新型盾构注浆泵液压系统设计与仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 5月 第 3 9卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUI I CS Ma v 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ． 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 l一3 8 8 1 ． 2 0 i 1 ． 1 0 ． 0 2 9 新型盾构注浆泵液压系统设计与仿真研究 杨俊卿，任德志，徐莉萍，李艳 河南科技 大学机 电工程学院，河南洛阳 4 7 1 0 0 3 摘要注浆泵是盾构施工中必不可少的关键性辅助设备之一 ， 点的基础 上 ，设计满 足盾构 注浆 工艺要求 的注浆 泵电液控制系统 ， 的正确性 ，为高性能注浆泵的研发提供参考。 关键词注浆泵 ；电液控制系统 ；仿真分析 可以有效地控制地面沉降。在分析盾构注浆施工工作特 并用 AM E S i m对 系统进行仿 真分析 ，初步验 证系统设计 中图分类 号 T H1 3 7 ． 7 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 90 9 4 3 De s i g n a n d Si mu l a t i o n St ud y o f Hy d r a ul i c S y s t e m f o r Ne w Gr o ut Pu mp YANG J u n q i n g ，R EN D e z h i ，XU L i p i n g，L I Ya h C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3，C h i n a Abs t r ac t Gr o ut pu mp i s o n e o f t he e s s e n t i a l a n d k e y a u x i l i a r y e q ui p me n t s i n s hi e l d c o n s t r u c t i o n whi c h c a n e f f e c t i v e l y c o ntr o l t h e l a n d s u b s i d e n c e ．On t h e b a s i s o f t h e c h a r a c t e ris t i c s o f s h i e l d g r o u t i n g c o n s t r u c t i o n wo r k ，a n 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 o f g r o u t p u mp wa s d e s i g n e d ，w h i c h c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s h i e l d g r o u t i n g ．T h e s y s t e m w a s s i mu l a t e d i n AME S i m a n d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s y s t e m d e s i g n w a s v a l i d a t e d ．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f h i g h p e r f o r ma n c e gro u t p u mp ． Ke y wo r d s G r o u t p u mp；El 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；S i mu l a t i o n a n a l y s i s 由于盾构外壳外径 比管片外径大 ，在盾尾脱 出管 片时 ，在管 片隧道 与土体之 间就形成一个环形柱状间 隙。