盾構機推進液壓系統仿真分析(圖)
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摘 要：推進系統是盾構機的關鍵系統之一。本文闡述了盾構機推進液壓系統的原理。利用AMESim仿真工具對該系統進行了仿真。仿真結果表明常規壓力控制會引起流量的劇烈波動，常規流量控制又會引起壓力波動，而壓力流量復合控制方式既可以進行壓力閉環控制又可是進行流量閉環控制，從而減小壓力和流量的波動，達到對推進壓力和推進速度的實時控制的目的。
u! D9 e* F3 k關鍵詞：盾構機，推進液壓系統，壓力流量復合控制；AMESim仿真
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1. 前言
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# u1 x2 p7 D; w' G; @- u' g 盾構掘進機是一種用于地下隧道工程開挖的復雜機電系統，具有開控切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。盾構掘進機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。具有開挖速度快、質量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環境影響小等優點，比之傳統的鉆爆法隧道施工具有明顯的優勢，有著良好的綜合效益。
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2 q1 P1 G0 C* ?- z9 Z 推進系統承擔著整個盾構機械的頂進任務，要求完成盾構掘進機的轉彎、曲線行進、姿態控制、糾偏以及同步運動，使得盾構掘進機能沿著事先設定好的路線前進，是盾構機的關鍵系統之一。
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2 `, r. Z& ?$ H. i$ ~( ]& Y O 考慮到盾構掘進機具有大功率、變負載和動力遠距離傳遞及控制特點，其推進系統都采用液壓系統來實現動力的傳遞、分配及控制。2 n6 w' }) W% u6 v# i2 C
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8 q: h; L# o2 s5 Q/ [ 本文針對盾構推進液壓系統的工況要求采用AMESim 仿真工具進行了系統的相關分析研究。仿真結果對實際系統的設計具有重要意義。
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2 推進液壓系統原理介紹
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. z# ^2 I: x, D% a 盾構機推進液壓系統原理圖如圖 1 所示。比例溢流閥 3 調節液壓缸壓力，達到壓力控制；比例調速閥14 來調節進入系統的流量，達到速度控制；三位四通電磁閥 12 實現推進缸的推進、后退和停止狀態；插裝閥 1 可以為推進油缸的快速運動時提供快速流通通道，減少液壓油進入液壓缸的沿程壓力損失。插裝 13可以實現為推進缸快速退回提供快速流通通道，減小液壓油回程阻力。溢流閥 10 可以對系統起緩沖作用，當液壓缸進行推進的瞬間進油口會出現瞬時的過載，這樣溢流閥就會立即開啟形成短路，使進、回油路自循環，過載油液得到緩沖；二位二通閥 7 通電可以對故障中液壓缸進行卸載檢修，減小卸載中的壓力沖擊。阻尼孔用來調節插裝閥的開啟速度，改變插裝閥的靜動特性和減小液壓沖擊，同時可防止二位二通閥 7 卸載時產生的壓力沖擊。阻尼孔的直徑范圍一般為 0.8～2.5mm。
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3 推進液壓系統仿真分析
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3.1 仿真模型0 I. L# v- P2 W, _. K
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9 K- N' n$ Y/ a( i( z 盾構推進時，系統的插裝閥 1 處于關閉狀態，三位四通閥 12 置于右位，液壓油通過比例調速閥 14 和三位四通閥 12 流入液壓缸無桿腔，有桿腔液壓油通過三位四通閥 12 和比例溢流閥 1 流回油箱。當盾構掘進時，插裝閥 1 打開，三位四通閥 12 置于左位，液壓油流入液壓缸有桿腔，使油缸回退。通過比例液流閥和比例調速閥來設定系統的壓力和調節系統的速度。為簡化分析且便于仿真的進行可以省略插裝閥 1，插裝閥 13 和三位四通閥 12，得到簡化原理圖如圖 2 所示。% R# f1 g- u1 M7 A% H# u
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利用AMESim建立系統簡化的仿真原理模型圖如圖 3 所示。液壓輸入取恒壓輸入模型PRSEC，作為執行元件的液壓缸選用系統模型HJ010，管道選用系統HL000[5]。由于AMESim軟件自身沒有帶比例調速模型閥和比例壓力閥模型，故利用HCD（液壓元件設計模塊）建立其HCD模型如圖 3 所示。
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仿真時壓力達到設定 8.5Mpa 時，負載速度從 0載速度上升到 0.001mm/s，負載力設定為常數：12361N。! O* j* G! h6 |: K5 x w) y, O" ^4 i
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3.1.1 推進壓力開環控制仿真5 E3 ~: V, Z8 E+ r! U* [0 e$ E7 a5 r
