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發(fā)表于 2009-4-2 09:50:15
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盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)仿真分析(圖), u' m8 e$ _: v. c
( Q1 u2 W7 I4 p: z& m 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(duì)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(huì)引起流量的劇烈波動(dòng),，常規(guī)流量控制又會(huì)引起壓力波動(dòng)，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(dòng),，達(dá)到對(duì)推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的實(shí)時(shí)控制的目的。
( z* }) |" @2 [, H& B/ e2 j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$ W0 {- Y5 L; w# o' g; J
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1. 前言+ z7 u, I9 D/ F
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3 n& R) N `+ Q6 i" ?# y 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(cè)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(dòng)強(qiáng)度小、安全性高,、對(duì)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(shì)，有著良好的綜合效益,。1 H1 k$ M: D3 ?, p
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8 Q1 U+ O7 ~+ f* s r% S. d 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(dòng)，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,。
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考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)具有大功率,、變負(fù)載和動(dòng)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(dòng)力的傳遞、分配及控制,。
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本文針對(duì)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(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。* O% h, f4 r; P9 n7 P" r' h V6 [& o
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& t4 M* o/ Z# T: V2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理介紹* b- c' h, U" x8 }, D0 D4 S3 r
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2 F% D3 n3 v2 w, B' I6 q% k2 |4 | 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(dòng)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(duì)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(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的過載，這樣溢流閥就會(huì)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(duì)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(dòng)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, y: g) O) m" |/ n% N
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3.1 仿真模型- n. D" a3 A' v+ L J4 Y
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9 b, T* n. z8 I 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。7 V- \4 V5 W" D1 U( f [
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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。
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3.1.1 推進(jìn)壓力開環(huán)控制仿真7 ^& [: P* P6 Z) c
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; L( N" Z1 M0 k# L- Y 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; n* t b- c2 w# T+ S' \; d
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' W w: ?9 u- }. X0 J- ] 壓力上調(diào)時(shí),，液壓缸速度出現(xiàn)上升的較大波動(dòng)，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(dòng)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。
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: |6 j& G' d) }0 j3 d6 Z9 a) R3.1.2 推進(jìn)流量開環(huán)控制仿真
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0 y7 H1 w3 `6 h 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(dòng)，壓力有微小變化,。下調(diào)流量時(shí),，液壓缸速度下降波動(dòng)，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,。: ~7 |8 e4 _6 ` l1 \5 U
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從圖 4 和圖 5 的仿真結(jié)果可以看到,，單純的壓力控制會(huì)引起流量波動(dòng),，單純的流量控制又會(huì)引起壓力的波動(dòng)，兩者都不能達(dá)到很好的控制效果,。1 Y4 X1 W# r. X8 d1 x& i5 Q" k
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3.2 壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制方式
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7 x& r5 j% m7 D9 u4 O6 \ 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(duì)液壓缸的壓力流量信號(hào)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,。 X% l+ M. I5 q, I
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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(dòng)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,。
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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,。0 s+ d$ N) ~: c$ U, y& F: _
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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(dòng),。減小閾值可以明顯地減小了系統(tǒng)流量的波動(dòng),，但是會(huì)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(dòng)有了很大的改善,，控制效果取得了明顯的提高。/ [; P$ j6 R \# a3 `
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仿真結(jié)果表明,，盾構(gòu)推進(jìn)工況下常規(guī)壓力控制會(huì)引起流量的劇烈波動(dòng),，常規(guī)流量控制又會(huì)引起系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。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(dòng)。 |
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