一種盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

馮歡歡，陳饋，龔國芳，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001;2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027)

掘進(jìn)方向的精確控制是盾構(gòu)順利施工的前提，而地質(zhì)條件的多變性，經(jīng)常易引起盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)發(fā)生變化［1－2］。盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)通過多組液壓缸的協(xié)調(diào)推進(jìn)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和隧道軸線的控制，其控制性能的好壞直接影響隧道成型質(zhì)量，因此研究盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的控制特性是掌握盾構(gòu)施工技術(shù)的必要前提［3－5］。2004 年，莊欠偉等［6］論述了盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸采用分組控制的可行性，并指出可采用負(fù)載傳感控制技術(shù)以達(dá)到節(jié)能目的。2006年，孫繼亮［7］運(yùn)用MATLAB工具對(duì)盾構(gòu)液壓推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，得出采用分組聯(lián)合控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的良好控制。同年，楊揚(yáng)等人［8］引入模糊自整定PID的復(fù)合控制方法，設(shè)計(jì)了模擬盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)推進(jìn)液壓系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明其控制性能達(dá)到了模擬試驗(yàn)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求。2008年，施虎等人［9］將壓力流量復(fù)合控制技術(shù)引入盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)中，并通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了其可行性。研制盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?yàn)檠芯慷軜?gòu)推進(jìn)系統(tǒng)提供可靠的技術(shù)支撐。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái) (圖1)中一共設(shè)有4組液壓缸，采用每組液壓缸壓力與流量分別獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)在不均勻負(fù)載條件下多缸同步控制性能進(jìn)行研究。通過對(duì)各缸單獨(dú)控制，可以實(shí)現(xiàn)模擬盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過程。加載液壓缸的高壓腔壓力通過比例溢流閥調(diào)節(jié)，因此推進(jìn)液壓缸的負(fù)載可以通過改變加載回路比例溢流閥的輸入信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整。另外每個(gè)推進(jìn)液壓缸活塞桿端裝有力傳感器，用于直接測(cè)量各個(gè)液壓缸的負(fù)載。系統(tǒng)主油路裝有流量傳感器，該傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵的輸出流量，以便獲得壓力－流量特性曲線。

圖1 推進(jìn)模擬單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制方案設(shè)計(jì)

針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)控制要求，采用壓力流量復(fù)合控制技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)4組液壓缸壓力與流量的單獨(dú)控制，在保證控制性能的基礎(chǔ)上，精簡(jiǎn)了液壓系統(tǒng)。圖2給出一組推進(jìn)液壓缸及負(fù)載液壓缸的液壓控制原理簡(jiǎn)圖。

圖2 推進(jìn)模擬系統(tǒng)單組液壓原理圖

如圖2所示，推進(jìn)液壓缸20與加載液壓缸23采用對(duì)頂配置，通過調(diào)節(jié)溢流閥25來模擬推進(jìn)系統(tǒng)外負(fù)載，推進(jìn)缸通過克服負(fù)載缸所施加載荷來模擬實(shí)際盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作過程。推進(jìn)液壓缸輸出力和推進(jìn)速度有兩種控制模式:比例減壓閥模式和比例溢流閥+比例調(diào)速閥模式，可以通過兩位三通換向閥12實(shí)現(xiàn)兩種不同控制模式的切換，可以完成兩種典型推進(jìn)系統(tǒng)性能對(duì)比試驗(yàn)與兩種推進(jìn)模式切換擾動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究，克服了以往只能模擬單一控制模式的不足。另外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還能開展推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載順應(yīng)性實(shí)驗(yàn)、不同負(fù)載及變負(fù)載條件下推進(jìn)液壓缸同步協(xié)調(diào)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)、盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)等。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.1 確定推進(jìn)載荷

設(shè)計(jì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)時(shí)，需要計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力，目前采用較廣泛的是基于施工經(jīng)驗(yàn)的估算公式。則該盾構(gòu)樣機(jī)的設(shè)計(jì)推進(jìn)力為:

式中:β為根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)獲得的系數(shù)，可看作是單位面積上的等效作用力，其取值范圍取500～1 200 kN/m2;

D為該模擬盾構(gòu)樣機(jī)外徑，1.7 m。

3.2 液壓缸選型設(shè)計(jì)

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)采用4個(gè)推進(jìn)液壓缸，取系統(tǒng)工作壓力為31.5 MPa，則推進(jìn)液壓缸缸筒內(nèi)徑為:

則根據(jù)液壓缸標(biāo)準(zhǔn)，將直徑圓整為125 mm?；钊麠U直徑根據(jù)受力情況和工作壓力選取。因系統(tǒng)工作壓力p＞7 MPa，則可取d=0.7D，因此:

圓整后取d=90 mm。

推進(jìn)液壓缸的規(guī)格為φ125/90～1 200 mm，加載液壓缸與推進(jìn)液壓缸采用同樣規(guī)格。為了進(jìn)行模擬盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整試驗(yàn)，在空間共布置4個(gè)推進(jìn)液壓缸。選用某廠GHF1系列高壓液壓缸，型號(hào)為GHF-125/90，該液壓缸內(nèi)置位移傳感器。

3.3 液壓泵選型設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)的最大推進(jìn)速度設(shè)定為0～200 mm/min，則4個(gè)液壓缸所需最大流量為:

考慮比例溢流閥穩(wěn)定工作流量為qr=1 L/min，則泵的輸出流量為:

考慮到實(shí)驗(yàn)臺(tái)后期功能的擴(kuò)展需求 (盾構(gòu)比例溢流閥、推進(jìn)閥塊性能測(cè)試等)，系統(tǒng)流量應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際工況適當(dāng)增加。實(shí)際盾構(gòu)單個(gè)推進(jìn)閥塊通?？刂埔唤M液壓缸，每組通常包含6～10個(gè)推進(jìn)液壓缸，液壓缸直徑為200 mm偏上，即進(jìn)行閥塊測(cè)試時(shí)所需的流量為:

考慮比例溢流閥穩(wěn)定工作流量為qr=5 L/min，則泵的輸出流量為:

因此，為同時(shí)兼顧推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)和后期擴(kuò)展閥塊測(cè)試模塊，主油路選用變量泵，泵的排量為:

式中:ηv為泵容積效率。

根據(jù)系統(tǒng)的最大工作壓力和所需排量，以及系統(tǒng)的工作特性要求，選用某廠A7V系列電控變量泵(原理圖見圖3)，型號(hào)為A7V55EP1LZFOO(帶壓力切斷，單獨(dú)訂購底板和順序閥)，該系列泵的額定壓力為35 MPa，最高壓力40 MPa。

圖3 變量泵液壓原理圖

選用該變量泵的主要目的是為了滿足推進(jìn)系統(tǒng)模擬與姿態(tài)調(diào)整試驗(yàn)和閥塊測(cè)試試驗(yàn)不同流量的需求。該泵除了實(shí)現(xiàn)壓力控制功能外，借助于負(fù)載 (如節(jié)流孔)上的壓差改變泵的流量，僅提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的實(shí)際流量，實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制。推進(jìn)模擬及閥塊測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)際提供最大流量為:

從而可以滿足各型號(hào)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)閥塊測(cè)試要求。

3.4 電機(jī)選型

取系統(tǒng)正常推進(jìn)時(shí)的工作壓力為p=31.5 MPa，最大輸出流量為78.4 L/min，則泵的實(shí)際輸出功率為:

電機(jī)的輸出功率為:

式中:ηm為泵的機(jī)械效率，取0.95;ηv為泵的容積效率，取0.95。

因此選用額定功率為45 kW電機(jī)，選用WEG公司三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 475 r/min，225S/M。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)方案完成了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)(圖4)的制造，實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)使用LabVIEW2010編程語言編制，具有友好的人機(jī)操作界面，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)能對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集。

圖4 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制性能，以下從最大推進(jìn)速度、最大回退速度、最大推進(jìn)力、液壓缸同步性能4個(gè)方面展開實(shí)驗(yàn)研究，得到關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線

由圖5得出，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)的最大推進(jìn)速度、最大回退速度及最大推進(jìn)力分別達(dá)到了4.7 mm/s、7.1 mm/s、1 600 kN，滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí)，在均勻載荷作用條件下，4個(gè)液壓缸的推進(jìn)速度之間存在一定的誤差，但在預(yù)期范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制性能的可靠性，整體上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。雖然液壓缸同步推進(jìn)時(shí)，各自之間的速度存在一定誤差，但通過引進(jìn)PID閉環(huán)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)及其他先進(jìn)控制策略可進(jìn)一步減小速度誤差，進(jìn)而提高液壓缸協(xié)調(diào)同步推進(jìn)性能。

【1】陳饋，洪開榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2009．

【2】侯典清，龔國芳，施虎，等．盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)突變載荷順應(yīng)特性研究［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2013(3):1－6．

【3】房猛．盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)電液控制系統(tǒng)的研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2003．

【4】龔國芳，胡國良，楊華勇．盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)控制分析［J］．中國機(jī)械工程，2007(12):1391 －1395．

【5】馮歡歡．盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制理論研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

【6】莊欠偉，龔國芳，楊華勇．盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)分析［J］．液壓與氣動(dòng)，2004(4):11－13．

【7】孫繼亮．盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的控制仿真研究［D］．淮南:安徽理工大學(xué)，2006．

【8】楊揚(yáng)，龔國芳，胡國良，等．模擬盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的研究［J］．液壓與氣動(dòng)，2006(1):3－5．

【9】施虎，龔國芳，楊華勇．土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(4):42－45．