摘 要：推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。本文闡述了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的原理。利用AMESim仿真工具對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明常規(guī)壓力控制會引起流量的劇烈波動，常規(guī)流量控制又會引起壓力波動，而壓力流量復(fù)合控制方式既可以進(jìn)行壓力閉環(huán)控制又可是進(jìn)行流量閉環(huán)控制，從而減小壓力和流量的波動，達(dá)到對推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的實(shí)時(shí)控制的目的。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)，推進(jìn)液壓系統(tǒng)，壓力流量復(fù)合控制；AMESim仿真
1. 前言
盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種用于地下隧道工程開挖的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，具有開控切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強(qiáng)度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，比之傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢，有著良好的綜合效益。
推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)機(jī)械的頂進(jìn)任務(wù)，要求完成盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運(yùn)動，使得盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能沿著事先設(shè)定好的路線前進(jìn)，是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。
考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)具有大功率、變負(fù)載和動力遠(yuǎn)距離傳遞及控制特點(diǎn)，其推進(jìn)系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)動力的傳遞、分配及控制。
本文針對盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的工況要求采用AMESim 仿真工具進(jìn)行了系統(tǒng)的相關(guān)分析研究。仿真結(jié)果對實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。
2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理介紹
盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖 1 所示。比例溢流閥 3 調(diào)節(jié)液壓缸壓力，達(dá)到壓力控制；比例調(diào)速閥14 來調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量，達(dá)到速度控制；三位四通電磁閥 12 實(shí)現(xiàn)推進(jìn)缸的推進(jìn)、后退和停止?fàn)顟B(tài)；插裝閥 1 可以為推進(jìn)油缸的快速運(yùn)動時(shí)提供快速流通通道，減少液壓油進(jìn)入液壓缸的沿程壓力損失。插裝 13可以實(shí)現(xiàn)為推進(jìn)缸快速退回提供快速流通通道，減小液壓油回程阻力。溢流閥 10 可以對系統(tǒng)起緩沖作用，當(dāng)液壓缸進(jìn)行推進(jìn)的瞬間進(jìn)油口會出現(xiàn)瞬時(shí)的過載，這樣溢流閥就會立即開啟形成短路，使進(jìn)、回油路自循環(huán)，過載油液得到緩沖；二位二通閥 7 通電可以對故障中液壓缸進(jìn)行卸載檢修，減小卸載中的壓力沖擊。阻尼孔用來調(diào)節(jié)插裝閥的開啟速度，改變插裝閥的靜動特性和減小液壓沖擊，同時(shí)可防止二位二通閥 7 卸載時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊。阻尼孔的直徑范圍一般為 0.8～2.5mm。
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3 推進(jìn)液壓系統(tǒng)仿真分析
3.1 仿真模型
盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)的插裝閥 1 處于關(guān)閉狀態(tài)，三位四通閥 12 置于右位，液壓油通過比例調(diào)速閥 14 和三位四通閥 12 流入液壓缸無桿腔，有桿腔液壓油通過三位四通閥 12 和比例溢流閥 1 流回油箱。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，插裝閥 1 打開，三位四通閥 12 置于左位，液壓油流入液壓缸有桿腔，使油缸回退。通過比例液流閥和比例調(diào)速閥來設(shè)定系統(tǒng)的壓力和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度。為簡化分析且便于仿真的進(jìn)行可以省略插裝閥 1，插裝閥 13 和三位四通閥 12，得到簡化原理圖如圖 2 所示。
