張魏友，黃曉華

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

EPB盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、市政、水電隧道工程［1］。刀盤驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)能耗最大的動(dòng)力系統(tǒng)，目前國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)方式主要有3種:變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)較其他倆種方式具有功率密度高、驅(qū)動(dòng)部件尺寸小、占用空間少，同時(shí)還具備啟動(dòng)力矩小、同步性強(qiáng)、操作可靠等優(yōu)勢，加上電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，液壓驅(qū)動(dòng)已越來越成為各型盾構(gòu)機(jī)的首選方式。

本文首先介紹6.4 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)工作原理，并在AMEsim環(huán)境下利用Signal，Control，Mechanical，Hydraulic，Hydraulic Component Design 模塊，以EPB土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為對象，建立整個(gè)系統(tǒng)的簡化模型，用實(shí)際參數(shù)對刀盤驅(qū)動(dòng)調(diào)速性能和在負(fù)載波動(dòng)情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，分析結(jié)果。

1 刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作原理

刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)由3個(gè)大功率液控雙向比例變量泵和8個(gè)變量液壓馬達(dá)組成的閉式容積調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由變量泵回路、馬達(dá)回路、補(bǔ)油回路、恒功率控制回路、制動(dòng)回路等組成。主回路中選用德國Rexrot公司的A4VSG750HD1/22R軸向變量柱塞泵和A6VM500HA1T/63W的無極變速高壓液控變量馬達(dá)，補(bǔ)油系統(tǒng)中采用SNS940ER46型定量螺桿泵，對主回路進(jìn)行補(bǔ)油置換出熱油并對變量泵殼沖洗降溫，采用A10VO28DFLR 1/31R伺服變量泵和可調(diào)節(jié)的調(diào)速閥對主泵提供先導(dǎo)控制油。系統(tǒng)采用多泵集中液控的方式，在控制回路中當(dāng)壓力為達(dá)到功率限制閥的開啟壓力時(shí)調(diào)節(jié)比例溢流閥調(diào)節(jié)控制壓力從而調(diào)節(jié)主變量泵的排量，當(dāng)電控溢流閥達(dá)到極限后，功率限制閥起作用，對3個(gè)主變量泵實(shí)現(xiàn)恒功率控制;通過壓力閥和2位3通換向閥可以改變變量馬達(dá)的排量，實(shí)現(xiàn)對刀盤轉(zhuǎn)速的高、低兩檔控制，不過刀盤的轉(zhuǎn)速主要還是通過改變變量泵的排量來實(shí)現(xiàn);泵控模塊中在功率限制閥兩控制口壓力并聯(lián)連接壓力順序閥、減壓閥，通過手動(dòng)換向閥可以設(shè)置高低檔不同的安全壓力，此壓力即為高低兩檔時(shí)的脫困壓力。圖1所示為刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

圖1 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

圖2 EPB盾構(gòu)機(jī)刀盤調(diào)速控制流程圖

針對盾構(gòu)施工條件復(fù)雜、狀態(tài)多變的情況，要求盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速易于控制，盾構(gòu)刀盤控制流程圖如圖2所示。盾構(gòu)機(jī)施工過程中，當(dāng)洞壁對盾體的摩擦力矩不夠大時(shí)，盾體將會出現(xiàn)滾動(dòng)，對后續(xù)拖車造成很大破壞。為了能夠糾正這種滾動(dòng)，必須改變刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，可以通過改變刀盤驅(qū)動(dòng)泵變量機(jī)構(gòu)的工作象限來解決，從而達(dá)到改變旋轉(zhuǎn)方向的目的。在粘性土壤中掘進(jìn)時(shí)，因?yàn)橥寥缹Χ荏w的粘性摩擦力矩大，所以切換在低檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這是通過改變變量馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)的;硬巖層切換到高檔，這些操作可通過操作面板的旋鈕來進(jìn)行，見圖3刀盤轉(zhuǎn)速控制面板。旋轉(zhuǎn)控制面板上的電位器時(shí)，電液比例溢流閥21的調(diào)節(jié)壓力相應(yīng)改變，從而改變變量泵的斜盤角度，改變泵的排量，電位器的電平值與泵的排量成線性關(guān)系。系統(tǒng)的恒功率控制是由恒功率控制閥22來調(diào)節(jié)的，系統(tǒng)的負(fù)載壓力通過梭閥4反饋給功率限制閥，當(dāng)反饋壓力高于功率閥設(shè)定壓力值時(shí)，雙向變量泵組的控制油壓降低，泵的排量減小，從而改變變量泵出口的流量，保持泵恒功率輸出。

圖3 刀盤轉(zhuǎn)速控制面板

2 刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)AMEsim建模

AMESim在自身的單一平臺上可以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程的建模和仿真，比如機(jī)械、液壓、電動(dòng)機(jī)等物理領(lǐng)域［2］。AMESim使得用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)?；驹氐母拍睿磸乃心Ｐ椭刑崛〕龅臉?gòu)成工程系統(tǒng)的最小單元使得用戶可以在模型中描述所有系統(tǒng)和零部件的功能，而不需要書寫任何程序代碼?，F(xiàn)具有的應(yīng)用庫有:機(jī)械庫、信號控制庫、液壓庫、液壓元件設(shè)計(jì)庫（HCD）、動(dòng)力傳動(dòng)庫等等［3］。

