?200mm微型TBM試驗臺液壓系統(tǒng)設計與仿真

白 云，郭京波，劉建東，苗 磊

（石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043）

1 引言

隨著全國鐵路交通和城市基礎設施建設的迅速發(fā)展，社會進入了地下開挖與利用的新時代。其中，全斷面掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）得到了廣泛應用，它是一種具有掘進、出碴、支護和通風防塵等多種功能為一體的大型高效隧道施工機械[1]。

相比隧道施工的傳統(tǒng)鉆爆法，TBM 法在效率、安全、環(huán)保和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，對不同地質條件的適應能力逐漸增強，造價降低，在隧道建設中的應用越來越多。

TBM是一種集機、電、液、光、計算機技術為一體的的大型隧道施工重大技術裝備，價值昂貴[2]。國內有些學者雖然已經(jīng)對微型TBM做了一些研究，文獻[3]分析了微型隧道掘進機在城市共同溝施工中運用的特點和優(yōu)點，并提出了一些意見和建議。文獻[4]研究了不同工作模式下TBM試驗臺撐靴與圍巖接觸均勻性仿真分析。但是較少對用于實際隧道施工的微型TBM進行液壓系統(tǒng)設計與研究。

根據(jù)隧道實際施工的條件和試驗臺的功能要求設計并制造了?200mm 微型TBM 試驗臺，包括試驗臺的主運動部分和推進系統(tǒng)的設計，說明了微型TBM 工作過程和運動情況。然后重點分析其液壓系統(tǒng)的參數(shù)要求、控制功能、工作原理并進行選型和油路設計。研究微型TBM 引出的液壓系統(tǒng)的合理性并基于AMESim軟件對推進系統(tǒng)進行仿真分析[5]。

2 微型TBM試驗臺結構及工作原理

2.1 機械結構

微型TBM 能夠掘進直徑?200mm 的巖石隧道，實驗臺可以模擬深部巷道/隧道在巖爆條件下TBM開挖過程。在模型隧道開挖設備方面，通過設計一種微型TBM，實現(xiàn)合理仿真實際TBM開挖的主要巖機相互作用，包含刀盤推力，扭矩、護盾接觸力、撐靴壓力等因素對巖爆的影響。

微型TBM的結構包括刀盤、護盾、前推進系統(tǒng)、水平支撐系統(tǒng)、刀盤驅動旋轉系統(tǒng)、后推進系統(tǒng)、巖渣處理裝置、計算機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，結構模型，如圖1所示。

圖1 微型TBM結構模型圖Fig.1 Structural Model Diagram of Micro TBM

刀盤設計開挖直徑為200mm，采用鑲嵌硬質合金頭或者碳化鎢材料的刀具，對巖樣進行切削代替滾刀滾動破巖。結構采用三受力臂結構，硬質合金柱焊接在每根臂上，采用三臂結構，研磨切削，便于采用多種出渣方式，最大限度地避免了二次磨損。刀盤中間部位留有噴水孔。

護盾位于刀盤后面，為圓筒體結構，用于保護微型TBM內部設備及維持巖壁穩(wěn)定，與刀盤一起向前移動，護盾通過一對圓錐滾子軸承安裝在推進軸上。工作過程中，刀盤旋轉切削巖層，切下的巖粉通過護盾下凹槽流出。

水平支撐由4 根微型油缸組成，分為上下2 組，每組2 根油缸，水平支撐將撐靴推壓到隧道巖壁上，為推進系統(tǒng)提供摩擦力。

刀盤驅動旋轉系統(tǒng)由電機、減速機、聯(lián)軸器、旋轉軸、傳動軸、軸承、控制系統(tǒng)等組成，控制系統(tǒng)能夠對電機的轉速進行控制，轉速、扭矩可以實時監(jiān)控與控制。微型TBM試驗臺采用液壓推進形式，分為前推進和后推進兩個部分。前推進為圓柱空心油缸，油缸活塞桿與端蓋連接，缸體與水平支撐系統(tǒng)連接，液壓推進為內置式。后推進位于刀盤后邊，原理與前推進油缸相同，待后推進油缸伸到指定位置，空心油缸伸出實現(xiàn)掘進。