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利用AMESim建立系統(tǒng)簡化的仿真原理模型圖如圖 3 所示。液壓輸入取恒壓輸入模型PRSEC，作為執(zhí)行元件的液壓缸選用系統(tǒng)模型HJ010，管道選用系統(tǒng)HL000[5]。由于AMESim軟件自身沒有帶比例調(diào)速模型閥和比例壓力閥模型，故利用HCD（液壓元件設(shè)計(jì)模塊）建立其HCD模型如圖 3 所示。
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仿真時(shí)壓力達(dá)到設(shè)定 8.5Mpa 時(shí)，負(fù)載速度從 0載速度上升到 0.001mm/s，負(fù)載力設(shè)定為常數(shù)：12361N。
3.1.1 推進(jìn)壓力開環(huán)控制仿真
流量閥的流量設(shè)定為 11.4L/min ， 壓力閥為10.5Mpa，當(dāng)液壓缸壓力達(dá)到 8.5Mpa 時(shí)負(fù)載速度從 0上升到 0.001m/s。壓力閥在 100s 時(shí)調(diào)節(jié)為 10.5Mpa，200s 時(shí)調(diào)節(jié)到 9.0Mpa。 圖4為調(diào)整壓力時(shí)液壓缸壓力圖和流量曲線圖。其中 1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。
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圖4 調(diào)整壓力時(shí)液壓缸壓力和流量曲線
壓力上調(diào)時(shí)，液壓缸速度出現(xiàn)上升的較大波動，直到壓力達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定的新壓力值。壓力下調(diào)時(shí)，液壓缸速度出現(xiàn)下降較大的波動直到壓力達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定的新壓力值。因此，液壓缸調(diào)節(jié)壓力時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止缸速度變化太大。
3.1.2 推進(jìn)流量開環(huán)控制仿真
流量閥的流量設(shè)定為 11.4L/min ， 壓力閥為10.5Mpa，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值 8.5Mpa 后負(fù)載速度從 0上升到 0.001m/s。流量閥在 100s 時(shí)調(diào)節(jié)為 11.4L/min，200s 時(shí)調(diào)節(jié)到 5.7L/min。負(fù)載速度在 100s 時(shí)調(diào)節(jié)為0.0005m/s，200s 時(shí)調(diào)節(jié)為 0.001m/s。圖 5 為調(diào)整流量時(shí)液壓缸壓力和流量曲線圖。其中 1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。
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上調(diào)流量時(shí)，液壓缸速度上升波動，壓力有微小變化。下調(diào)流量時(shí)，液壓缸速度下降波動，壓力已有微小變化。液壓缸壓力微小變化取決于比例溢流閥溢流量的變化。
從圖 4 和圖 5 的仿真結(jié)果可以看到，單純的壓力控制會引起流量波動，單純的流量控制又會引起壓力的波動，兩者都不能達(dá)到很好的控制效果。
3.2 壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制方式
為了實(shí)現(xiàn)壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制，采用以下控制原理。分別對液壓缸的壓力流量信號進(jìn)行采集反饋，比例壓力閥作為壓力流量復(fù)合控制的主要執(zhí)行元件，比例流量閥實(shí)現(xiàn)流量大致范圍的控制，提供液壓缸正常推進(jìn)和比例壓力閥穩(wěn)定溢流所必需的流量，如圖 6所示。
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復(fù)合控制采用內(nèi)環(huán)流量閉環(huán)控制，外環(huán)壓力閉環(huán)控制，為了減小流量最大波動量在壓力閉環(huán)PID控制后增加一個(gè)閾值控制器，通過設(shè)定閾值就可以控制流量最大變化量。其中P為系統(tǒng)控制要求壓力，QV為液壓缸正常推進(jìn)所需流量，QY為比例壓力閥穩(wěn)定溢流所需流量。
推進(jìn)負(fù)載速度為斜坡輸入，在30s內(nèi)從0mm/min達(dá)到為60mm/min，流量閥的流量設(shè)定為QV＋QY＝20l/min，壓力閥P為10Mpa，在150s時(shí)調(diào)節(jié)為9.0Mpa。分別調(diào)節(jié)闕值為1，2，3 可得推進(jìn)液壓缸壓力曲線如圖7所示，流量曲線如圖8所示。
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增加閾值可以增加壓力回路控制時(shí)間，但是相應(yīng)地增加了系統(tǒng)流量波動。減小閾值可以明顯地減小了系統(tǒng)流量的波動，但是會增加了系統(tǒng)壓力的控制時(shí)間。但和單純的壓力或流量控制相比較，壓力和流量波動有了很大的改善，控制效果取得了明顯的提高。
4 結(jié)論
仿真結(jié)果表明，盾構(gòu)推進(jìn)工況下常規(guī)壓力控制會引起流量的劇烈波動，常規(guī)流量控制又會引起系統(tǒng)壓力的波動。而壓力流量復(fù)合控制方式可以既進(jìn)行壓力閉環(huán)控制又進(jìn)行流量閉環(huán)控制，同時(shí)通過調(diào)整閾值的大小，可以不同程度上減少壓力調(diào)節(jié)引起的液壓缸的速度波動。