盾构机推进液压系统仿真分析
盾构掘进机推进系统非线性PID控制仿真分析
摘 要 ：给出了采 用压 力流 量 复合 控制 的 盾构 掘进 机 推进 液 压系 统工 作模 型 ，对 其 中的 比例调 速 阀和 比例 溢 流 阀在 Ａ Ｓｍ环境下进行 了模 型构建 ，并 完成了阀基本参数的优化设计 。采 用一种简化 的动 态土体粘 弹性模 型模拟 盾构实 际推 ＭＥ ｉ 进 过程 中的复杂负载工况 。引入一种采用偏差修正参数 的非线性 ＰＤ控制器并在 Ｍａａ／ ｉｕｉｋ环境下 建模 。为充分 发挥 Ｉ ｔ ｂ Ｓｍ ｌ ｌ ｎ
维普资讯
２０ ０ ８年 ７月
机床 与液压
ＭＡＣＨ１ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｉ
Ｊ １２ ０ ｕ． ０ ８
Ｖ０ ＿ ６ Ｎｏ ７ ｌ３ ．
第３ ６卷 第 ７期
盾构掘进机推进 系统非线性 ＰＤ控制仿真分析 Ｉ
施 虎 ，龚 国芳 ，杨华 勇 ，胡 国良
中图分类号 ：Ｔ ３ Ｈ１７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ３ ８ （０ ８ ０ １— ８ １ ２ ０ ）７— ７ ４ ０ ６—
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｅ Ｓｔ ｄ ｆＴｈ ｕｓ ｄｒ ｕ ｉ ｓｅ ｆ Ｓ ｅｄ ｍ ｌ ｔｖ ｕ ｙ ｏ ｒ ｔ Ｈｙ ａ ｌｃ Ｓｙ ｔ ｍ ｏ ｈｉｌ Ｔｕ ｎｅ ｉ ａ ｈ ｎ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ＰＩ Ｃｏ ｔ ｏ ｌｒ ｎ ｌｎｇ Ｍ ｃ ｉ ｅ ｗｉｈ Ｎｏ ｌｎ ａ Ｄ ｎ ｒ ｌｅ
ｔ ｅ ｃ ｎｒ ｌ ｎ ａ ｋ ａ ｄ ｍｏ ｅｅ ｎ Ｍａｌｂ Ｓ ｍｕ ｉ ｋ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ． Ｔ ｅ ｃ — ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｎ ｏ ｔ ｌｓ ｓｅ ｗ ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｈ ｏ ｔ ｌ ｇ ｔｓ ｎ ｄ ｌｄ ｉ ｔ ／ ｉ ｌ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｏｉ ａ ｎ ｏ ｈ ｏ ｓ ｍｕ ａｉ ｆｈ ｄ ａ ｌ ａ ｄ ｃ ｎｒ ｙ ｔｍ ａ ａｒｅ ｕ ｏ ｃ ｏ
基于AMESim下盾构机液压推进系统的联合仿真研究
基于AMESim下盾构机液压推进系统的联合仿真研究摘要：为分析盾构掘进机液压推进系统的工作原理，确保掘进施工的精确控制。
本文基于AMESim专业建模软件建立了盾构机液压推进系统的实体模型，并利用联合仿真方式，研究了系统的动态性能及控制方案的适宜性，并探讨了基于非线性PID控制技术实现系统工况的跟踪控制效果，以确保更高的系统控制精度。
结果表明：盾构机液压推进系统采用液压与流量复合控制的方式，在仿真过程中其推进压力和推进速度均只在初期有小范围的波动，能充分满足盾构施工的使用要求；液压缸推进压力的控制调节中，非线性PID控制相比常规PID控制，系统的控制精度更高。
关键词：AMESim；盾构机；液压掘进；压力流量；非线性PID控制前言作为盾构掘进姿态控制系统中的执行机构,液压推进系统是实现盾构转向、纠偏和姿态调整的主要机构[1]。
正确控制推进系统液压缸的动作,使刀盘和刀架能精确进刀和对刀,是保证盾构沿着设计轴线准确掘进的关键。
但在实际施工中,由于地质条件的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用,常出现盾构掘进机偏离设计轴线的情况,而且盾构有时需要转弯或曲线行进,这些都要靠合理调整液压推进系统各分区液压缸的压力和流量来实现。
通过对盾构掘进机液压推进系统的分析、建模,研究其动态性能,可以有效保证掘进工程的施工精度。
为此，本文利用AMESim和MATLABA联合仿真的方法，对盾构掘进机液压推进系统进行建模仿真，研究了系统的动态性能及控制方案的适宜性，并探讨了基于非线性PID控制技术实现系统工况的跟踪控制效果，以保证更高的系统控制精度。