圖2 微型TBM實物圖（局部）Fig.2 Micro TBM Physical Drawings（Local）

2.2 工作原理

試驗機的工作過程分為三個部分：

（1）準備（掘進起始前）：空心油缸（后推進系統(tǒng)）向前推進到工作位置停止。水平支撐在支撐油缸作用下，將撐靴擠壓在洞壁上，撐靴與巖壁間存在一定作用力。

（2）掘進：首先使刀盤在電機、減速機、傳動軸帶動下旋轉起來，然后開啟推進油缸推動刀盤向前，實現(xiàn)掘進；同時，噴水出渣系統(tǒng)工作。推進油缸的推進速度為掘進速度，根據(jù)實際情況調整控制。當推進油缸推完一個行程時，停止掘進。

（3）換步：收縮水平支撐油缸，使得水平撐靴脫離洞壁（10~20）mm，推進油缸收縮，帶動水平支撐前移一個行程，推進油缸停止收縮。打開水平支撐，水平油缸伸出，使得撐靴壓緊洞壁，換步結束，可以重新掘進。

3 微型TBM試驗臺的液壓系統(tǒng)及工作原理

3.1 微型TBM試驗臺液壓系統(tǒng)設計

根據(jù)實驗要求，微型TBM試驗臺液壓系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1 微型TBM液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Micro TBM Hydraulic System Parameters

微型TBM試驗臺的驅動力大部分來自于液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過后推進油缸推進，水平支撐油缸伸出與縮回，前推進油缸伸出與縮回等動作，完成一個行程的推進，其液壓控制系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

圖3 微型TBM液壓原理圖Fig.3 Hydraulic Schematic Diagram of Miniature TBM

推進液壓系統(tǒng)原理圖主要由液壓泵、液壓缸、單向閥、過濾器、溢流閥、液壓鎖、三位四通電磁換向閥等組成。水平支撐液壓系統(tǒng)有4個液壓缸、液壓鎖、三位四通電磁換向閥、溢流閥、油箱等組成。液壓站上的液壓閥組，如圖4所示。

圖4 液壓閥組Fig.4 Hydraulic Valve Set

3.2 液壓工作原理

（1）準備過程

打開總電源，按下操作按鈕，電磁鐵通電，三位四通閥處于右位，液壓泵壓出的油液通過單向閥、管路濾油器、三位四通閥處于右位、溢流減壓閥，進入到推進油缸的無桿腔，使后推進油缸活塞桿伸出，到指定位置按下停止按鈕；然后按下水平支撐油缸的伸出按鈕，三位四通電磁換向閥處于右位，與后推進油缸類似的過程，使四個水平支撐油缸的撐靴油缸伸出頂?shù)蕉幢?，擠壓后停止伸出。

（2）掘進過程

打開電機開關，刀盤通過電機、減速機、傳動軸的帶動下旋轉；按下推進按鈕，推進系統(tǒng)的三位四通電磁換向閥處于右位，液壓泵壓出的油液通過單向閥、管路濾油器、三位四通閥處于右位、溢流減壓閥，進入到空心油缸的無桿腔，使推進油缸活塞桿伸出，掘進一個行程后停止。

（3）換步過程

按下?lián)窝ビ透卓s回按鈕，水平支撐系統(tǒng)三位四通電磁換向閥換到左位，此時液壓油經(jīng)過油路進入到撐靴油缸的有桿腔，使活塞桿縮回至初始位置；然后類似的操作縮回空心油缸的活塞桿，帶動水平撐靴系統(tǒng)前進一個行程，完成一個行程的掘進。

4 微型TBM試驗臺液壓系統(tǒng)建模分析

4.1 模型建立

考慮到實際的工作情況，重點考慮前推進油缸和后推進油缸的工作性能，對圖3的原理圖需要做合理的簡化，啟動AMESIM軟件，并調用系統(tǒng)里面常用的機械庫、液壓庫和信號庫，然后建立微型TBM試驗臺液壓控制系統(tǒng)模型。

4.2 參數(shù)設置

（1）系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)各個元件的實際類型，選擇合適的子模型，然后為子模型設置參數(shù)[6]，系統(tǒng)分析用到的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 液壓仿真主要參數(shù)表Tab.2 Main Parameters of Hydraulic Simulation

（2）各個液壓元件的參數(shù)設置

液壓泵選用柱塞泵，最大排量為每2.5mL；后推進油缸的缸徑設定為80mm，桿直徑為55mm，行程為1100 mm；前推進油缸的缸徑設定為130mm，桿直徑設定為100mm，行程為150mm。

