全断面掘进机综合试验台加载液压系统设计.pdf

垒断面强 进机综含试验台加载 液压系统设计 施虎 ， 周如林 ， 张瑞临 2邓立营 1 ． 浙江大学流体传动及控制国家重点实验 室； 2 ． 北方重工集团有限公 司沈重盾构机分公 司 摘要 为模拟掘进机的掘进过程， 设计开发全断面掘进机综合试验台， 其中用于模拟地质环境的模拟系统由土 箱、 加载系统和密封部分组成。 介绍加载系统的设计思路、 主要功能特点和参数。 为实现加载系统压力实时可调以模拟 不同地下深度的水土压力 ， 同时兼顾加载过程中系统的稳定性和快速性， 采用液压加载。利用 A ME S i m软件对压力控 制油路进行仿真， 比较加载过程中不同压力控制方式的性能差别和特点 ， 分析液压缸加载的控制原理 ， 决定选择比例 溢流阀压力控制方式。完成分区控制的液压加载系统的整体设计和元件选型， 以及液压泵站的三维集成设计。 关键词 掘进机 ； 试 验台 ； 加载 ； 液压系统 研发全断面掘进机时 ， 往往需要针对具体地质 条件及其他工程要求进行个性化设计 ， 掘进机地质 适应性设计技术在掘进机的发展 中格外重要 。隧道 工程地质条件的多样性决定 了掘进机结构形式 和 性能参数 的多样化 ，使掘进机 的设计变得非 常复 杂。现有数学和力学模型难 以描述掘进载荷 、 掘进 过程中结构 、 力学参数的变化 ， 而在施工 现场进行 试验又需要付 出非 常大的经济代价和承担非常 高 的技术安全风险。因此， 物理模拟试验是掘进机关 键技术进步的基础 ， 是提高掘进机 系统可靠性 的有 效手段。 全断面掘进机综合试验 台， 可以完整模拟和再 现掘进过程 ， 试验台主要包括地质环境模拟 、 掘进 、 后配套、 电控和数据采集等几大系统。其中的地质 环境模拟系统 由土箱 、加载系统和密封部分组成 ， 土箱 内装满模拟 特定地质条件所需要 的土 ，试验 时 ， 根据需要注入一定压力的高压水 ， 顶部加 载系 统作用加载力 ，用 以模拟一定深度 的地质条件 ， 掘 进机从下面穿越土箱开展相关试验。本文分析试验 台加载部分的具体功能要求 ， 在对 比不 同液压压力 加载系统 的应用特点基础上 ， 完成 了试验台加载液 压系统的设计 。 1 加载系统概述 加载系统采用液压方式加载 ， 直接将液压缸输 出的力作用在土表面上产生压力。如图 1 和图 2所 示 ， 加载系统主要由加载液压系统 、 加压钢板 、 承受 加载反力的横梁等结构组成 。 图中所示的土箱置于地下 ， 采用高强度钢筋} 昆 凝土浇铸而成 ， 能够承受加载过程中不同土质条件 下的侧 向土压力 。执行加载任务 的液压缸共有 9 6 图 1 土箱及加载 系统截面 图 图2 土箱及加载系统俯视图 基金项 目 国家“ 8 6 3 ” 计划项目 2 0 0 7 A A 0 4 1 8 0 6 作者简介 施虎 1 9 8 4 一 ， 男， 山西应县人， 博士， 研究方向 掘进装备电液控制技术研究。 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 个 ， 呈 1 6 x 6形式分布 ， 共有 l 6根横梁 ， 每根横梁上 安装有 6个液压缸。为实现分区加载压力控制 ， 加 载液压缸做 了如 图 2所示 的分 区， 6个液压缸为 1 个 区， 图中只示 出了第一 、 二两区 ， 每区中间的液压 缸安装位移测量元件 ， 用于检测掘进机掘进过程中 地表的变形情况 。 如图 3 所示， 承受加载反力的横梁是采用钢板 焊接而成的箱式结构体 ， 液压缸半内置于箱式横梁 内， 横梁两端与固定在土箱侧壁上的底板铰接。 铤 制 横梁 图 3 加载横梁三维效果图 1 ． 1 主要参数 加载系统配合土箱完成掘进地质环境模拟任 务 ， 由布置于土箱顶部的液压加载装置提供模拟负 载。加载系统主要参数如下 加载作用总面积 长 宽 m 2 0 x 7 1 4 0 加载系统最大输出压力 MP a 0 ． 