如果不及 时填 充该 间隙 ，就 会导致上方土体产生 较大沉降。为有效控制这一沉降，在间隙产生的同 时 ，盾构通过预埋 好的同步注浆 管向该 空隙注入一定 量的混凝土，同时充满间隙的混凝土可提供压力来 支持上方土体 ，防止盾尾脱 出后较大瞬时沉降的产 生 。 日前盾构机一 k 注浆泵采用全液压方式 ，此结构 由 两个插装 阀和 三个二位 四通液动换 向阀构成换 向控制 系统 ，在保证 主油缸 一定 的行程下 ，采用插装 阀获取 换 向信号进而对换 向系统进行控 制达 到吸浆或 排浆 。 该 系统结构复杂 ，逻辑控制较强 ，成本较高。作 者根 据盾构注浆施工要求及特点设计 了一套注浆泵 电液控 制系统 ，具有 结 构 简单 、成 本 低 、易实 现控 制 等 优 点 ，为注浆泵在 国内的研发提供 了新 的思路 。 1 液压系统设计 1 ． 1 盾构 注浆 工况 分析 盾构注浆是指在盾构 掘进 隧道过程 中 ，将 已经搅 拌好 的水 泥 、粉 煤灰 、膨 润土 、砂 等 混 合成 的混凝 土 ，利用单 一管路 ，保持一定压力 ，不 间断地从盾尾 向管 片与周 围土体环形 间隙中及时填充 ，充满 间隙的 混凝 土提供 相应压 力来 支持上方 土体和确保管 片衬砌 的早期稳定性和间隙的密封性 ，从而有效地控制盾构 掘进过程 中引起地 面 沉 降和减 少 结构 漏水 的一 种方 法 。其原理如 图 1 所示 。 _ ． ‘ ． 。 { ’ ． ‘ _ ． ‘ ． - ‘ ． ． ‘ _ ‘ ． _ ． _ ． ● ． ● ． ’ _ _ ● ． ‘ 。 ‘ ‘ ． ‘ _ ● ． _ 。 ● _ ’ ． _ ． t _ ’ ， ● 1 ． ． ‘ ． ● ． ● _ ● _ 1 t 1 ’ ， 1 1 T ， 1 T 1 1 t 1 1 1 1 、 ’ ， 1 1 ， 1 、 ’ 1 1 1 、 、 1 ， 1 ， t 、 T ’ ， t ， ’ ， 1 、 1 ， 1 ， ’ 1 ’ ， 1 ， ’ 、 1 1 、 ’ ， ’ ， t ， 1 ， ’ ， t ， ’ ， ’ ， ， t 、 ， ， ， ， ， ， ， ， - 层 一 ， ， ， 一 ， ， ， - - 图 1 I 司步注浆原理图 1 ． 2 注浆泵工作原理分析 注浆泵工作原理如 图 2所 示。工作 时 ，液压缸 1 无杆腔进} 由，活塞 2在压力油作用 下带动 料缸 活塞 4 右移，此时吸浆口关闭，排浆口打开。混凝土在压力 作甩下通过排浆 口压入输送管道送至盾尾环形间隙。 液压缸 l 有杆腔进油 ，料缸活塞 4左移 ，料斗 内的混 凝土在 自重 和 吸力作 用 下 吸 进 料缸 2 ，完 成 吸浆过 程 。料缸在液压缸 的往复驱动下 ，交替进行吸浆和排 浆 ，实现混凝 土的连续泵送 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 7 作者简介 杨俊卿 1 9 8 4 一 ，男 ，硕 士研 究 生，主要 研 究 方 向为 电液 比例 控制 自动 化。 电话 1 3 9 3 7 9 0 9 1 3 0 ，E～ma i l y a n g j u n q i n g 1 2 6 ． C O rn。 第 9期 杨俊卿 等 新 型盾构注浆泵液压系统设计 与仿真研究 9 5 吸 浆 口 l 一液压缸 2 一液压缸活塞杆 浆 。 活塞 卜 混凝土 图 2 注浆泵工作原理简 图 吸浆 口和排浆 口的开启关 闭特 性是注浆泵 的关 键 部分 ，其位于料斗 、料 缸缸和输送 管三者之 间 ，协 调 混凝土 的进出 ，其性能 的好 坏直接影响注浆 泵的使用 性能 如堵管问题、 输送容积效率以及工作可靠性等 。 