盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)仿真控制?

徐尤南，鄧文強(qiáng)

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種專門用于開挖地下隧道工程的大型、復(fù)雜施工裝備，具有開挖速度快、工程質(zhì)量高、施工安全性好、經(jīng)濟(jì)效益高、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)［1］。在整個(gè)盾構(gòu)系統(tǒng)中，推進(jìn)系統(tǒng)是其關(guān)鍵系統(tǒng)，承擔(dān)整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)任務(wù)，保證盾構(gòu)按照我們?cè)O(shè)計(jì)的路線進(jìn)行施工掘進(jìn)［2］。而推進(jìn)液壓系統(tǒng)作為推進(jìn)系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)動(dòng)作可以使盾構(gòu)在行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏等。因此，適時(shí)無級(jí)協(xié)調(diào)控制推進(jìn)速度和推進(jìn)壓力，能夠有效減少地表變形、控制地表沉降、避免不必要的超挖與欠挖，使隧道設(shè)計(jì)軸線偏差控制在允許范圍內(nèi)［3］。

目前，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的控制技術(shù)一直處于研究與發(fā)展中，由之前的電液伺服控制發(fā)展到現(xiàn)在的電液比例控制，已設(shè)計(jì)出壓力流量復(fù)合控制的推進(jìn)液壓系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)控制推進(jìn)速度與推進(jìn)壓力，使推進(jìn)液壓缸保持合適的姿態(tài)讓盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)軸線向前推進(jìn)［4］。

1 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸的分區(qū)控制

推進(jìn)系統(tǒng)由若干推進(jìn)液壓缸環(huán)向均勻分布在中盾圓周上，若是單獨(dú)對(duì)每個(gè)液壓缸進(jìn)行控制，同時(shí)又保障所有推進(jìn)液壓缸的準(zhǔn)確同步性和合理協(xié)調(diào)性，必然加大操作難度，系統(tǒng)顯得更繁瑣，并且會(huì)加大成本。因此，推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸的分區(qū)設(shè)計(jì)合理性顯得尤為重要。

盾構(gòu)機(jī)在土層掘進(jìn)過程中，主要是受到了開挖面的水土抵抗力、盾構(gòu)機(jī)與土層的摩擦力、尾盾和管片的摩擦阻力及其盾構(gòu)自身重力等，其推進(jìn)機(jī)構(gòu)的受力與力矩簡(jiǎn)圖如圖1所示。

推進(jìn)系統(tǒng)油缸分區(qū)布局與推進(jìn)載荷分布的匹配程度越高，分區(qū)性能就越好，同時(shí)為了方便對(duì)盾構(gòu)機(jī)的駕駛和操作，往往把盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)劃分為4個(gè)分區(qū)［5］，也就是說把盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸分為4組。左、右兩分區(qū)由于受力大體一樣，故分配的推進(jìn)油缸數(shù)目相同，布置方式相同；下分區(qū)由于盾構(gòu)機(jī)本身自重及摩擦力大的緣故，推進(jìn)油缸數(shù)目比上分區(qū)多。假設(shè)有16個(gè)液壓缸，合理分區(qū)是：左D、右B兩區(qū)油缸數(shù)目各為4個(gè)，上區(qū)A油缸數(shù)目為3個(gè)，下區(qū)C油缸數(shù)目為5個(gè)，如圖2所示。

圖1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力及力矩簡(jiǎn)圖

圖2 16個(gè)推進(jìn)油缸分組示意圖

2 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)開環(huán)與閉環(huán)控制仿真對(duì)比

2.1 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)開環(huán)控制仿真

不考慮各分組之間的關(guān)系，只是對(duì)單分組系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)開環(huán)控制仿真模型，如圖3所示。

圖3 開環(huán)控制的AMESim仿真模型

在進(jìn)行AMESim液壓系統(tǒng)仿真之前，先設(shè)定各元件的固定特性參數(shù)，之后根據(jù)工況仿真條件設(shè)定系統(tǒng)的具體參數(shù)。本系統(tǒng)中，設(shè)定負(fù)載力為350kN，黏性阻尼系數(shù)為1 000kN/（m/s），推進(jìn)速度前5s為0.5 mm/s，后5s為1mm/s，采樣時(shí)間0.1s，仿真時(shí)間為10s。仿真得到液壓缸速度曲線見圖4。