6 5 单个液压缸输出力 k N 9 5 0 分区加载控制单 区尺寸 长X 宽 m x m2 ． 5 x 3 ． 5 1 ． 2 功能描述 加载系统的主要功能可概括为 1 全面加压。土箱整个上表面均布载荷以模 拟静态地质环境。 2 分段加压 。通过控制不同分区的压力实现 多点加载以模拟偏载工况。 3 保压。在模拟土层 固结过程 中不同固结形 式时 ， 长时间保持一定的加载压力_ 】 l 。 4 动态加载。 通过实时改变各分 区加载压力 ， 模拟实际隧道掘进中地面动载荷 如地面车辆等 。 5 土体变形监测 。通过装在液压缸活塞杆上 的位移测量装置 ， 实时监测盾构掘进时土体的变形 隆起和沉降等 。 - - 4 0 --- 2 加载液压系统设计 根据加载系统的功能要求 ， 本试验台采用液压 控制的加载方式。由于要求加载压力实时可调 ， 该 加载系统属于典型的电液 比例压力控制系统。系统 共有 1 6 个压力控制分 区， 每区采用 1 个 比例压力阀 控制区内 6个液压缸的输出压力 ， 从而控制土箱 内 的土压力分布 ， 实现多段 、 多点加载 以模拟复杂地 质环境 。 液压加载系统的参数如下 系统总功率 k w 工作压力 MP a 最大速度 m ／ s 高压小流量齿轮泵型号 低压大流量齿轮泵型号 液压缸 型号 缸径／ 杆径 m m 数量 个 2 ． 1 比例压力控制系统 4 0． 5 2 5 0． 0 5 I GP一2 2 5 CBB3 5 0 GGK1 - 2 2 0 ／ 1 25 2 2 o ／ 1 2 5 96 在电液 比例控制系统中 ， 常见的有两种压力控 制系统[2 1 ， 即比例溢流阀压力控制系统和比例减压 阀压力控制系统 ， 如图 4所示 。两种系统均能满足 本试验 台加载系统压力控制的要求 ， 且各具特色[ 3 1 。 为了选择一种更合适土压模 拟加 载的压力控制系 统 ， 通过在 A MS i m软件 中建模仿真， 对两种压力控 制系统进行了对比， 仿真结果如图 5 所示。 由图 5可以看 出， 两个压力加载系统压缩土体 所用时间相同， 约为 3 0 S ， 达到加载压力后系统工作 压力稳定在 2 5 MP a 。在第 3 5 s 时刻 ， 模拟隧道掘进 时的地面隆起给负载施加了一个大小为 1 e m的方 向向上的位移 ， 此时比例减压阀控制系统 出现了一 a 比例溢流阀控 制系统 b 比例减压阀控制系统 图 4 两种 比例压 力控制 系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m t ／ s a 比例减压阀控制系统 3 ∞ 2 5 0 2 0 0 0 5 0 1 ∞ 5 0 0 图 5 加载 系统压力变化 曲线 个短暂 的压力 冲击 ， 随后 又逐渐恢 复平稳 ， 而 比例 溢流阀控制系统受到的影响很小 。导致此现象的原 因是 减压阀加压到设定值之后在保压状态下阀口 处于关闭状态， 而模拟地表隆起的信号使液压缸工 作腔压力短 时增大 ， 减压 阀不能及 时卸荷 ； 相 比之 下 ， 比例溢流阀控制系统 由于始终有油液流过溢流 阀 ， 液压缸工作腔与油箱 之间处 于连通状态 ， 因而 能及时消除压力冲击[4 1。在第 5 5 s 时刻仿真模拟地 面塌陷 1 c m，加载液压缸活塞有向下冲的趋势 ， 导 致工作腔出现压力突降。综合考虑各种因素， 决定 试验台加载液压系统采用 比例溢流阀控制形式[5 1 。 2 ． 2 执行部分设计 采用分 区压力控制的加载液压系统原理如图 6 所示 ， 共有 1 6个相同的分区 ， 图示为两个 分区。加 载系统的工况分为空载快进 、 加载和 回退等 3种。 由于各分区工作原理相 同， 本文仅介 绍其 中一 组 的工作原理。在液压缸活塞杆未碰到土层之前 ， 系统处于空载快进工况 ， 此时主油路压力油经三位 四通换 向阀的左位 、 单 向节流 阀 、 液控换 向阀进 入 液压缸无杆腔 ， 推动活塞运动 ； 二位三通换向阀电 磁铁通 电， 工作在左位 ， 实现差动连接 ， 液压缸有杆 腔液压油流回无杆腔 ， 实现快进。 