1 ． 3液 压 系统设 计 根据上述对注浆泵 的工作原理及运动分 析 ，设计 如 图 3所示 液压系统。用 1 个 比例 阀配合 1 个 两位 四 通 阀构成 3 个 液压缸 的液压控制 系统 。执行 机构 由 3 个液压缸组成 ，1 个液压缸单独 地伸 出和 收 回形 成吸 浆和排浆 ，另 2个液压缸作 为辅 助缸相应地收 回和伸 出形成吸浆 口和排浆 口的相应动作 。 ， l 0 ＼ 料斗／ ／ ， r] Dl D3 I 卜 一 油 箱2 一 过 滤 器3 一 油 泵4 一 电 机 L s 一 比例 溢 流 阀 单 向阀7 _ 压 差开 关 丫0 5 8 --比例阀 9 一主油缸 l o 一料缸 l l 一排浆缸 卜 _ j 2 一 吸浆 缸1 3 一 电磁 换 向 阀 ． 、 ⋯ ’ 山1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、1 行 程 开关 M j 3 2 0 一流量检测器 2 1 一压力检测器 、／、 ，， J ， I 图 3液压 系统原理 图 比例 阀 8进行主液压缸流量控制和换 向控制 。液 压缸 1 1 和 l 2采用异 步连接 方式 以达到两缸的逻辑顺 序 。吸浆时 ，液压 缸 1 1 先 伸 出，关 闭排 浆 口，接着 液压缸 1 2 缩 回，吸浆 口打开 ，料斗 中混凝 土在 自重 和吸力作用下被 吸进料 缸。排浆 时 ，液压 缸 1 2先伸 出，关 闭吸浆 口，接着液 压缸 1 1 缩 回 ，排浆 口打开 ， 混凝 土在压力作用 下进 入输送 管道至 盾尾环 形 间隙 。 这就要求主油缸、吸浆缸、排浆缸按顺序动作，使混 凝土连续吸人和排出 ，防止混凝土倒吸 ，保证注浆泵 正常工作。 泵 出口安装有单 向阀6 ，用于 系统检修 或停止 工 作时防止油液倒流 。压力 回路过 滤器设 有差压发讯装 置 ，当滤芯 污染堵塞 到进 出油 口压差为预设值时 ，发 出开关信号 ，此时应立即更换滤芯 。如不能马上停机 或及时更换滤芯 ，设在过滤器盖 内的旁 通阀会 自动开 启 ，以达到保护 系统的 目的 。油箱 中装有液位控制继 电器 ，当液压 油液位处于最低极 限位置时 ，会发送开 关信 号给控 制器 ，可 以 由控 制器 给 出相应 的警 告信 息。 图3中电磁铁 D 1和 D 2布置在 主液 压缸 9的 回 路 中 ，D 3布置 在辅液 压缸 的 回路 中。系统 工作压 力 由比例溢 流阀 5调定 。电机 4得 电后带 动液压 油泵 3 转动 ，液压油泵 3输 出液压油 。液压 油经过压差 开关 7分成 两路 一路进 入主油缸 回路 ，一路进 入辅助 缸 回路 。当阀 8得 电和 阀 l 3不得 电 时 ，液 压缸 9带 动 料缸 l 0推送混凝 土 ，此 时 D 3不 得 电，液 压缸 1 1 缩 回，排浆 口打 开 ，排 出混凝 土。液 压缸 1 2伸 出 ，吸 浆 口关闭 ，隔离漏斗 以防止混 凝土倒 吸 。当液 压缸 9 运动到远端极 限位置 时 ，对应 的信号 发生 装置 l 5发 出 电信号控制换 向阀 1 3的电磁铁得 电，液压缸 1 l 先 伸 出 ，液压缸 1 2紧接 着缩 回。两 缸动作 瞬间完 成但 有先后顺 序。 当两 缸 都运 动 到指 定 位置 时 触发 装 置 1 6和 l 9 ，发 出电信 号控 制 比例 阀 8换 向 ，液 压缸 9 缩 回进 行吸浆。当液压 缸 9缩 回到近端极 限位 置时 ， 触 发信号 发生装置 1 4进 行辅 助液 压缸换 向 ，而 主液 压缸换 向 则 由辅助 液 压缸 控制 。如 此循 环 ，电磁 铁 D 1和 D 2不断地得 电和失 电 ，液压缸 9随之伸缩 ，液 压缸 1 1 和 1 2随之相应动作 ，控制料缸将混凝 土连续 不断地输送 到工作 面上。在输 送管即注浆 口处装有压 力检测器 和流量 检测器 ，用于检测混凝土 的压 力和流 量 ，构成反馈信 号 ，实时控制注浆泵 ，以达到满意注 浆效 果。 