盾构液压推进系统关键技术研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 4期 盾构液压推进系统关键技术研究 冯欢欢， 陈 馈， 张 兵 中铁隧道集团 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 推进系统承担着整个盾构机 的向前顶进 、 换 向及姿态调 整等 一系列复杂任务 ， 其控制性能 的好 坏对盾构施工控制 的多个 方面 均会产 生直接影 响。该文对液压推进系统 中所运用到 的分 区一 分组联合控制技术 、 压力流量复合控 制技术 、 负载敏感技术 、 二通插装技 术等主要关键技术进行 了分析 ， 并对各 自的研究现状和发展前 景进行 了分析 与展望 ， 进而为液压技术在盾构推进 系统 中的广泛应用提 供一定的理论指导 。 关键词 盾构 ； 推进 系统 ； 液压系统 ； 关键技术 ； 研究 中图分类号 T HI 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 3 0 0 1 4 0 4 S t u d y o n t he Ke y Te c hn o l o g i e s o f S h i e l d Th r u s t Hy d r a u l i c S y s t e m F E NG Hu a n - h u a n， C HE N Ku i ， Z HANG Bi n g 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 ri 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 T h r u s t s y s t e m u n d e r t a k e s t h e f o r w a r d p r o mo t i o n ，c o m m u t a t i o n ，a t t i t u d e a d j u s t m e n t ，a n d o t h e r c o m p l e x m i s s i o n s o f s h i e l d ma c h i n e ， S O t h e c o n t r o l p e r f o r ma n c e o f i t h a s d i r e c t i n fl u e n c e o n t h e s h i e l d c o n s t ruc t i o n c o n t r o 1 ． Th i s p a p e r ma i n l y s t u d i e s o n t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h rus t h y d r a u l i c s y s t e m， s u c h a s d i v i s i o n- g r o u p i n g c o mb i n e d c o n t r o l ， p r e s s u r e a n d fl o w c o mp o u n d c o n t r o l ， l o a d s e n s i n g ，t w o wa y c a r t r i d g e ， a n d S O o n ． A n aly s i s a n d p r o s p e c t o f t h e r e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p me n t a r e ma d e ，h o p i n g p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l g u i d a n c e for t h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c t e c h n i q u e i n s h i e l d t h ru s t s y s t e m． Ke y wo r d s s h i e l d； t h rus t s y s t e m； h y d r a u l i c s y s t e m； k e y t e c h n o l o g y； r e s e a r c h 0 引言 盾构 已经成为在发达 国家极为普遍 、在发展中国 家正逐渐得到广泛应用和推广的隧道施工技术 。