当液压缸活塞杆开始压土时 ， 二位三通换向阀 电磁铁断电， 工作在右位 ， 液压缸有杆腔连接油箱 。 加载过程 中系统 的压力根据模拟地质环境需要 由 比例溢流阀调定 。 当三位四通换向阀和二位三通换向阀均工作 在右位时 ， 液压缸 回退 卸载 ； 当三位 四通换 向阀工 作在中位时， 配合液控单向阀的锁紧功能 ， 液压缸 停 I E 运动。 t ／ s b 比例溢流阀控制系统 由于一个 压力控制分 区的 6个液压缸分 布在 两根横梁上 ， 回路在每根横梁的 3个液压缸进 口处 分别设置了单 向阀， 用于防止掘进机在掘进过程中 由于推力过大而造成地面局部隆起时， 液压缸无杆 腔短时积聚高压油导致压力突变 ， 从而对 系统造成 损坏的情况发生 ， 相应位置的溢流阀用作安全 阀。 2 ． 3 油源部分设计 如 图 6所示 ， 考虑到本加载液压系统液压缸数 量较多 ， 为了提高系统工作效率， 采用了一种双泵 供油的快速 回路 。在空载快进和快退工况下双泵同 时供油 ， 加载过程中低压大流量泵卸荷， 仅由高压 小流量泵提供 1 6个 比例溢流 阀的溢流流量。该系 统液压缸最大速度可达 0 _ 3 m ／ mi n ， 有效解决 了因液 压缸数量太多导致空载快进速度较低的问题 ， 能够 在很大程度上提高试验效率。图7为加载液压系统 泵站三维模型。 3 结论 通过分析掘进机试验台加载系统的功能要求 ， 采用液压 比例压力加载系统控制土箱 中填土的压 力来模拟不同地质环境 ； 通过仿真分析对 比两种常 用的压力控制系统 ， 选择 比例溢流阀压力控制系统 作 为加 载方式 ， 并进行 了系统设计 ； 采用高低压双 泵供油快速 回路既满足了土箱加载的要求 ， 同时也 兼顾 了试验效率 ； 采用分 区控制 ， 将 9 6个液压缸分 为 l 6 个控制区， 实现了地质条件的分段模拟。所设 计的系统能够正确有效完成加载系统所要求的任 务 ， 满足试验台的功能要求。 - - - 41--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l IE 嘲 _ 尉 订 c 蛹 _ ● l l j 昏 誊 0 _ 蠢 。 1_ 0 _≥ 每 誊2 藏 单区液压加载控制 ⋯／I ⋯ 厂 1 二 ] _ l 田一 卢 [ 日～ D l厂 ～Ⅺ 一 r_ 0 j 。。_c 一 一 广_ 0 J 日 l l 口 ， 忖 [口 J L‘ 卜 _ j I q L L 0 D }翔⋯ 【 在 墓 噩 ◇ j 喜 占t ／油源部分 8 ① ／ 聋 垂 『 ◇ l 图 6 加载液压 系统压 力控制原理图 参考文献 一 4 2 一 图 7 加载液压系统泵站三维图 【 1 ] 杨进 良． 土力学 第三版 【 M】 ． 北京 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】 张利平． 液压控 制系统及设计 【 M】 ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 许益民． 电液 比例控制 系统分析 与设计 [ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】 吴根茂． 新编实用电液比例技术【 M] ． 杭州 浙江大 学出版社， 2 0 0 6 ． 【 5 】 苏健行． 全断面掘进机综合试验台液压系统调速特 性研究【 D 】 ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 8 ． 通 信地 址 浙 江大 学流 体传 动 及控 制 国家 重 点实 验 室 3 1 0 0 2 7 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m