2泵送负载计算 注浆泵泵送压力是指注浆泵工作 时 ，注浆 泵输送 缸活塞前端 的压力 ，只是 随着混凝土 在管路 中流动的 阻力增加 而 增 加 。混 凝 土 在 输 送 管 中 的 流 动 属 于 “ 柱塞 流” 。泵送压力从注浆泵 出 口处最 高降低到管路 末端的 目标值 。 泵 送负载是混凝土在输送管 内流 动时与管壁摩擦 力 、 重 力分力等的合力 。管 内混凝土 在泵送压力作用 下 ，使 混凝土 内的水泥砂浆被挤 向外 围 ，在 管壁形成 一 薄层屈服剪应力较小 的水泥砂浆 ，使 管内混凝 土成 柱塞状在输送管 中作整体 流动 ，其泵送负载按下列公 式进行计算 r ， ， Pl K p g s in O I 十 P 1 L ， J 其中K ， 3 ． 0 0 ． 1 S 1 0 。 K 2 4 ． 00 ． 1 S1 0 式 中 P为泵送压力 P a ；P 为管 片注浆 口处 的压力 P a ； P为混凝土 的密度 k g ／ m ； 石 为混凝 土在 输送 管内 的 平 均 流 速 m ／ s ；X为 输 送 管 的 长 度 m ； 9 6 机床 与液压 第 3 9卷 g为重力加速度 N ／ k g ；r 为输送管半径 m ；0为输 送管与水平面的夹 角 ；K 。 为混凝土 与管壁 的黏着应力 强度； 为与混凝土流速有关的阻力系数；S为混凝 土坍落度 c m 。 采 用一种 工况进行分析 ，输送管为水平布置 ，泵 送距 离为 2 0 m，不考 虑重 力 和惯 性 的影 响。输送 管 采用 D N 1 0 0进行 水平 输 送 ，混 凝 土 的坍塌 度 S2 3 to n i ，混凝土缸直径 为 0 ． 1 8 m，假定 混凝土是 不可压 缩的，则输送管内混凝土的平均流速和输送缸中活塞 速度 的关系为 3 ． 2 4 ，最后得 到 主油缸末端 的压力为 P [ 7 0 5 5 0 ． 8 v ] 5 0 0 0 0 3 系统仿真验证 3 ． 1 仿 真环 境介 绍 作者采用 A M E S i m软件对设计的液压系统进行仿 真分析 。A ME S i m是 法 国 I MA G I N E公 司推 出 的模 块 化建模仿真软件 ，具有大量 的图形化元件模块库 、智 能的求解器、多种仿真模式、线性化分析工具，可在 草图模式下搭建电液比例控制系统 、在参数模式下根 据实际元件性能设置相应的参数 、在仿真模式下进行 仿真 ，可 以得到大量系统参 数曲线 ，便 于分析 系统 的 性能 。 3 ． 2 系统建模 在草图模式下，从 A M E S i m提供的液压库中拖出 所需的液压泵、阀、液压缸 、换向阀等模块 ，的从机 械库 中拖 出电机 、速度检测模块和位移检测模块 ，从 信号库中拖出所需的信号发生模块、功能函数模块 、 比例放 大模块 和 P I D模块 ，按液压系统图连接成 如图 4所示 的系 统仿 真模 型。作者 主 要 进行 流 量 控制 研 究 ，即在一定压力下 ，研究 注浆泵 的运动情况 。检测 液压缸 9的位 移经处理后 与作 为反馈 构成 闭环 控制 ， 间接进行流量控制。 一一～一-一一一一一一一-一-一一一-一一一一 雄 图4 系统仿真模型图 3 ． 3仿 真 曲线及 分析 在子模型模式下 ，为每个元件选择合适的子模型 即数学 模 型 ；在参 数模 式下 ，为 每个元 件 设置 相 应的参 数 ；然后进入运行模式进行仿真 ，设置仿真开 始时间为 0 s ，终止 时 间为 7 S 1 个 运动周 期 ，采 样间隔为 0 ． 1 s 。仿真结束后得到 图 5和 6 。图 5为输 入信号与反馈信号关系图，可知，在注浆泵有效行程 内 ，液压缸呈直线运动 ，其活塞速度基本是恒定可控 的。换向时由于辅助缸的分流 ，反馈信号出现平滑过 渡 ，一 方面减 少了主油缸的液压冲击 ，一方 面实现 了 辅助缸的运动 。