在不影響分析刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的前提下，為了簡化建模和分析，現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行幾個(gè)方面假設(shè)，并利用AMESim元件庫中成熟液壓模塊來建立仿真模型，1）所有連接管路都認(rèn)定為短且粗，不考慮管道內(nèi)部的壓損;2）油液溫度與油液體積模量都認(rèn)為常數(shù);3）系統(tǒng)假定處在粘性土壤施工條件下，馬達(dá)為滿排量。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型見圖4，部分元件仿真參數(shù)如表1所示。

圖4 刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESIM仿真模型

表1 刀盤液壓驅(qū)動(dòng)部分仿真參數(shù)

3 仿真分析

3.1 刀盤驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性

EPB盾構(gòu)施工作業(yè)時(shí)，由于地形條件復(fù)雜多變，刀盤所受負(fù)載變化很大，具有很大的非線性，因此需要刀盤液壓系統(tǒng)輸出的扭矩能夠?qū)崟r(shí)跟隨負(fù)載的變化，做到動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

以刀盤在粘性土壤中作業(yè)進(jìn)行仿真，設(shè)定刀盤在初始時(shí)給定一個(gè)大小為1 500 kN.m的階躍負(fù)載，持續(xù)10 s后，負(fù)載升至 3 000 kN.m，持續(xù)20 s，在30～40 s內(nèi)保持2 100 kN·m不變，則液壓系統(tǒng)輸出扭矩及其系統(tǒng)壓力曲線如圖5，圖6所示。

圖5 粘土層刀盤扭矩

圖6 系統(tǒng)壓力曲線

從圖中可知，刀盤扭矩在各壓力值下，液壓系統(tǒng)壓力具有很好的跟隨性，能夠?qū)崟r(shí)隨著負(fù)載的變化而變化。

3.2 刀盤調(diào)速特性

刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變量泵變量馬達(dá)閉環(huán)傳動(dòng)方式，可以通過改變泵和馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)刀盤的轉(zhuǎn)速，在黏土中施工作業(yè)時(shí)系統(tǒng)處于低速大扭矩檔，馬達(dá)為滿排量（Vm=500 cc/r），泵的排量主要由電磁比例溢流閥和功率限制閥共同決定。低速大扭矩檔刀盤轉(zhuǎn)速在0～2.762 r/min之間無極調(diào)節(jié)。比例變量泵的電磁溢流閥的調(diào)節(jié)信號如圖7所示。

圖7 電磁溢流閥調(diào)速信號百分比

0～30 s，控制信號線性升至最大，相應(yīng)控制電流為0～200 mA，30～40 s保持最大不變。負(fù)載最大動(dòng)態(tài)庫倫摩擦力矩設(shè)定最大值為5×106N·m，分別將負(fù)載信號設(shè)置為 0.2，0.4，0.6，0.8，1，也即負(fù)載力矩穩(wěn)態(tài)值為 1 × 106N·m，2×106N·m，3×106N·m，4×106N·m，5×106N·m，負(fù)載擾動(dòng)值采用PRBS2模擬，隨機(jī)值范圍為0～1，最大擾動(dòng)值為4×105N·m。仿真時(shí)間設(shè)置為40 s，采樣間隔為0.1 s。仿真結(jié)束繪制刀盤扭矩曲線、各種扭矩下刀盤轉(zhuǎn)速特性曲線、及系統(tǒng)功率曲線如圖8－圖10所示。

圖10 系統(tǒng)功率曲線

從圖9仿真曲線可以知道，在未達(dá)到功率限制閥的調(diào)定壓力時(shí)，功率限制閥不起作用，刀盤轉(zhuǎn)速能按照調(diào)節(jié)信號比例變化，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到功率控制閥設(shè)定壓力時(shí)，控制油從功率控制閥處卸油，控制油壓降低，負(fù)載恒定時(shí)排量恒定，刀盤轉(zhuǎn)速也不發(fā)生改變。圖10液壓系統(tǒng)功率曲線顯示功率適應(yīng)性好，系統(tǒng)輕載時(shí)，所耗功率小;系統(tǒng)重載時(shí)，所耗功率大。具有很好的節(jié)能意義。

4 結(jié)語

通過對EPB盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，可以得知仿真結(jié)果與實(shí)際工程施工現(xiàn)象基本吻合，在低速大扭矩工況下，刀盤轉(zhuǎn)速在0-2.762 r/min之間，符合設(shè)計(jì)要求，滿足工程施工的需要;刀盤轉(zhuǎn)速與電磁溢流閥調(diào)控信號成線性比例關(guān)系，當(dāng)達(dá)到功率限制閥設(shè)定壓力時(shí)，將保持恒功率不變;采用功率限制閥集中控制的變量泵變量馬達(dá)閉環(huán)容積調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境需要提供適當(dāng)?shù)墓β?，比較于閥控型方式具有很好的節(jié)能效益。

［1］陳饋，洪開榮.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北 京:人民交通出版社，2009.

［2］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］劉海麗.基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真研究［D］.甘肅:西北工業(yè)大學(xué)，2006:54-56.