1 液压推进系统结构设计及工作原理1.1 系统结构设计液压推进系统中液压缸的数量及工作压力，主要由盾构掘进机直径和施工负载条件所决定。
本文以某国产改进设计的中型盾构掘进机为例进行分析，其盾构直径为6.34m，系统中共有22个液压缸，并分为了上、下、左、右四个区进行分区控制。
液压缸分区布置的目的，主要是有利于提高控制精度，通过对液压缸分区控制，各分区的液压缸的动作一致，能方便实现盾构转向控制和姿态调整控制，且编组分为四个工作区后，也便于各类参数的控制与计算，有利于控制掘进施工过程中的速度与方向，实现了控制精度的提升[2]。
盾构机刀盘驱动系统液压故障案例分析
盾构机刀盘驱动系统液压故障案例分析一、海瑞克盾构刀盘驱动液压系统的故障分析及处理1.液压系统深圳某地铁项目使用的德国海瑞克盾构机，其刀盘驱动系统为泵、液压马达闭式回路，由3台并联的斜盘式轴向柱塞变量泵和8台并联的轴向柱塞液压马达组成。
系统附带补油液压泵、控制泵等元件。
整个系统为电比例调速，恒功率保护方式。
泵采用带有补油冲洗阀的双向变量泵。
2.故障及原因分析（1）故障现象盾构在掘进时，三个刀盘泵突然出现故障无法重新起动。
主控室显示补油液压泵压力不足，达不到设计要求的最低补油压力，此时补油液压泵压力显示为1.8MPa，而设定值为2.7MPa左右。
（2）原因分析1）检查油箱液位，液位常，可以排除吸油不足的因素。
2）检查补油液压泵溢流阀。
怀疑溢流阀被卡，造成卸荷。
清洗溢流阀后再装回原来位置仍不能建立正常压力，由此判断溢流阀无故障。
3）补油液压泵为螺杆泵，自身抗污染能力很强，由于补油液压泵自身原件损坏造成压力不足的可能性很小，而且在关闭补油液压泵出口球阀的情况下，调节补油液压泵溢流阀，压力显示与新泵相同，可以排除补油液压泵自身的问题。
至此可以判断补油液压泵压力不足是由于部分流量从某个地方非正常流走造成的。
4）补油液压泵除对闭式回路进行补油和对3台主泵进行壳体冷却外，还为螺旋输送机的减速器进行壳体冷却，在补油主管路上还装有蓄能器。
检查蓄能器回油管，没有油液流出；关闭通往螺旋输送机减速器管路上的球阀，补油压力还是达不到设计要求。
由此可以判断三个刀盘泵内部泄漏是造成补油压力不足的主要原因。
5）在观察三个刀盘泵泄漏油管时发现，3号刀盘泵泄漏油管有大量油液流动的迹象，同时发现斜盘没有归零，卡在5°左右的位置。
随即打开3号刀盘泵泄漏油口，发现有铜屑杂质，接着在冷却循环过滤器也发现了大量铜屑。
随即将3号刀盘泵送生产厂家拆检，发现泵的内部已严重损坏。
如滑靴磨损严重，其中的两个已碎裂成多块，固定回程盘的8颗螺栓也全部剪切断裂，且回程盘已断裂成三部分。
盾构机推进液压系统设计与仿真分析
主泵 还具 有 二级遥 控 压 力 切 断 功 能 ， 管 片 拼 装模 式 的 最大 切 断压 力 由溢流 阀 １ １ 调定 ， 推 进模 式 的最 大切断 压力 由溢 流 阀 １ ２调定 ， 通 过 三位 四通换 向阀 １ ０换 向 ， 控制 二级 压 力转换 ， 这样 可 以对 系统进 行过 压保 护 。
第 ５期 （ 总第 １ ８ ６期 ） ２ ０ １ ４年 ｌ Ｏ月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲ１ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎ０． ５ ０ｃ ｔ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５ — ０ ０ ５ ９ — ０ ２
摘 要 ： 对 盾 构 机 推 进 液 压 系 统 做 了详 细 的 介 绍 ， 阐述 了其 系 统 组 成及 工 作 原 理 。该 系统 应 用 电 液 比例 控 制 技
术 实 现 了推 进 力 和 位 移 的 控 制 。通 过 对 推 进 系 统 的 仿 真 分 析 表 明 ： 采 用 电 液 比例 泵 和 比 例 减 压 阀 的 控 制 策
图 １ 推 进 液 压 系 统 的 动 力 单 元
ｌ ＿ ２ 推 进 系统 的液 压缸 分布 形 式 推进 系 统 由 ２ ０个液 压缸 分为 ４个 区控 制 ， 其 中下 边 分 区液压 缸 承受 开挖 力 最 大 ， 这 是 由于 盾 构 推 进 时 周 向 阻力分 布不 均 而造成 的 ， 周 向阻力 呈梯 形分 布 ， 下 部 压力 最大 。因此下 边 的分 区液 压缸数 目为 ８ 个， 上、 左、 右分 区液压 缸数 目各 为 ４个 。 图 ２为 推 进 系 统 液 压 缸 的上分 区原理 图 。在盾 构 机 推 进 系 统 中 ， 采 用 推 进 液压 缸 分 区 控 制 可 以进 行 盾 构 掘 进 方 向控 制 及 纠 偏， 在 系统 中对 于每 个 独 立 分 区 都 分别 设 有 压 力 传 感 器 和 液压缸 内置式 的位 移 传感 器 ， 以 实 时检 测 各 分 区 的推进 压力 及 位移 。采 用 比例减 压 阀进行 分 区控制 以