它是 国家基础建设和资源开发 的重大技术装备 ，采用盾构 掘进技术的隧道施工方法在我国将有非 常广阔的应用 前景。推进系统作为盾构掘进机的重要组成部分 ， 承担 基金项 目 国家 9 7 3课题 2 O 1 2 C B 7 2 4 3 O 8 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 0 作者简介 冯欢欢 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖北 随州人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 现从 事盾 构液压系统设计与研 究。 着整个盾构机的顶进 、 换 向、 姿态调整等任务 。因此研 究盾构液压推进系统是掌握盾构整体性 能的前 提 ， 对 推动我国装备制造水平具有重要意义 。 1 推进系统简介 盾构液压推进系统是一种典型的集机、 电、 液技术 于一体的复杂、 非线性 、 时变系统。在工程实际中， 由于 土层地质条件的复杂性及施工过程中诸多不可预见因 素的影响， 使盾构推进控制变得非常复杂。推进控制不 当会引发地面沉降 ， 造成周 围建筑物开裂甚至倒塌 ， 以 及邻近管线断裂破损等环境灾害【 - 2 ] 。因此 ， 推进系统需 3 小结 通过对大包滑动水 口液压 系统的优化设计 ，很好 地满足了现场生产需求 ，降低 了生产成本及 日常备件 费用 。 同时也保证 了现场生产安全。 参 考 文 献 【 1 】 胡增荣． 液压系统故障分析及处理【 J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 ， 8 【 2 ] 刘忠 ， 杨 国平． 工程机械液压 传动原理 、 故障诊断 与排除【 M】 1 4 - - 一 一 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 ] 冯先锋． 影响修井机液压系统的介质 因素分析与主要对策[ J ] ． 液压 气动与密封， 2 0 1 2 ， 4 ． [ 4 ] 黄志坚． 液压元件使用与维修 1 5 0例【 M】 ． 北 京 中国电力出版 社． 2 0 1 0 ． 【 5 】 周士 昌． 液压系统设计图集[ M] ． 北 京 机械工业出版社，2 0 0 3 ． [ 6 ]6 姜继海． 液压与气体传动[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ] 雷 天觉． 新编液 压工程手] t fl [ M ] ． 北 京 北 京理工大学 出版社 ， 1 9 98 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ．0 4 ． 2 0 1 3 要实现推进速度 、压力 的无级调节和分组油缸间的动 态协调控制 ， 进而实现盾构姿态 、 方向的精确控制。 为了实现它的控制需求 ．在实际系统中运用了分 组联合控制技术 、 压力流量复合控制技术 、 负载敏感技 术 、 二通插装阀技术等一系列关键技术。下文将从技术 原理 、控制特点及运用现状等多个方面对盾构液压推 进系统中所运用的关键控制技术进行分析研究 。 2 关键技术原理分析 2 ． 1 分区一 分组联合控制技术 盾构液压推进系统按照控制方式可将其分 为被动 自调节模式和主动控制模式。在被动 自调节模式下 ， 需 根据外部条件变化 ， 改变系统控制参数 ， 以维持各推进 缸的同步推进状态 ； 主动控制模式下 ， 推进系统需要主 动调节油缸的推进速度与推进压力 ，以实现对盾构推 进方 向和掘进姿态的调整 ，无论在何种模式下推进系 统都要保证各油缸问的动态协同控制。 由于盾构液压推进系统具有大功率 、 变负载 、 工作 条件恶劣等特点 ． 且推进 油缸数量较多 。 因此系统既要 实现 对每个油缸 的单独控制及对 所有油缸 的 同时控 制 ， 又要保证所有油缸具有协调性和同步性。