圖4 開環(huán)控制推進(jìn)速度仿真曲線

由圖4可知，開環(huán)控制時(shí)，推進(jìn)速度開始有所振蕩，其最大超調(diào)速度達(dá)到0.8mm/s，大概1s后推進(jìn)速度穩(wěn)定在設(shè)置的0.5mm/s，在1s～5s之間，速度保持不變前進(jìn)；在5s時(shí)，推進(jìn)速度同樣存在振蕩，最大超調(diào)速度達(dá)到了1.2mm/s，之后穩(wěn)定在1mm/s。

圖5為推進(jìn)液壓缸的壓力仿真曲線，在開始時(shí)壓力有所上升，并伴隨小幅波動(dòng)，然后穩(wěn)定在7.8MPa，5 s時(shí)壓力有所振蕩，最終穩(wěn)定在7.8MPa。這是由于在5s時(shí)推進(jìn)速度從0.5mm/s上升到1mm/s，進(jìn)而導(dǎo)致壓力波動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到設(shè)置值時(shí)，推進(jìn)壓力會(huì)穩(wěn)定在開始設(shè)置值。

圖5 開環(huán)控制推進(jìn)壓力仿真曲線

由圖4和圖5可知，系統(tǒng)開環(huán)控制時(shí)，其他條件不變的情況下，比例調(diào)速閥流量的改變會(huì)引起推進(jìn)液壓缸壓力的變化，且推進(jìn)速度具有較大的超調(diào)量，復(fù)合控制效果不是很理想。

2.2 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真

為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制，需要常規(guī)PID控制器，將控制推進(jìn)液壓缸的壓力和速度信號(hào)分別反饋到比例溢流閥和比例調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)壓力和流量的調(diào)整，降低速度和壓力波動(dòng)，保證液壓缸正常推進(jìn)時(shí)所需的流量和壓力。

同樣不考慮各分組之間的關(guān)系，只是對(duì)單分組系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真模型，如圖6所示。

圖6 閉環(huán)控制的AMESim仿真模型

在進(jìn)行AMESim液壓系統(tǒng)仿真前，先設(shè)定各元件的固定特性參數(shù)，系統(tǒng)的具體參數(shù)與開環(huán)控制參數(shù)相同。圖7為閉環(huán)控制的推進(jìn)速度仿真曲線，圖8為閉環(huán)控制的推進(jìn)壓力仿真曲線。

圖7 閉環(huán)控制的推進(jìn)速度仿真曲線

由圖7和圖8可以看出，采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)可以較好地對(duì)液壓缸推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在5s調(diào)節(jié)流量時(shí)，推進(jìn)速度經(jīng)過短暫振蕩后達(dá)到穩(wěn)定，雖略有波動(dòng)，但相對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制的推進(jìn)速度超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制效果明顯改善。

圖8 閉環(huán)控制的推進(jìn)壓力仿真曲線

3 結(jié)束語

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)液壓缸分區(qū)控制是可行的，目的是減少控制復(fù)雜程度，更好實(shí)現(xiàn)差動(dòng)控制以達(dá)到盾構(gòu)適時(shí)姿態(tài)調(diào)整［6］。利用AMESim建立推進(jìn)液壓系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)仿真模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)開環(huán)控制時(shí)，液壓缸的速度調(diào)節(jié)會(huì)引起壓力的明顯振蕩波動(dòng)，而采用閉環(huán)控制可有效地協(xié)調(diào)流量與壓力的超調(diào)，控制效果得到改善。

［1］周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］胡國(guó)良，龔國(guó)芳，楊華勇，等.盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)液壓推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2005（2）：92-94.

［3］Hu Guoliang，Gong Guofang，Yang Huayong，et al.Electro-hydraulic control system of shield tunnel boring machine for simulator stand［G］//The Proceedings of ICFP 2005.Hangzhou：Hangzhou Internation Academic Publishers，2005：94-99.

［4］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)，2006：62-66.

［5］莊欠偉.土壓平衡式盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)集成技術(shù)及其應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005：26-28.

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