謝 群，張俊輝，司寶玉，楊春洋

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.北方重工集團(tuán)有限責(zé)任公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3.沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110042）

0 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際施工過(guò)程中，不同施工地層土質(zhì)及其土壓力的變化會(huì)對(duì)推進(jìn)速度及推進(jìn)壓力產(chǎn)生很大影響。另外，在盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)施工要求，還要做出許多動(dòng)作，比如前傾、后仰、轉(zhuǎn)彎和曲線行進(jìn)，這些都會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向和設(shè)計(jì)軸線產(chǎn)生一定偏差。為了滿足實(shí)際施工需要，本文對(duì)推進(jìn)速度控制采用比例變量泵來(lái)實(shí)現(xiàn)；推進(jìn)壓力控制采用分區(qū)比例減壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，并采用AMESim軟件分析了系統(tǒng)及其操作流程，以保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定高效工作。

1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

推進(jìn)油缸在實(shí)際工作過(guò)程中有兩種模式：推進(jìn)模式和管片拼裝模式。推進(jìn)模式要求推進(jìn)力較大、速度較低；管片拼裝模式為了提高效率，要求推進(jìn)缸伸縮速度快而壓力不是很高。結(jié)合這種特殊工作模式，得到推進(jìn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力單元如圖1所示。動(dòng)力單元由3臺(tái)泵組成，主泵2采用比例變量泵，它主要為系統(tǒng)提供高壓低流量液壓油，擔(dān)任主要的推進(jìn)任務(wù)。在推進(jìn)模式下，操作手通過(guò)控制主控室的電位計(jì)旋鈕，直接控制變量泵的斜盤擺角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)速度的控制；在管片拼裝模式下，該泵以最大流量輸出，相當(dāng)于定量泵使用。在管片拼裝過(guò)程中，由于要求推進(jìn)缸伸縮速度快，而不需要太高壓力，可利用雙聯(lián)葉片泵4為系統(tǒng)提供低壓大流量液壓油，以提高管片的拼裝效率。在盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中，通過(guò)推進(jìn)缸位移傳感器反饋液壓缸實(shí)際行程，通過(guò)PLC計(jì)算實(shí)際運(yùn)行速度，如果與給定信號(hào)產(chǎn)生偏差，利用偏差信號(hào)改變泵的排量使液壓缸推進(jìn)速度與設(shè)定值相同，使盾構(gòu)機(jī)按照給定的速度前進(jìn)。主泵還具有二級(jí)遙控壓力切斷功能，管片拼裝模式的最大切斷壓力由溢流閥11調(diào)定，推進(jìn)模式的最大切斷壓力由溢流閥12調(diào)定，通過(guò)三位四通換向閥10換向，控制二級(jí)壓力轉(zhuǎn)換，這樣可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

圖1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力單元

1.2 推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸分布形式

推進(jìn)系統(tǒng)由20個(gè)液壓缸分為4個(gè)區(qū)控制，其中下邊分區(qū)液壓缸承受開挖力最大，這是由于盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)周向阻力分布不均而造成的，周向阻力呈梯形分布，下部壓力最大。因此下邊的分區(qū)液壓缸數(shù)目為8個(gè)，上、左、右分區(qū)液壓缸數(shù)目各為4個(gè)。圖2為推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸的上分區(qū)原理圖。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中，采用推進(jìn)液壓缸分區(qū)控制可以進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制及糾偏，在系統(tǒng)中對(duì)于每個(gè)獨(dú)立分區(qū)都分別設(shè)有壓力傳感器和液壓缸內(nèi)置式的位移傳感器，以實(shí)時(shí)檢測(cè)各分區(qū)的推進(jìn)壓力及位移。采用比例減壓閥進(jìn)行分區(qū)控制以調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)各區(qū)的推進(jìn)壓力，液壓缸的推進(jìn)和縮回可以通過(guò)兩位三通截止式電磁換向閥直接控制插裝閥。

2 推進(jìn)系統(tǒng)的仿真分析

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)要做轉(zhuǎn)彎或者曲線前進(jìn)時(shí)，分組液壓缸的動(dòng)作均可通過(guò)三通閥控制插裝閥的開啟而調(diào)定，被選擇的分區(qū)液壓缸可以正常工作，沒(méi)被選擇的分區(qū)液壓缸始終不動(dòng)。為了簡(jiǎn)化分析且便于仿真，本研究將插裝換向閥模塊簡(jiǎn)化為1個(gè)三位四通換向閥，省略部分插裝閥只保留比例減壓閥和執(zhí)行元件液壓缸，利用HCD（液壓元件設(shè)計(jì)模塊）建立其HCD模型。單組推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化控制模型如圖3所示。在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)過(guò)程中，比例變量泵可以滿足推進(jìn)時(shí)速度不斷調(diào)節(jié)的要求，由比例減壓閥控制分區(qū)的壓力。在壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中，將壓力升高到25MPa保持不變，經(jīng)過(guò)5s，調(diào)節(jié)泵的比例換向閥輸入信號(hào)，使推進(jìn)流量由25L/min增加到35L/min，仿真時(shí)間10s，系統(tǒng)的壓力變化曲線如圖4所示。在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中，保持最大流量不變，5 s時(shí)壓力從25MPa變化為30MPa，系統(tǒng)的流量變化曲線如圖5所示。由圖4和5可以看出，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間突然加壓、流量突然增加到最大值以及系統(tǒng)的壓力、流量做出調(diào)整時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)的流量和壓力均會(huì)受到一定的沖擊，并產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但短時(shí)間內(nèi)就穩(wěn)定了下來(lái)。

圖2 液壓缸的上分區(qū)原理圖

圖3 單組推進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化控制模型

圖4和5為推進(jìn)系統(tǒng)的壓力和流量突然增加到給定壓力和流量的變化曲線，但在盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際施工過(guò)程中，操作員不可能突然加壓造成大的壓力沖擊。圖6和圖7為變量泵和比例減壓閥連續(xù)緩慢地調(diào)節(jié)給定流量和壓力時(shí)系統(tǒng)的壓力和流量變化曲線。由圖6和7可以明顯看出，推進(jìn)系統(tǒng)的壓力和流量受到?jīng)_擊時(shí)，超調(diào)量明顯減小，控制效果明顯得到改善。

圖4 突然增加到給定壓力和流量時(shí)推進(jìn)壓力變化曲線

圖5 突然增加到給定壓力和流量時(shí)推進(jìn)流量變化曲線

圖6 緩慢地調(diào)節(jié)到給定壓力和流量時(shí)推進(jìn)壓力變化曲線

圖7 緩慢地調(diào)節(jié)到給定壓力和流量時(shí)推進(jìn)流量變化曲線

3 結(jié)論

采用電液比例泵和比例減壓閥設(shè)計(jì)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)是可行的。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中，推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度需要調(diào)整的時(shí)候，采用電液比例泵和比例減壓閥的控制策略能夠很好地根據(jù)推進(jìn)過(guò)程的壓力和速度的改變做出適應(yīng)性的調(diào)整。雖然在調(diào)整時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一些液壓波動(dòng)，但在實(shí)際操作過(guò)程中，操作員在調(diào)節(jié)壓力和流量時(shí)，通過(guò)緩慢連續(xù)加壓和改變流量，可以在一定程度上減少這些波動(dòng)，達(dá)到工程的需求。

［1］吳根茂.新編實(shí)用電液比例技術(shù)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

［2］路甬祥，胡大纮.電液比例控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］謝群，楊佳慶，高偉賢.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009（6）：99-100.