若对每个 油缸实行单独控制 ，必然会增加控制成本及 系统复杂 性 ，因此在实际盾构液压推进系统中常采用分组联合 控制的方式 ， 即将推进油缸沿周方 向划分成若 干子区 ， 对每个子区的油缸分别进行控制 ，这样既可以节约成 本 、 减少控制复杂程度 ， 又可 以实现盾构姿态 、 方 向的 精确控制。因此 ． 在实际施工中 ． 通过协调控制推进缸 来实现分组液压缸的同步推进 ．维持系统推进速度稳 定。在保证控制效果的前提下 。 实际的盾构推进 系统采 用分 区一 分组联合控制方式。 2 ． 2压力流量复合控制技术 在实际盾构施工过程中，由于地层具有复杂多变 性 ， 而不 同地层 的阻力 、 挖掘反推力和水土压力又各不 相同， 进而造成 了掘进阻力随机变化 ； 另一方面为了保 持掌子面的土压平衡 ，推进系统必须针对水土压力的 变化及时调整推进油缸的供油压力 ，因此推进系统的 推进压力必须实时可控。在盾构掘进过程中， 推进系统 既要满足推进力 的要求 又要实现对推进速度 的控制 ， 而单纯 的力控 制系统或速度 控制系统 均无 法满足 要 求 ，通常我们需将两种控制方案结合起来 以实现盾构 掘进系统的控制需求。 盾构液压推进系统采用分组联合控制 。各组分别 进行压力 、 流量 的复合控制 ， 在独立分组中采用节流控 制方式 。通过 比例溢流阀和比例调速阀来实现每个液 压缸的压力 、 流量的复合控制 ， 从而提高系统的控制精 度和动态响应特性 。各分组中均采用压力流量复合控 制技术 ，分组液压系统工作原理及压力流量复合控制 原理简图如图 l所示 。 分组 油路 中设有专 门的压力传感 器和位 移传感 器 ， 可实时检测推进油缸的推进压力及运动位移 ， 并与 分组中的比例溢流阀和比例调速阀构成双闭环控制系 统 ， 即压力控制环 和速度控制环 ， 进而实现了压力与流 量的复合控制。 与单独的压力控制和速度控制 回路相 比较 ，采用 压力流量复合控制技术的推进系统在理论上能够实现 推进速度与推进压力互不影响。当负载变化时 ． 在调速 阀中定差减压 阀的作用下 ，能够保证节流 阀两端 的压 差恒定 ， 根据 Q C AvT p ／ p得 ， 压差不变时 ， 流量只 随阀芯开度 的变化而改变 ， 而不收负载变化 的影响 。 即 速度的调节与负载变化无关 。当流量 或推进速度 变 化时 ， 根据 Q 3 v知 ， 流量变化只会引起液压缸活塞速 度的变化 ， 而对推进压力无影响， 即推进压力的调节与 流量或速度的变化无关。实际情况下 ， 当外负载或推进 速度变化时，推进压力与推进速度也能够维持在一个 动态平衡状态。 1 一 比例调速 阀2 、 9 一 二位二通 电磁换向阀3 一比例溢流阀 4 一 压力传感器5 一 液压缸6 一 位移传感器 7 一 液控单 向阀8 一 溢 流阀 1 0 一 三位 四通 电磁换 向阀 a 推进系统单个分组液压原理 图 数癸 蠢 H 箍 h 魏 H H b 推进 系统压力一 流量复合控制原理简 图 图 1 推进 系统分组油路工作原理及控 制原理简 图 2 ． 3负载敏感技术 负载敏感系统是一种实时检测系统压力一 流量需 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 4期 求 ， 且仅提供系统所需流量和压力的液压 回路 。 它是近 年来 在工程机械领域获得广泛应用 的一项高效节能技 术。 它通过传感器实时检测负载变化信号 ， 经 P L C控制 程序反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构 。 使主控阀进出 口两端压差 压差 由负载敏感 阀的弹簧 调定 保持不变 ， 即泵出口压力总是等 于负载压力与主 控阀两端压差之和 ，液压系统推进压力与负载压力相 适应 ， 消除了系统压力过剩 ； 通过负载敏感装置控制变 量泵的变量调节机构 ，使变量泵的流量始终与负载所 需流量相适应 ， 即系统不会产生过剩流量p - 卅 。 负载敏感技术按发展历程可分为两类 机液负载 敏感技术和电液负载敏 感技术 。盾构液压推进系统主 油路中采用 电液负载敏感技术 ， 其液压原理简图如图 2 所 示 。 在负载敏感泵上集成有负载敏感阀 4及恒压 阀 3 最高压力限定 阀 。恒压 阀 3用于限定泵的最高工作 压力P 。 。