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盾构试验台模拟加载器液压系统仿真分析 * 李慧鑫, 王守城, 李嘉宝, 钟摇 强 青岛科技大学,山东 青岛摇 266061 摘摇 要盾构机试验台模拟加载器是再现试验台掘进工况的装置,其精度的高低就决定了试验台试验研究符合现实 工况的程度。 本文运用 AMESim 和 MATLAB/ Simulink 仿真软件联合建立了液压系统仿真模型,对加载液压系统压力 控制特性进行仿真分析。 并运用 PID 控制策略对液压系统进行控制,使得加载系统的误差精度可满足设计要求。 关键词盾构机;模拟加载;液压系统;联合仿真;PID 控制 中图分类号TG502摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201405-0140-02 Simulation Analysis of Hydraulic System in Shield Machine Test-bench Loader LI Hui-xin, WANG Shou-cheng, LI Jia-bao, ZHONG摇 Qiang Qingdao University of Science and Technology, Qingdao Shandong摇 266061, China Abstract Simulation loader in the shield tunneling machine test-bench is a device to reproduce working conditions of the test -bench, and the accuracy of the simulation loader is a key factor to determine whether the experimental research of test-bench is in accordance with the realistic conditions. In this paper, simulation model of the hydraulic system is established by using AMESim and MATLAB/ Simulink simulation software, and pressure control characteristics of the loading hydraulic system is simulated analyzed. Meanwhile, the PID control strategy is used to control the hydraulic system, in order to make the error precision of the loading system achieve the design requirements. Key words shield tunneling machine; simulation loading; hydraulic system; co-simulation; PID control 0摇 引摇 言 盾构机是一种专门用于隧道暗挖施工的工程机 械。 其在结构上具有金属外壳,在金属壳内装有盾构 整机以及其它相应的辅助设备。 在盾构机的掩护下, 可以进行地下土体的开挖、废弃土渣的排运、盾构整 机的整体推进和管片的安装等地下施工作业[1]。 由于盾构的施工条件恶劣,施工安全要求较高, 在实际盾构掘进过程中进行相关研究成本较高且安 全风险大,因此通过模拟试验进行盾构施工的相关研 究成为主要的研究手段。 盾构机试验台作为研究盾 构机的试验设备也得到了广泛研究。 AMESim 是主要用于液压与机械系统的建模与 仿真的软件,它为用户提供了一个完善、优越的仿真 环境及灵活的解决方案。 MATLAB 是由美国 Math鄄 Works 公司发布的主要用于自动控制、图像信号处 理、时序分析及建模等环境的软件。 本利用 AMESim 进行流体机械建模,并运用 MATLAB/ Simulink 软件 进行数值分析,其联合仿真的效果在如今的多领域系 统处理中处于领先水平[2-3]。 1摇 盾构推进模拟加载系统参数设计 1. 1摇 推进模拟加载系统参数 对于推进模拟加载缸来说,来自推进液压缸的力 是一个负负载。 因此液压系统设计除了满足给定的 主要设计参数外,还要考虑到每个推进模拟加载液压 缸都能完成单独动作且都可以实现快速退回。 推进 模拟加载系统主要设计参数如表 1 所列。 表 1摇 推进模拟加载系统主要设计参数 参数参数值单位 液压缸行程1000mm 液压缸个数3 加载时间50min 额定顶力100kN 最大顶力150kN 额定压力16MPa 最大压力20MPa 1. 2摇 液压缸主要尺寸设计 在本系统中液压缸的加载力是拉伸力。 其拉伸 力 F 是主动力。 如图 1 所示。 图 1摇 液压缸受力图 041 设计与制造摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 *收稿日期2014-09-20 作者简介李慧鑫1988-,女,山东泰安人,硕士,研究方向液压控制。 摇 摇 1 液压缸内径 D 按额定压力计算 F1 仔 4 D2-d2p 其中活塞杆直径 d 根据受力情况和工作压力来选 取。 当工作压力 p7 MPa 时,可取 d0.7 D,D 为 D 4 伊移F1 仔 伊 p 伊 0. 51 伊 n 4 伊 100 伊 103 仔 伊 16 伊 106伊 3 伊 0. 51 圆整后可取液压缸内径 D 为 90 mm。 d0. 7D0. 7伊9063 mm 2 液压缸最大流量计算 系统要求最大速度为 0 100 mm/ min,因此液压 缸所需最大流量为 q缸vA1伊仔伊[90伊10 -2-63伊10-2] 4 伊3 0. 97 L/ min 3 液压缸工作腔最大压力计算 取 浊m0. 9,则 P缸 移F 浊mA 100伊103伊4 0. 9伊仔伊4031伊10-6 11. 4 MPa 2摇 液压系统仿真原理分析 在盾构推进模拟加载系统中其中执行元件是三 个液压缸。 这三个液压缸采用三个液压集成阀块进 行单独控制,所以每个控制模块都是相同的。 其都是 由比例溢流阀、电磁换向阀、节流阀、液压辅件以及相 关的检测元件组成。 因此仿真时可以只选取一个液 压缸的系统回路进行仿真[4]。 如图 2 所示。 图 2摇 模拟加载系统仿真原理简图 3摇 仿真分析 3. 1摇 液压系统 AMESim 模型 利用 AMESim 建立的液压推进系统仿真模型如 图 3 所示。 该推进系统采用的泵源的型号为 PRESC,液压 缸的型号为 HJ010,节流阀的型号为 0R000。 其余的 元件的型号都由系统自己进行选定。 设定具体仿真 参数后进行数值计算。 运行结束后,即将 AMESim 模 型转化为 Simulink 中可以调用的 S 功能函数。 图 3摇 液压系统 AMESim 模型 3. 2摇 液压系统 Simulik 控制模型 采用 PID 控制方法在 Simulink 中对系统建立控 制模型,所建模型如图 4 所示。 图 4摇 液压系统 Simulink 控制模型 3. 3摇 PID 仿真结果分析 在过程控制中,PID 控制以及良好的控制性能得 到广泛应用,并且技术十分成熟。 该算法可以以最优 的配置对过程中的 P 值、I 值以及 D 值进行动态控 制。 在设计和调整方法上都比较完整,工人员可以较 为容易的掌握[5]。 在系统的 AMESim 仿真模型和 Simulik 控制模型 建立好后,利用 AMESim 的输出接口,在 Simulik 中进 行仿真控制运行两个软件同时进行操作,最后在 AMESim 中检查仿真结果。 仿真时还需要设置一些参数值,其中负载中的弹 簧刚度为 1伊1010Ns/ m,粘性阻尼系数为 1伊106N s/ m。 当模拟负载设为 150 kN 时,加载压力设为 6. 5 MPa,仿真时间为 200 s。 调节 PID 控制器中的 kp,ki, kd三个参数,得出系统仿真曲线如图 5 所示。 由图 可知,系统在开始加载时出现振荡。 此振荡经过 20 s 左右后达到稳定,并且稳定性能很好。 总体来说控制 效果比较好,但系统也存在响应特性稍差的情况。 在负载中的弹簧刚度和粘性阻尼系数不变的情 况下,将模拟负载设置为 200 kN 时,加载压力从 0 90 s 时为40 MPa,90 s 后设为7 MPa。 调节 PID 控制 下转第 144 页 141 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 设计与制造