溢流閥的公稱壓力為30MPa，溢流壓力為25MPa，通過最大流量210L/min；三位四通電磁換向閥選用HSV34，其最大壓力為35MPa，通過最大流量為220L/min；減壓閥最大壓力300bar，開啟壓力250bar。后推進油缸負載設為2000kg，前推進油缸負載設為3000kg。

4.3 仿真與分析

設置系統(tǒng)的分析啟動時間0s，后推進液壓缸行程分析時間為15s，時間步長為0.1s。后推進油缸關閉后，開啟前推進液壓缸，行程分析時間共15s，時間步長為0.1s。分析如下：

4.3.1 后推進油缸分析

當后推進油缸壓力伴隨著負載增加而增加，當壓力上升到工作壓力值時，壓縮缸保持在200bar，如圖5所示。缸的速度從圖6可知，在第1s 期間，速度急劇上升到0.016m/s，然后下降到0.012m/s隨著時間逐漸增大到0.018m/s附近，出現(xiàn)了上下抖動狀態(tài)，是由于缸泄露的影響。由圖7可知，活塞桿位移隨著時間逐漸增大，曲線斜率基本穩(wěn)定，故活塞桿伸出過程比較平穩(wěn)。仿真結果表明，壓力變化趨勢穩(wěn)定，推進速度僅有小幅抖動，基本正常。

圖5 后推進油缸進口壓力分析曲線Fig.5 Analysis Curve of Inlet Pressure of Rear Propulsion Cylinder

圖6 后推進油缸活塞速度分析曲線Fig.6 Velocity Analysis Curve of Back Propulsion Cylinder Piston

圖7 后推進油缸活塞位移分析曲線Fig.7 Displacement Analysis Curve of Back Propulsion Cylinder Piston

4.3.2 前推進油缸分析

當后推進油缸壓力伴隨著負載增加而增加，當壓力上升到工作壓力值時，壓縮缸保持在135bar，如圖8所示。缸的速度從圖9可知，在第1s期間，速度急劇上升到5mm/s，然后在第2s開始上升速度減緩，并穩(wěn)定在6mm/s附近。由圖10可知，前推進油缸活塞桿位移隨著時間逐漸增大，曲線斜率基本穩(wěn)定，故活塞桿伸出過程比較平穩(wěn)。仿真結果表明，壓力變化趨勢穩(wěn)定，推進速度正常。

圖8 前推進油缸進口壓力分析曲線Fig.8 Analysis Curve of Inlet Pressure of Forward Propulsion Cylinder

圖9 前推進油缸活塞速度分析曲線Fig.9 Speed Analysis Curve of Forward Propulsion Cylinder Piston

圖10 前推進油缸活塞位移分析曲線Fig.10 Displacement Analysis Curve of Forward Propulsion Cylinder Piston

5 結論

（1）設計制造了符合模擬實驗研究的?200mm 微型TBM 試驗臺。其可以模擬深部隧道在巖爆條件下TBM開挖過程，并且仿真刀盤推力，扭矩、護盾接觸力、撐靴壓力等因素掘進過程的影響。針對試驗臺的工作原理，分析了其機械結構，而且對刀盤、護盾、前推進系統(tǒng)、水平支撐系統(tǒng)、刀盤驅動旋轉系統(tǒng)、后推進系統(tǒng)、巖渣處理裝置、計算機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等進行了詳細的介紹。

（2）分析了液壓系統(tǒng)的參數(shù)要求、控制功能、工作原理并進行選型和油路設計；設計了液壓原理圖，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理，具體分析了各個液壓元件在每一步的工作情況。

（3）運用AMESim軟件對試驗臺的后推進系統(tǒng)和前推進系統(tǒng)進行仿真。結果表明，均布定載荷情況下，油缸進油口壓力穩(wěn)定增大并保持在工作壓力值附近，推進速度負載后基本保持不變，活塞桿伸出位移平穩(wěn)增大，性能良好，滿足工作要求。

（4）僅在均勻分布定載荷進行推進系統(tǒng)性能仿真。在接下來的工作中，將對水平支撐系統(tǒng)和各個液壓閥的性能進行研究深化，并做相應優(yōu)化。本研究對于我國微型TBM的深入研究具有一定的指導意義。