通过压力传感器检测出负载变化信号 ， 并通过 控制器反馈到泵 的控制 口，由负载敏感 阀 4对泵 的流 量做相应 的调节 。敏感 阀的阀芯位移会引起泵 的斜盘 倾角改变 ， 斜盘倾角的变化 又引起流量和压力的变化 ． 压力 、 流量 、 阀的位移的变化相互作用 ， 构成一 个负反 馈过程。当它们达到平衡时 ，泵就会 在稳定状态下工 作 ，最终可使泵的输出流量及出 口压力始终与系统所 需 的流量 、 压力 相适应 。 1 一 变量缸 弹簧腔2 一 变量 缸敏感腔 3 一 恒压 阀4 一 负载敏感 阀5 一比例溢流阀 图 2 电液负载敏感 系统液压原理简图 2 ． 4二通插装阀技术 推进系统的主要功能是推动盾构向前运动 ，及保 证管片的准确定位 。按照盾构液压推进 系统的工作状 态可将其分为两种工作模式 推进模式和管片拼装模 式 。管片拼装模式下 ， 推进系统需满足液压缸 的快速退 回， 为管片提供拼装足够空间。采用插装技术不仅能实 1 6 现推进缸 的快速退 回需求 ， 还能减少建设成本 ， 提高工 作效率及系统安全性能 ，推进系统单个分组液压原理 如图 3所示 。 7 图 3推 进 系统 单 个 分 组 液 压原 理 图 快退时 ， 二位三通换 向阀 2 、 4均处于右位 。 插装 阀 1 、 1 3导通 ， 采用大流量供油和出油 ， 三位 四通电磁换 向 阀 1 2处于左位 ， 向液压缸有杆腔供油。插装 阀 1可以为 推进油缸的快速运动时提供快速进油通道 ， 减少液压油 进入液压缸的沿程压力损失 ；插装阀 l 3可以实现为推 进缸快速退回提供快速 回油通道 ，减小液压油 回程 阻 力 ， 插装阀 l 、 l 3同时开启 ， 实现推进缸的快速退 回。 3 运用现状及发展前景 庄欠伟等[ 5 1 以盾构挖掘机为研究对象 ， 阐述 了其液 压推进系统的功能特点和整体结构 ，着重分析 了液压 系统 的控制策略 ，并提出推进缸采用分组联合控制是 可行 的。胡 国良等同 对推进液压缸进行 了分 区控制 ． 阐 述了推进液压系统的工作原理及其控制方式。在此基 础上 ， 施虎等17 1 以推进 系统分区控制中的单组 推进液压 缸为控制对象 ， 建立 了速度控制的数学模型 ， 并进行了 相应 的动态特性分析。龚国芳等嘲 设计了一种基于压力 流量复合控制的盾构推进液压 系统 ，能达到很好的同 步效果 ， 同步精度满足盾构工作需要。周如林等[ 9 1 对采 用分区控制盾构推进系统同步协调控制特性进行了仿 真研究 ，仿真结果表明采用压力流量复合控制技术基 本实现了分组油缸间的速度 同步控制。 2 0世纪 6 0年代一位 工程师开发 了一种负载敏感 液压泵 ， 负载敏感技术随之诞生 。张军对采用负载敏感 多路换 向阀 的 S 1 0 0型等几种掘进机 的液压系统进行 了分析研究 ， 结果表 明采用负载敏感技术 的 S 1 0 0型掘 进机功率损耗最低 【 砌 。杜军等将采用负载敏感式变量 泵 、负载敏感式 比例多路阀的新型掘进机液压系统控 制效果与 E B Z 1 5 0老型掘进机进行 比较 ． 得 出改进后的 掘进液压系统具有更高的稳定可靠性和工作效率【 “ 】 。 贾 连辉等发 明一种盾构液压推进负载敏感控制系统『 l2 1 。 负 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 4 ． 2 0 1 3 载敏感技术在 WI R T H T B 8 8 0 E型隧道掘进机及海瑞克 土压平衡盾构 等的液压推进系统 中均得到成功应用 ， 表现出了良好 的节能和控制性能。 二通插装 阀及其控制技术是 2 0世纪 7 0年代发展 起来 的一项新技术 ，插装 阀技术在主级上采用座 阀结 构并在 回路设计上体现液压阻力控制系统学的设计原 则 ， 使得液压控制系统设计发生 了概念性的变革 ， 将液 压技术 的发展提高到一个崭新的阶段。插装阀的出现 在很大程度上满足了液压技术的发展要求 。同时得到 了世界各国的普遍重视 ， 发展异常迅速 。插装 阀已经广 泛应用于多种工程机械 、物料搬运机械和农业机械『 l 3 1 。 特别是在许多重量和空间受限制 的场合 中，传统工业 液压阀束手无策。 而插装阀却大显身手。但插装技术在 盾构领域 内的运用起步较晚 ， 目前虽有部分运用 ， 但应 用场合较为局限 ，我们应逐步改变现有二通插装阀主 要适用于中大功率或高压大流量 的液压传动与控制系 统 的现状 ，逐步实现广泛应用到 占有率最大的中小功 率或中小流量的液压控制领域 ，充分发挥二通插装 阀 的高效节能作用。 