摘要：阐述了盾构推进液压系统工作原理。采用AMESim 和MA TLAB 仿真软件对推进液压系统同步协调控制进行了仿真分析,同时采用PLC 编译了主从式同步PID 控制程序,并在盾构模拟试验台上进行了同步推进试验研究,比较了两种不同负载下的同步试验情况。仿真和试验结果表明:采用主从式同步PID 控制策略能够达到很好的同步效果,同步精度可达±3mm ,能较好地满足盾构在不同地质情况下同步推进控制的基本要求。
关键词：盾构;推进液压系统;同步控制;AMESim

盾构是一种集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点[ 1 ] 。

推进系统是盾构的关键组成部分,主要承担着整个盾构的顶进任务。它应能完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等。

目前,国外先进的盾构推进系统一般采用分组分区控制,每一区由6～10 个液压缸组成,通过协调每区的推进压力和推进速度对盾构姿态和方向进行控制,但对同步协调控制很少涉及[2 ] 。由于盾构工作的特殊性,盾构刀盘开挖面前方的负载经常发生变化,在直线推进的情况下,如果不采取必要的同步措施,推进过程中盾构将偏离设定的轨迹,引起不必要的超挖或欠挖,甚至会造成盾构设备失效或损坏。因此在变负载情况下,盾构这种多缸机构设备的同步控制十分重要。基于此,本文在所设计的推进液压系统基础上,对其同步协调控制进行相关仿真和试验分析。

1 推进液压系统的工作原理

盾构推进液压系统的特点是变负载、大功率、小流量。本系统中,执行元件由左右对称的6 个液压缸组成,用以模拟实际盾构的控制方式,将其分为6 组,进行分组控制。各个分组中的控制模块都相同,均由比例溢流阀、比例调速阀、电磁换向阀、辅助阀及相关检测元件等组成,可完成全推进、单个前进或后退、双个前进或后退等动作。图1 为推进液压系统的工作原理简图。

1. 二位二通电磁换向阀 2. 比例调速阀 3. 比例溢流阀 4. 平衡阀 5. 压力传感器 6. 液压缸 7. 位移传感器 8. 液压锁 9. 三位四通电磁换向阀 10. 二位四通电磁换向阀
图1 推进液压系统工作原理简图

盾构推进时,二位二通电磁换向阀1 断电,系统压力油经比例调速阀2 流出,此时三位四通电磁换向阀9 切换到工作状态(B 位置) ,液压缸6的活塞杆向前运动。推进过程中,液压缸6 中的内置式位移传感器7 实时检测推进位移,转换成电信号反馈到比例调速阀2 的比例电磁铁上,控制比例调速阀2 中节流口的开度,从而实现推进速度的实时控制,此时系统中多余的压力油可从比例溢流阀3 中流出。为了实现姿态调整,还必须实时控制推进压力,此时可由压力传感器5 检测液压缸6 的推进压力, 并将其转换成电信号反馈到比例溢流阀3 的比例电磁铁上,控制比例溢流阀3 的节流口开度。分组中的比例溢流阀3 、比例调速阀2 、压力传感器5 和位移传感器7 一起构成压力流量复合控制,可实时控制推进系统的推进压力和推进速度,满足盾构推进过程中随时变化的推进压力和推进速度的要求[3 ] 。

多个液压缸同时动作时,二位四通电磁换向阀10 断电,主油路暂时断开,待多个液压缸控制信号到位后,再使二位四通电磁换向阀10 得电,主油路导通,从而使得多个液压缸同时工作。

推进液压系统在主油路上采用恒压变量泵实现压力自适应控制,其控制框图如图2 所示。恒压变量泵与6 个分组中的比例调速阀组成容积节流调速回路,变量泵根据比例调速阀的设定值自动适应系统需要的流量。6 个分组中的推进液压缸压力pA 、pB 、pC 、pD 、pE 、pF 通过压力传感器进入一个比较环节, 其最大值为驱动负载所需的最高压力pmax 。在推进模式下,变量泵输出压力p =pmax +Δp ,其中,Δp 是保证比例调速阀稳定工作时所需的压力差,该压力差为设定值。变量泵的输出压力p 跟随负载变化,压力变化是阶段性的。这种反馈控制一定程度上相当于压力自适应, 可减少系统压力损失,降低能耗[4 ] 。

图2 推进液压系统主油路压力自适应控制框图