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流量閥的流量設定為 11.4L/min ， 壓力閥為10.5Mpa，當液壓缸壓力達到 8.5Mpa 時負載速度從 0上升到 0.001m/s。壓力閥在 100s 時調節為 10.5Mpa，200s 時調節到 9.0Mpa。 圖4為調整壓力時液壓缸壓力圖和流量曲線圖。其中 1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。
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0 x \& O4 L5 ?/ m7 p' }圖4 調整壓力時液壓缸壓力和流量曲線8 r! }5 b. B% f& O2 n
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壓力上調時，液壓缸速度出現上升的較大波動，直到壓力達到調壓閥設定的新壓力值。壓力下調時，液壓缸速度出現下降較大的波動直到壓力達到調壓閥設定的新壓力值。因此，液壓缸調節壓力時應緩慢進行，防止缸速度變化太大。
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: Z# p. T) t% U3.1.2 推進流量開環控制仿真7 Z8 u& x+ T |0 d! G4 j& p9 v
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+ V" E7 }! y3 t% A8 [) F 流量閥的流量設定為 11.4L/min ， 壓力閥為10.5Mpa，當壓力達到設定值 8.5Mpa 后負載速度從 0上升到 0.001m/s。流量閥在 100s 時調節為 11.4L/min，200s 時調節到 5.7L/min。負載速度在 100s 時調節為0.0005m/s，200s 時調節為 0.001m/s。圖 5 為調整流量時液壓缸壓力和流量曲線圖。其中 1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。
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# D0 ?% a/ L$ z; S4 t 上調流量時，液壓缸速度上升波動，壓力有微小變化。下調流量時，液壓缸速度下降波動，壓力已有微小變化。液壓缸壓力微小變化取決于比例溢流閥溢流量的變化。1 V7 x- ^, T& [4 } d
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! h% J( g; I1 o- C& d 從圖 4 和圖 5 的仿真結果可以看到，單純的壓力控制會引起流量波動，單純的流量控制又會引起壓力的波動，兩者都不能達到很好的控制效果。' _$ I. v& U& l5 s3 @2 J
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3 z% ]4 s; L+ |: A- Q! P3.2 壓力流量復合閉環控制方式6 \( z: t/ ^2 K
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$ D- i0 S' O3 J( Z7 Q2 C 為了實現壓力流量復合閉環控制，采用以下控制原理。分別對液壓缸的壓力流量信號進行采集反饋，比例壓力閥作為壓力流量復合控制的主要執行元件，比例流量閥實現流量大致范圍的控制，提供液壓缸正常推進和比例壓力閥穩定溢流所必需的流量，如圖 6所示。* y2 f m. {+ T5 q' X
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復合控制采用內環流量閉環控制，外環壓力閉環控制，為了減小流量最大波動量在壓力閉環PID控制后增加一個閾值控制器，通過設定閾值就可以控制流量最大變化量。其中P為系統控制要求壓力，QV為液壓缸正常推進所需流量，QY為比例壓力閥穩定溢流所需流量。$ D/ F) w9 d' `7 X
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, V& }9 S- G ~6 C) `( _* Y 推進負載速度為斜坡輸入，在30s內從0mm/min達到為60mm/min，流量閥的流量設定為QV＋QY＝20l/min，壓力閥P為10Mpa，在150s時調節為9.0Mpa。分別調節闕值為1，2，3 可得推進液壓缸壓力曲線如圖7所示，流量曲線如圖8所示。! Y( h# w: m3 }0 u+ o
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增加閾值可以增加壓力回路控制時間，但是相應地增加了系統流量波動。減小閾值可以明顯地減小了系統流量的波動，但是會增加了系統壓力的控制時間。但和單純的壓力或流量控制相比較，壓力和流量波動有了很大的改善，控制效果取得了明顯的提高。
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( X5 {4 P& I& q3 L* ^4 結論; x! u/ @4 |0 {+ L7 ]' \& Y
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9 g) `; j6 r$ i. k* c 仿真結果表明，盾構推進工況下常規壓力控制會引起流量的劇烈波動，常規流量控制又會引起系統壓力的波動。而壓力流量復合控制方式可以既進行壓力閉環控制又進行流量閉環控制，同時通過調整閾值的大小，可以不同程度上減少壓力調節引起的液壓缸的速度波動。 |
發表于 2009-3-17 13:46:48
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