机械机电毕业论文(设计)_盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究
摘要集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备，其刀盘驱动系统具有大惯性、大功率和变负载的特点，而近来迅速发展起来的电液控制技术在继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体，成为盾构机驱动方式的发展趋势。
论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出发，针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象，分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，探讨了一种具有更高可靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性及其冲击适应性，主文主要研究内容如下:1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究现状。
分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点，对变频电机驱动和液压驱动两种方式进行了对比。
2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性，分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型，论述了盾构扭矩的构成情况及计算方法。
重点研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。
通过盾构刀具切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证和分析了盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因。
3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘驱动液压系统的优缺点，针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路，并采用比例阀控蓄能器来控制负载的动态冲击。
4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。
5.在已建立的数学模型的理论基础上，利用A州[ESim图形化仿真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建系统的动态特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。
盾构管片拼装机液压提升系统的建模与仿真
（ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ４ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｉ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ａ ｆ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｆ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｈｅ ｔ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｂ ｕ ｉ ｈ ｏｒ ｆ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｆ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ．Ｔ ｈ ｅ Ｎｙ ｑ ｕ ｉ ｓ ｔ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
浅析盾构机液压系统
浅析盾构机液压系统摘要：盾构机全名盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，目前已经广泛应用在各大城市的地铁施工中。
现代盾构机集光、机、电、液、伺服控制及信息传输等技术于一体，具有切屑岩土、自动换刀、渣土改良输送、管片吊装拼接、隧道衬砌、激光导向和姿态调整等功能，涉及地质、土木、测量、力学、化学、机械、液压流体、电气、控制以及气体检测等学科领域，在众多学科中液压传动与控制在盾构施工中发挥着极其重要的作用，所以有必要对液压系统进行分析，减少故障发生，确保盾构机可以高效地完成施工任务。
关键词：盾构机；液压系统；设计引言盾构机的液压系统不仅影响着盾构机本身机械性能，还影响到工程的质量等问题。
盾构机液压系统的好坏影响着盾构机能否正常运行，如果在平时没有注意对盾构机液压系统进行正确的维护，不仅会造成盾构机的损坏，甚至会影响工程进度，从而耽误工期，造成不必要的时间损失和经济损失。
因此，我们要重视盾构机液压系统的日常维护，也要掌握一些关于盾构机液压系统出现故障时的诊断方法，以便可以更好的使用盾构机进行工作。
1盾构机液压系统组成1.1推进液压系统推进液压系统动力单元由1台电子控制变量柱塞泵和1台恒功率控制柱塞泵提供，通过高压过滤器、控制阀组、高压胶管连接推进油缸。
推进过程分拼装和推进两种模式：在拼装模式中，22条推进油缸分组单独动作，实现管片的拼装工序；在推进模式中22条油缸同时动作，推进速度由阀组上面的比例减压阀控制。
恒功率控制泵为推进阀组和螺旋输送机系统马达高低速控制阀块提供控制油，为推进系统和螺旋输送机马达平稳运行提供保障，如图1所示。
图1推进液压系统简图1.2螺旋输送机液压系统螺旋输送机液压系统为典型的闭式系统，由于系统功率大内部发热升温迅速，其内部集成了一套补油回路，一方面带走系统中大量热量；另一方面对系统进行补油。
补油泵从油箱吸油经过滤器并通过两个单向阀分别对闭式回路两个油口的低压端进行补油，然后主泵的高压端为螺机马达提供高压油。
海瑞克S673盾构机刀盘驱动液压系统分析
关 键词 ： 盾构 机 电 、 液 压控 制 系统 刀 盘
… … … 一 …
一
、
系统构成
三 台 各 由３ １ ５ Ｋ Ｗ 电机 驱 动 的
２ ． ２刀盘 的转 向和 转 速远 程控 制
Ｉ ２补 油 回 路
因 主工作 回路是 闭 式 回路 ， 故设 置补 油 回路 对其 进 行补 油 和 散热 。为增
出 的油经 两个 滤 清器 进 入 ３ 个 主泵 的Ｅ口（ 补 油 口） 对 泵进 行 补油 ， 并通 过 两个 单 向 阀分别 对 闭 式 回路 的低 压 端 进行 补 油 ； 同时 ， 还有 一 路油 进 入 ３ 个 主泵 Ｕ 口对 泵进 行 冲洗 。补油 回路 压力 设 定为 １ ７ …３ ０ ｂ ａ ｒ ， 补油 压力 低 于 １ ７ ｂ ａ ｒ ， 系统 不能 启 动 ； 补 油 压力 高 于 ３ ０ ｂ ａ ｒ ， 系统 报 警并 延 时停 止 ； 补油 回路 中并 联 的 １ ０ Ｌ
蓄能 器 用 以保 持该 油路 的油压 稳定 。
榘维 ｌ
７ ５ ０ ｅ ／ Ｕ ３ Ｏ ｏ ／ ３ ｏ ０ ｂ ａ ｒ
３ ２ ＊ ３
１ Ｐ Ｏ Ｏ １ ／ １ Ｐ Ｏ Ｏ ２ ｔ ｌ Ｐ Ｏ ０ ３ １ Ｐ Ｏ Ｏ １ ／ １ Ｐ Ｏ Ｏ ２ ／ １ Ｐ Ｏ ０ ３ ８
主泵 出 口压 力 （ 或 马 达进 口压 力 ） ［ 压力 】 和主 泵Ｘ口压力 ｆ 流量］ 分 别 反 馈 为功率 阀ｖ ５ 的Ｐ Ｈ Ｄ 和Ｐ Ｓ Ｔ ， 通过对功率 阀ｖ ５ 的设定 ， 使【 压力］ 和［ 流量］ 的乘积 不 超过 设 定值 ， 实现 对 主泵 限制 功率 控制 。 压 力Ｐ Ｈ Ｄ 还 通过 手动 两 位 四通 阀 Ｖ ４ 作 用 于溢 流 阀ｖ ７ 或ｖ ８ 。在 正常 掘 进 的情况 下 ， 回路 的最 大工 作 压力 是 ２ ２ ５ ｂ ａ ｒ （ Ｖ ７ ） ； 盾构 机 堵转 或 需要 脱 困 时 ， 手 动切换 Ｖ ４ 使 油路 至ｖ８ （ 只 能短 时 间使用 ） ， 此 时 系统 压力 可达 ２ ７ ５ ｂ ￣。
盾构机推进系统液压故障案例分析
