盾构电液控制系统实验平台液压系统设计与研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 01 3 盾构电液控制系统实验平台液压系统设计与研究 陈 馈 ， 冯欢欢 中铁隧道集团有限公司 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 该文 以盾构 电液控制系统实验平台为研究对象 ， 对其刀盘 ＼ 管片拼装机 ＼ 螺旋输送机负载模拟和驱动液压系统 、 推进控制模拟 液压 系统和多 自由度管 片拼装运动控制液压系统进行了方案设计及其主要参数的计算 。 通过仿真分析得出 ， 所设计的液压系统具有较 好的动静态控制特性 ， 能够满足实验平台的控 制要求 。 关键 词 盾构 ； 电液控制 系统 ； 实验平台 ； 液压系统 ； 设计 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 3 0 2 0 0 3 7 0 4 De s i g n a n d S t ud y o n t h e Hy d r a u l i c S y s t e m o f S h i e l d El e c t r o h yd r a u hc Co n t r o l S y s t e m Ex p e r i m e n t P l a t f o r m C HE N Ku i ， F ENG Hu a n 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 ， C h i n a R a i l w a y T u n n e l G r o u p ， 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 S h i e l d e l e c t r o ． ． h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m e x p e ri m e n t p l a tf o r m i s u s e d a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ．T h i s p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e d ri v i n g a n d l o a d mo d e l i n g h y d r a u l i c s y s t e ms o f c u t t i n g wh e e l d ri v i n g ，s c r e w c o n v e y i n g ， s h i e l d t h r u s t c o n t r o l mo d e l i n g ， s e g me n t a s s e mb l i n g ． T h e d e s i g n o f c o n t r o l s c h e me a n d c a l c u l a t i o n o f ma i n p a r a me t e r s a r e ma d e ． Th r o u g h t h e a n a l y s i s o f s i mu l a t i o n r e s u l t s ， we c a n d r a w a c o n c l u s i o n t h a t the h y d r a u l i c s y s t e ms o f p l a t f o r m h a v e g o o d d y n a mi c a n d s t a t i c c o n t r o l c h a r a c t e ri s t i c ， s a t i s f y i n g t h e c o n t r o l r e q u i r e me n t o f e x p e rime n t p l a tf o rm ． Ke y wo r d s s h i e l d e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m； e x p e rime n t p l a t f o rm ； h y d r a u l i c s y s t e m； d e s i g n 0 引言 电液控制系统 占据了盾构施工控制系统总数量的 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 8 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 4 作者简 介 陈馈 1 9 6 3 一 ， 男 ， 湖南新 化人 ， 工程师 ， 学士 ， 现从事盾 构掘进 技术研究 。 [ 1 2 】 【 1 3 】 [ 1 4 】 [ 1 5 ] 【 1 6 1 [ 1 7 】 [ 1 8 】 [ 1 9 】 一 半 以上 ， 其控制性能的好坏直接影响到盾构施工的效 率 、 安全等各个方_面【 - 2 ] 。目前 ， 盾构电液控制技术的研究 群 体 主 要 集 中在 欧 美 和 日本 等 少 数 发 达 国 家 ， 如 H e r r e n k n e e h t 、 Wi r t h 、 R o b b i n s 、 K a w a s a k i 等，我 国还处于 引进 、 消化 阶段p _ 卅 。盾构电液控制系统实验平 台是开展 盾构电液控制关键元器件测试和系统技术试验的重要 车修来 。 马家莹． 电厂锅炉灰渣气力输送 系统设计及其效果 [ J 】 ． 冶金动力 ， 2 0 0 6 ， 6 ． 俄 A ． E ． 斯莫尔 得列 夫 ， A ． B ． 坦 特列夫斯基 ． 成件 物料气力 输送装置[ M ] ． 曾祖良， 余茂祚， 译． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 5 ． 谢一华 ， 程继斌 ． 陶土 、 煤粉流态 化气力输送系统[ J 1 ． 中国铸 造装备与技术 ， 2 0 o 1 ， 6 ． 日 上渑具贞著． 粉粒体 的空气输送【 M】 ． 阮少 明等， 译． 北京 电力工业 出版社 ． 1 9 8 2 ． 日 迁裕． 空气输送 基础[ M] ． 东京 株式会社养臀堂 ， 1 9 8 2 ． 杨伦 ， 谢一华． 气力输送工程[ M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 胡家 富 ， 王庆胜 ， 等． 液压 、 气动系统应用技术【 M 】 ． 北京 中国 电力 出版社 ． 2 0 1 1 ． 路 甬祥． 液压气动技术手册【 M】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 2 ． 张利平． 现代 液压 技术 应用 2 2 0例． 第 2版[ M 】 ． 北京 国防工 业 出 版社 ． 2 0 0 6 ． [ 2 0 】 黄涛勋． 液气压传 动【 M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 1 】 董继先 ， 吴 春英． 流体传 动与控 制【 M] ． 北京 国防工业 出版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 2 2 】 高爽 ， 彭光正 ， 等． 高效节能的减压 阀流量特性测量方 法的 仿真与实验研究f J 1 ． 液压与气动 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ． 【 2 3 1 彭光 正 ， 张宏立 ， 等． 基于一次填充 法的减压 阀流量特 性测 量f J 1 ． 机械工程学报 ， 2 0 0 7 ， 9 ． 【 2 4 】 余 晓明 ， 茅 忠明 ， 等． 减压阀性能试 验与 内部流场数值 计算 [ J 】 ． 上海理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 ． 【 2 5 1 赵大磊， 于志远， 姚晓光． 气动减压阀的静动态特性计算【 J 】 ． 战术导弹控制技术 ， 2 0 0 5 ， 2 ． [ 2 6 1 柴喜 燕 ， 彭光 正 ， 范伟 ． 一次填充法测 量减压 阀的流量 特性 的研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 ， 8 ． [ 2 7 】 王涛 ， 姚蘅． 气动减压 阀流量特性连续测量方法的研究[ J ] ． 中 国机械工程 ， 2 0 1 1 ， 6 ． 