、 容错能力方 面有着其独特的优势 ．模糊理论能较好地模拟专家 的 思维方法 。本文结合二者长处开发 的模糊神经网络专 重 趟 0 2 4 6 8 l 0 时间 ／ s 图 5 不 同负载差值下的 同步仿真 曲线 从 图 5可以看 出系统 的同步精度受两缸 的负载差 值大小的影响 ， 当两缸 的负载差值增大时 。 系统的同步 精度下降 ， 但基本在要求范围之 内． 可通过采用闭环控 制策略予以改善 5 结论与建议 基 于 A ME s i m对所设计 的盾构管片模拟装置主要 动作的控制性能进行了仿真分析 ， 结果表 明． 在不考虑 制造与安装误差 的前提下 ．管片的回转速度和双缸同 步精度均满足设计要求。但如果液压缸的制造精度存 1 4 在较大误差或安装时运动副 的配合 间隙不同 ．使两缸 的负载差值超过预期范围 ．那么提升油缸 的同步精度 就会进一步降低 。为保证提升油缸具有较好 的同步精 度 ．建议在支路上增加分流集流阀或采用 P I D闭环控 制系统 参 考文献 梅勇兵。 程永亮。 王宇 飞． 盾构 隧道 管片拼装技 术 的应 用与发 展[ J ] ． 建筑机械， 2 0 1 0 ， 3 7 4 7 6 ． 丁书福． 盾构管片拼装机 电液控制 系统研 究『 D 1 ． 杭州 浙江大 学． 2 0 0 5 ． 孙志超 ． 盾构 机管片拼装 机的结 构设计 与控制系统 研究f D 1 ． 南京 南京理工大学． 2 0 1 3 ． 杨华 勇， 龚 国芳． 盾 构掘进机 及其液压 技术 的应用f J 1 ． 液压气 动与密封，2 0 0 4 ， f 1 2 7 2 9 ． 冯欢欢， 李凤远， 王助锋． 盾构液压技术 现状与发展 趋势【 J ] ． 建 筑机械化 ，2 0 1 2 ， f 5 1 7 7 7 9 7 ． 郝万 军， 张艳伟 ． 崔 国华 ． 全断 面盾 构掘进机 管片拼 装系统 的 技术现状研究 fJ 】 ． 矿 山机械， 2 0 0 9 ， 2 3 1 5 ． 郭凯 峰， 陶建峰， 金林 山， 等． 盾构 管片拼装机液 压提升系统 的 建模与仿真[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 3 1 7 2 1 ． Ⅲ 嘲 嘲