4 结束语 盾构 已成为国家基础建设和资源开发的重大技术 装备 ，采用盾构掘进技术的隧道施工方法在我 国将有 非常广 阔的应用前景。液压控制技术作为盾构关键控 制技术之一 。其性能的好坏直接影响到盾构施工控制 的方方面面 ， 而多年以来 ， 它一直是制约我国盾构施工 控制技术快速发展 的瓶颈之一。在今后几十年里 ． 盾构 掘进机械的快速发展是毋庸置疑的 ，这给液压行业带 来难得机遇的同时 ，也要求我们将盾构领域 的液压控 制技术 的发展推上一个新的台阶 ， 逐步赶上 、 甚至超越 发达国家的步伐 。相信在盾构施工和液压技术等多领 域科研人员 的共同努力下 ， 在不久的将来 ， 一定能够实 现液压技术与盾构施工控制的完美结合 。 参考 文 献 [ 1 】 王梦恕． 中国隧道与地下工程修建技术【 M] ． 北京 人 民交通 出 版社． 2 0 1 0 ． [ 2 ] 张 凤祥， 朱合华， 傅德 明． 盾构隧道【 M 】 ． 北京 人 民交通 出版社， 20 0 4． [ 3 】 黄新 年， 张志生， 陈忠强． 负载敏感技术 在液压 系统 中的应用 [ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 7 ， 9 ． [ 4 ] 冯欢欢， 等． 高效节能技 术在盾构 液压系统 中的应用[ J ] ． 液压 气 动与密封， 2 0 1 2 ， 6 ． 【 5 】 庄欠伟， 龚 国芳， 杨华勇． 盾构机推进系统分 析【 J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 4 ， 4 ． [ 6 ] 胡 国良， 龚 国芳， 杨华勇． 基 于压力流量 复合控制 的盾 构推进 液压系统[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 6 ． 【 7 】 施虎， 龚 国芳， 杨华勇， 陈 明旭． 盾构掘进机推进 速度 控制性能 分析【 J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 8 ． 【 8 】 龚 国芳， 胡国 良， 杨 华勇． 盾 构推进系统 同步协调控制实 验分 析[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 ， 7 ． [ 9 】 周如林， 等． 盾 构推进 系统液压缸 的同步协调控 制[ J 】 ． 工程设 计学报， 2 0 0 9 ， f 6 ． [ 1 0 1张军． 几种掘进机 械液压系统 的分析[ J 】 ． 煤矿机 电． 2 0 0 6 ， 6 ． [ 1 1 】杜军， 等． 新 型掘进 机液压系 统的设计 与改进[ J 】 ． 流体传 动与 控制， 2 0 0 8 ， 7 ． [ 1 2 】贾 连辉， 等 ． 盾构 负载 敏感 控 制系 统 中 国， C N 2 0 1 7 9 4 5 9 3 [ P ] ． 2 01 1 - 04 1 3 ． 【 1 3 】黄人 豪． 二通插装 阀控制技术在 中国的应用研究 和发展 综述 [ J ] ． 液压气动 与密封， 2 0 0 3 ， 4 ． 液压气动与密封 杂志社广告征订 液压气动与密封 杂志是 中国液压气动密封件工业协会精心培育的协会会刊 ， 始终致力于将其打造成行 业 内最权威 的核心平面媒介 ， 是世界第二 、 亚洲最大的 P T C A S I A展会 的唯一指定宣传媒体 ， 杂志的“ 企业之 声” 栏 目及时报道行业的最新动态和资讯 ， 助推液压 、 液力 、 气动和密封行业的旗舰企业 ， 因此是厂商宣传和刊 登广告的最理想场所 。 联系人 颜丽君 ； 电话／ 传真 0 1 0 6 8 5 9 5 1 9 0 ； E m a i l c h p s a g g me i ． n e t ． c n ； Q Q 5 4 3 3 6 9 6 7 3 勘 误 液压气动与密封 杂志 2 0 1 3年第 3期第 7 9页 往复式油气混输泵组合阀滞后角的研究 文 中， 因排版失 误 ， 将图 5与图 6的顺序颠倒。在此， 本刊编辑部 向该文作者及广大读者致歉 1 1 7