3 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 2期 仪器设备 ， 不仅可用于检测盾构电液控制系统的推进比 例控制阀及其集成 、刀盘驱动控制 比例控制阀及其集 成 、 管 片拼装比例控制阀及其集成 、 同步注浆泵 、 液压 泵／ 马达、 液压缸等 的性能 ， 还可 以进行关键液压控制元 器件的寿命试验等。 该实验台能够模拟不同掘进工况条 件下推进系统 、 刀盘驱动、 管片拼装和同步注浆等的功 能实验， 并可对各 自的控制性能进行测试与评估。基于 实验平台 ， 可开展盾构掘进工作参数优化 、 系统控制规 律 、 新型单元技术开发 、 电液控制系统故障再现和分析 等研究工作 。 盾构电液控制系统实验平台对 自主开发盾 构电液控制技术 、 核心元器件和系统具有重要意义。 1 实验平 台简介 盾构 电液控制 系统实验平 台主要 由液压控 制系 统 、 数据采集及控制系统和控制系统软件三部分组成 ， 为便于安装和固定各种被测元件及实现元件之问快速 连接 ， 该实验台采用平台式结构。实验平 台配置了压力 传感器、 位移传感器 、 温度传感器 、 流量传感器等 ， 能实 现各种信号的实时采集 。推力 、 推进速度、 刀盘扭矩 、 刀 盘转速、 以及液压系统状态等参数的实时监测 、 控制及 数据分析可通过多点数据采集及处理系统来实现『 5 _ 。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 ， 产生控制信号 ， 与电液控制阀共 同组成 闭环控制系统。 实验平台的液压系统主要包括 刀盘／ 管 片拼装机／ 螺旋输送机负载模拟 、 驱动及控制系统 ； 推进 负载模拟 、 驱动及控制系统 ； 多 自由度管片拼装定位控 制系统等。 2 液压 系统设计 2 ． 1 刀盘 ＼ 管拼装机 ＼ 螺旋输送机负载模拟和驱动实 验 单元 刀盘 ＼ 管片拼装机 ＼ 螺旋输送机负载模拟和驱动 实验系统采用闭式控制 回路嘲 ， 主要 由驱动和负载模拟 两部分组成 ， 其液压原理如图 1所示。 驱动部分采用变量泵驱动变量马达形式 ，同时回 路 中包含 比例方 向流量阀 ，系统可以在泵控和阀控之 问切换 ， 以满足不同系统模拟实验要求 。为满足不同系 统负载模拟的要求 ，负载模拟部分由闭式系统和开式 系统组成。各子系统具体工作方式如下 1 刀盘驱 动系统 当进行刀盘驱动模拟实验时 ， 两位 三 通换 向阀 2和 阀 l 2电磁 铁得 电 ． 两位 三 通换 向 阀 4电磁铁失电，此时左侧驱动部分组成变量泵控马 达系统 ， 通过改变变量泵 的排量可以改变刀盘转速 ， 进 行刀盘调速实验 。在负载模拟部分中， 刀盘的惯性负载 主 要 是 通 过 实 验 台 中 的 固定 惯 性 轮 和 活 动 惯 性 轮 模 拟 ， 液压泵 7用于对刀盘驱动部分进行加载 ， 刀盘驱动 马达通过减速机驱动液压泵 7 ， 主要模拟盾构掘进时刀 盘切削土体和克服摩擦的扭矩。在右侧负载模拟部分 ， 两位三通换向阀 8和 1 1电磁铁失电 ， 负载扭矩的控制 可 以通过 比例溢流阀 1 0调整加 载系统压力实现 。另 外 ，可以通过设定 阀 1 0的输 入信号控制加载扭矩形 式 ． 从而满足变载荷及不同负载条件下刀盘调速 、 系统 节能及突变载荷适应性等实验要求。在加载泵和液压 马达连接轴上装有力矩转速测试仪 ，可 以实时检测马 达输出扭矩。在整个实验过程中， 两位三通阀 l 3电磁 铁得 电，补油泵 l 4同时向左右两个闭式 回路进行补 油 。 2 管片拼装系统 当进行管片拼装旋转 自由度驱 动控 制实 验 时 ， 因为 实 际系 统为 阀控 马 达 系统 ， 所 以各 个阀的工作状态与刀盘实验中不同。首先 ， 在左侧驱动 系统 中 ． 阀 2 、 阀 4和 阀 1 2电磁铁 失 电 ， 液 压 泵 和液 压 图 1 刀盘 ＼ 管拼装机旋转 ＼ 螺旋输送机驱动模拟实验系统液压原理简图 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 2 ． 2 0 1 3 马达的输入信号为定值 此时相当于定量泵和定量马 达 ， 系统仍 为闭式 回路 ， 马达转速和方 向控制可 以通 过改变电液 比例换 向阀 3的输入信号实现 ，该回路 中 在马达的进 出油 口均装有平衡 阀，以保证马达在超越 负载作用下管片定位 的准确性和稳定性。在负载模拟 部分 ． 系统惯性负载仍通过惯性轮模拟 。 