盾构机推进系统液压故障案例分析推进系统受到的制约条件很多，在盾构机掘进中推进系统有时无法推进，故障也很难排除。
一、海瑞克S266型土压平衡盾构机推进系统的故障排除以下以海瑞克S266型土压平衡盾构机用于在某市地铁四号线仑大盾构区间和地铁五号线杨珠盾构区间施工为例分析故障排除过程。
1.盾构机推进系统的工作原理图1-6所示为S266型盾构机推进液压系统A组原理及液压缸布置图。
在图1-6中推进液压缸Z1～Z30，共有30个，其中Z4、Z11、Z19、Z26是带有行程测量系统的液压缸，通过这4个液压缸可以在盾构机的操作室中显示各自代表组的液压缸行程（0～2000mm）。
液压缸按单缸和双缸间隔均匀布置，被分配以20个不同的编号（1～20），按上下左右分为4组，A组包括圆周上方的液压缸1、2、18、19和20，图1-6给出了A组推进液压缸控制阀和18号液压缸的回路，B、C、D组液压缸的回路与A组相同，盾构机的推进系统由75kW的电动机驱动推进液压泵9向各推进液压缸提供液压油。
盾构机的推进系统有两种工作模式：一种是掘进模式，另一种是管片拼装模式。
在掘进模式下，PLC控制系统根据盾构机操作人员的操作指令，通过调节电磁比例控制阀2和阀3输出的电信号来控制盾构机的掘进，通过阀2可以控制该组液压缸的流量，通过阀3可以控制该组液压缸的工作压力。
在盾构机需要调节方向时，控制阀2在保证该组液压缸流量充足的条件下调节阀3增加或减小该组液压缸的液压油压力，从而实现盾构机调节方向；在管片拼装模式下，PLC控制系统根据设定值向控制阀3、阀6和阀10输出电信号，通过阀6增大该组液压缸的流量，通过阀3控制该组液压缸的工作压力，通过阀10控制推进液压泵的工作压力。
在拼装模式下，阀3和阀10控制的工作压力值基本是相同的。
拼装模式下伸液压缸时通过控制阀5阀芯在右侧实现液压缸伸出，拼装模式下缩液压缸时阀7先打开约2s将液压缸无杆腔的高压油卸压后，阀1和阀5再同时动作，实现液压缸的缩回，这样可以减小液压缸的冲击。
盾构机推进液压系统比例压力流量复合控制仿真_庄欠伟
盾构机推进液压系统比例压力流量复合控制仿真收稿日期:2006203231作者简介:庄欠伟(19782),男,山东临沂人,在上海隧道股份有限公司技术中心从事盾构机液压系统设计仿真及控制等方面的研究工作。
基金项目:“十五”国家863项目(2003AA420120)庄欠伟1,2,龚国芳2,杨华勇2(1.上海隧道股份有限公司技术中心,上海 200082;2.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州 310027)摘 要:本文以盾构挖掘机为背景,对其推进负载进行简化,建立盾构推进系统的模型,并进行仿真分析。
提出比例压力流量复合控制方案,并应用AM Esim 对其进行仿真。
仿真证明比例压力流量复合控制方式可以减小控制压力引起的流量波动,提高了系统的控制性能,对盾构的自动控制有重要意义。
关键词:推进液压系统;AM Esim ;压力流量控制中图分类号:T H137;U455143 文献标识码:A 文章编号:100820813(2006)0320037203Simulation of pressure flow hybrid cont rol of t hrust hydraulicsystem of shield t unneling machinesZHUAN G Qian 2wei 1,2,GON G Guo 2fang 2,YAN G Hua 2yo ng 2(1.Shanghai Tunnel Co.,Ltd ,Shanghai 200082,China ;2.The Key State Lab of Fluid Power Transmission and Control ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :In this paper ,the model for thrust hydraulic system of shield tunneling machines was established and analyzed by simulated ,lying on simply the thrust load of those machines.A scheme of pressure flow hybrid control was presented ,simu 