图 6为 3 个液压缸 的位移 曲线 ，可 以 看出，3个液压缸是 按先后顺序动作的，当液压缸 9 运动到远程控制端时液压缸 1 1 伸出，关闭排浆口； 下转第 1 0 4页 窜 一 ，，。．． 一 ． _ l～ 1 0 4 机床 与液压 第 3 9卷 a 30 。 g 6 0 。 图 1 0 液力减速器动 轮周期 流道模 型 5结论 1 对液力 减 速器 叶片平 面和 循环 圆 曲面进 行 数学建模 ，分别利用基于曲面方程求解的直接求解法 和基于空问几何 关系的离散点几何 映射法实现 了变 叶 片参数下的叶片外轮廓 曲线的求解 。 2 通过对某 型 液力减 速器 动轮 周期 内流 道模 型进行参数化实例建模 ，分析对 比了两种求解方法优 缺点 ，结果表 明 离散点几何 映射法与直接求解法相 比方法更 优。 参考文献 【 1 】姚寿文， 王晓龙． 液力减速器叶栅系统优化及制动动力 学仿真[ J ] ． 机械设计， 2 0 0 7 1 2 2 1 2 3 ， 4 2 ． 【 2 】朱经昌， 魏宸官， 郑慕侨． 车辆液力传动 上下册 [ M] ． 北京 国防工业 出版 社 ， 1 9 8 2 ． 【 3 】郭刘洋， 杜明刚． C F D为基 的液力减速器结构优化仿真 [ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 9 1 1 0 41 0 6 ， l 1 5 ． 【 4 】王峰， 闫清东 ， 马越， 等． 基于 C F D技术的液力减速器性 能预测研究 [ J ] ． 系统 仿真学 报 ， 2 0 0 7 3 1 3 9 01 3 9 2 ， 1 3 9 6． 【 5 】严军， 何仁 ， 鲁明． 液力缓速器变叶片数的三维数值模拟 [ J ] ． 江苏大学学 报 自然科学 版 ， 2 0 0 9 1 2 7 3 1 ． 【 6 】严军， 何仁． 液力缓速器叶片变角度 的缓速性能分析 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 9 4 2 0 62 0 9 ， 2 2 6 ． 【 7 】王小龙． 液力减速器虚拟仿真 [ D] ． 北京 北京理工大 学 ， 2 0 0 6 ． 7 ． 上接 第9 6页 接着液压缸 1 2缩 回 ，打开 吸浆 口；然后 液压缸 9开 始缩 回进行吸浆。当液压 缸 9运 动到近 程控制 端时 ， 液压缸 1 2先伸 出，关 闭 吸浆 口；接 着液 压 缸 1 1缩 回，打开排浆 口；然 后液 压缸 9开始伸 出进行 排浆 ； 与实际运动情况相符。 O ． o ． -o． ．o ． ．o ． - o ． ．o． ．0． 图5 控制信号与反 图6 液压缸位移曲线 馈信号关 系图 4结 论 作者根据注 浆泵 运 动特 点设 计 出注 浆泵 液 压 系 统 ，该系统具有 以下特点 1 主油路 中设 置 比例 溢 流 阀 ，可动 态地 调整 系统压力 ，保 证系统正常工作 ，达到节能的 目的 ； 2 通过 1个 比例 阀和 1个两 位 四通 换 向 阀的 组合 ，实现 3个液压缸 的换 向动作 ，从一定程度上简 化 了液压控制系统 ； 3 辅 助油缸 采 用异 步连 接 ，实 现 了吸浆 口和 排浆 口的开闭关系 ，同时防止浆液倒吸 ； 4 通 过仿 真分 析可 以看 出 ，常用 的 P I D控制 算法能够控 制 液压 缸 的位 置 ，从 而 间接控 制注 浆 流 量 ，说明 比例阀构成 的阀控制液压系统能够满足注浆 泵 的流量控制 。 参考文献 【 1 】王杰． 岩土注浆理论与工程实例 [ M] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】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 ． 【 3 】吴根茂， 邱敏秀， 王庆丰， 等． 新编实用电液 比例技术 [ M] ． 杭州 浙江大学出版社， 2 0 0 6 ．