由于管片拼装 机承受的外负载与刀盘系统不 同，因此右侧载荷模拟 系统 的工作方式与左侧不同。此时 ， 阀 8和 1 1电磁铁 均得 电。 使得加载系统变为开式 回路 ， 减压阀用于控制 回路输入液压油的压力 ， 通过改变减压 阀的输入信号 ， 可以模拟管片拼装机在不同转角下受到不同扭矩的实 际工况 ， 阀 9用于改变载荷扭矩方 向。由于负载回路为 开式 回路 。 阀 l 3电磁铁失电 ． 补油泵 l 4仅向左侧驱动 回路进行补油 。 3 螺旋输送系统 当进行螺旋输送机驱动控制 实 验时 ． 两位三通换 向阀 2和阀 1 2电磁铁得电 ， 两位 三 通换 向阀 4电磁铁失 电，此时左侧驱动部分组成变量 泵控 马达系统 ．通过改变变量泵 的排量可 以改变螺旋 输送机转速 ， 进行调速实验 。另外一种新型的螺旋输送 机系统的闸门液压缸和马达为单泵供油 ，因此可以通 过控制 阀 4得 电或失电决定系统是否引入液压缸运动 的干扰 ，当引人干扰时可以验证采用流量补偿控制策 略的单泵供油系统的有效性 ，即能否消除液压缸运动 扰动而准确的调整马达转速。负载 回路各 阀的工作状 态与刀盘驱动实验时相同。 液压控制系统采用模块化设计 ，可 以通过各 阀工 作状态的切换使系统 能够模拟盾构刀盘 ＼ 管拼装机旋 转 ＼ 螺旋输送机驱动实验 ， 在保证实验符合盾构实际工 作状态的条件下 ， 最大程度上简化了实验系统结构 ， 降 低了成本。此外 ， 模块化的另一方面意义是可以对系统 中的某些模块进行替换 ．以满足不 同类型盾构系统测 试的要求 ， 具有可扩展性。 2 - 2 模 拟推 进控 制 系统 针对推进控制技术和控制阀组测试 的要求 ，图 2 给 出一组推进液压缸及控制阀组测试液压 系统液压原 理简图。如该图所示 ， 推进液压缸与加载液压缸采用对 顶 配 置I7 1 推 进 液压 缸 输 出力 和 推进 速 度有 两 种 控制 模 式 比例减压 阀模式和 比例溢流阀 比例调速阀模式 ， 可以通过两位三通换 向阀实现两种不同控制模式 的切 换 。因此 ， 可以完成两种典型推进系统性能对 比实验与 两种推进模式切换扰动规律实验研究 。整个系统中一 共设有四组液压缸 ，采用每组液压缸压力与流量分别 独立控制[8 1 。 可 以对推进系统在不均匀负载条件下多缸 同步控制性能进行研究 。通过对各缸单独控制 ， 可 以实 现模拟盾构姿态调整过程。另外每个推进液压缸活塞 杆端装有力传感器 ， 用于直接测量各个液压缸的负载 ； 系统主油路装有流量传感器 ，可以实时监测泵 的输 出 流量 ． 以便获得压力一 流量特性曲线 。 州 髓l画 I}一 图 2推 进 模 拟 及 多 路 阀测 试 单 兀 液压 原 理 图 盾构 的等效直径设定为 1 7 0 0 mm， 推进力可由传 统经验公式计算而得 2 2 53 0 x1 ． 7 l 5 3 2k N 式中 经验系数 ， 定义为单位面积上 的等效作用 力 ． 范围为 5 0 0 ～ l 2 O 0 k N ／ m ； D 设计推进系统的等效直径。 假定系统压力为 3 1 ． 5 MP a ， 推进液压缸 的内径为 D 、 ／ 、 ／ 4 x 1_ _ 5 3 2 1 2 3 ．9 7 m m V 4 r p V 4 7 r p 根据液压缸标准 ． 将缸径取为 1 2 5 mm。当工作压力 高于 7 M P a ， 活塞杆的直径为 d 0 ． 7 D -- 0 ． 7 x 1 2 5 8 7 ． 5 mm， 将液压缸活塞杆直径取为 9 0 ram。 2 ． 3 多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统 用于模拟盾构管片拼装机液压缸运动控制的系统 原理如图 3所示 。系统 主要由两个竖直提升液压缸和 一 个 水平移动液压 缸 以及控制他们 的 比例方 向阀组 成 。通过 比例方 向阀控制进入液压缸的流量以及方向 可 以实现液压缸运动速度和方 向的控制 ，同时每个液 压缸上均装有位移传感器 ， 可以实时监测液压缸位移 ， 将测得的位移信号反馈 给控制器与 比例方向阀共 同完 成液压缸位移的闭环控制 。竖直提升回路 中的平衡阀 主要用于平衡管片的重力 ，以实现管片在垂直于主轴 方 向上的定位运动更加平稳 ；水平运动 回路 中装有液 控单向阀， 可以保证管片在水平方向上准确定位。系统 由推进系统 的变量泵提供液压油。 图 3推进模拟及多路阀测试 单元液压原理 图 39