2lated by AM Esim.The simulation findings proved that flow changes (waves or surges )caused of control pressure could be reduced and the control performance could be enhanced.Such kind of control scheme is significance to automatically control the shield tunneling machines.K ey w ords :thrust hydraulic system ;AM Esim ;pressure flow hybrid control 0 引言1974年日本首次研究开发了土压平衡盾构并取得成功。
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磁阀 12实现推进缸的推进、 后退和停止状态; 插装 阀 1 可以为推进油缸的快速运动时提供快速流通通 道, 减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装 阀 13 可以实现为推进缸快速退回提供快速流通通
26
M echan ical & E lectrical E ngineering M agaz ine V o.l 23 N o. 6
2006
机电工程
2006年 第 23卷 第 6期
道 , 减小液压油回程阻力。溢流阀 10 可以对系统起 缓冲作用, 当液压缸进行推进的瞬间进油口会出现 瞬时的过载 , 这时溢流阀就会立即开启形成短路, 使 进、 回油路自循环 , 过载油液得到缓冲; 二位二通阀 7 通电后可以对故障中液压缸进行卸载检修, 减小 卸载中的压力冲击。阻尼孔用来调节插装阀的开启 速度, 改变插装阀的静动特性和减小液压冲击 , 同时 可防止二位二通阀 7 卸载时产生压力冲击 ( 阻尼孔 直径范围一般为 0 . 8~ 2 . 5 mm ) 。
龚国芳 , 余佑官 , 胡国良 . 盾构机推进液压系统仿真分析
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现代设计技术
盾构机推进液压系统仿真分析
龚国芳, 余佑官, 胡国良
( 浙江大学 流体传动及控制国家 重点实验室 , 浙江 杭州 310027)
摘
要 : 阐述了盾构机推进液压系统的原理, 利用 AM ESi m 仿真工具对该系统进行了仿真分
[ 3]
。考虑到盾构掘进机具有大功率、 变
1 插装阀 ; 2 二位 三通 阀 ; 3 比例 溢流 阀 ; 4 二位 三 通阀 ; 5 液控单向阀 ; 6 压力传感器 ; 7 二位二 通阀 ; 8 推 进液压缸; 9 推进液压缸 ( 带位移传感器 ); 10 溢流阀; 11 单 向阀; 12 三位四通阀 ; 13 插装阀; 14 比例调速阀 图 1 推进液压系统原理图
图 3 推进系 统 AM ES i m 仿真模型
2 推进液压系统仿真分析
2 . 1 仿真模型 盾构机推进时, 系统的插装阀 1 处于关闭状态 , 三位四通阀 12 置于右位 , 液压油通 过比例调速阀 14 和三位四通阀 12 流入液 压缸无杆腔, 有杆腔液 压油通过三位四通阀 12 和比例溢流阀 1流回油箱。 当盾构机掘进时 , 插装阀 1 打开 , 三位四通阀 12 置 于左位 , 液压油流入液压缸有杆腔 , 使油缸回退 , 通 过比例液流阀和比例调速阀来设定系统的压力和调 节系统的速度。为简化分析且便于仿真, 本研究省 略了插装阀 1 、 插装阀 13 和三位四通阀 12 , 得到简 化原理图, 如图 2 所示。
复合控制采用内环流量闭环控制 , 外环压力闭 环控制, 为了减小流量最大波动量在压力闭环 P I D 控制后增加一个阈值控制器 , 通过设定阈值就可以 控制流量最大变化量。图 6 中 , P 为系统控制要求 压力, QV 为液压缸正常推进所需流量 , Q Y 为比例压 力阀稳定溢流所需流量。 推进负载速度为斜坡输入 , 在 30 s内从 0 mm / m in达到为 60 mm /m in , 流量阀的流量设定为 QV + QY = 20 L /m in , 压力阀 P 为 10 M pa , 在 150 s时调节 为 9. 0 M pa 。分别调节阀值为 1 、 2 、 3 , 可得推进液压 缸压力曲线 , 如图 7所示; 流量曲线, 如图 8 所示。 增加阈值可以增加压力回路控制时间, 但是相应 地增加了系统流量波动。减小阈值可以明显地减小系 统流量的波动, 但是会增加系统压力的控制时间。但 和单纯的压力或流量控制相比较, 压力和流量波动有 了很大的改善, 控制效果取得了明显的提高。
[ 5]
龚国芳 , 余佑官 , 胡国良 . 盾构机推进液压系统仿真分析
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图 5 调整流量时液压缸压力和流量曲 线
图 7 液压缸压力曲线图
2 . 2 压力流量复合闭环控制方式 为了实现压力流量复合闭环控制 , 以比例压力 阀作为压力流量复合控制的主要执行元件 , 比例流 量阀实现流量大致范围的控制 , 提供液压缸正常推 进和比例压力阀稳定溢流所必需的流量, 分别对液 压缸的压力流量信号进行采集反馈。压力流量复合 控制原理, 如图 6 所示。
图 8 液压缸流量曲线图
3 结束语
仿真结果表明, 盾构推进工况下常规压力控制 会引起流量的剧烈波动, 常规流量控制又会引起系
图 6 压力流量复合控制原理框图
统压力的波动。 压力流量复合控制方式既可以进行压力闭环控 制又可进行流量闭环控制, 同时通过调整阈值的大 小, 可以不同程度上减少压力调节引起的液压缸的 速度波动 , 应用前景广阔。0 Nhomakorabea前言
盾构掘进机是一种用于地下隧道工程开挖的复 杂机械 , 具有开挖切削土体、 输送土碴、 拼装隧道衬 砌、 测量导向纠偏等功能。盾构掘进机已广泛用于 地铁、 铁路、 公路、 市政、 水电隧道工程
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推进系统承担着整个盾构机械的顶进任务 , 完 成盾构掘进机的转弯、 曲线行进、 姿态控制、 纠偏以 及同步运动
析 。仿真结果表明, 压力流量复合控制方式既可以进行压力闭环控制又可以进行流量闭环控制 , 从 而减小压力和流量的波动 , 达到对推进压力和推进速度的实时控制的目的。 关键词 : 盾构机; 推进液压系统; 压力流量复合控制 ; AMES i m 仿真 中图分类号 : TD421 . 5 ; TH 137 文献标识码 : A 文章编号: 1001- 4551( 2006) 06- 0025- 03
负载和动力远距离传递及控制特点, 其推进系统都 采用液压系统来实现动力的传递、 分配及控制。 本研究针对盾构推进液压系统的工况要求采用 AM ES i m 仿真工具进行了系统的相关分析研究。
1 推进液压系统原理
盾构机推进液压系统原理图 , 如图 1 所示。比 例溢流阀 3 调节液压缸压力 , 控制压力; 比例调速阀 14 来调节进入系统的流量 , 控制速度; 三位四通电
液压缸压力和流量曲线图, 如图 4 所示。图 4 中 1 # 曲线为液压缸压力变化曲线 , 2 # 曲线为液压缸流量 变化曲线。
图 4 调整压力时液压缸压力和流量曲线
压力上调时, 液压缸速度出现上升趋势的较大 波动 , 直到压力达到调压阀设定的新压力值 ; 压力下 调时 , 液压缸速度出现下降趋势的较大波动 , 直到压 力达到调压阀设定的新压力值。因此 , 液压缸调节 压力时应缓慢进行 , 防止缸速度变化太快。
Si m u lation A nalysis of Thrust Hydrau lic System for Sh ie ld Tunneling M ach ine GONG Guo fang , YU You guan , HU Guo liang
(T he State K ey Laboratory of F lu id Pow er T rans m ission and C ontro l , Zhej iang U niver sity, H angzhou 310027, China ) Abstrac t : The pr inciple o f the thrust hydrau lic syste m w as expounded , and si m ulation w as carried out w ith the AM ES m too . i l T he results show that , the flow and pressure compound con tro l can con tro l flo w rate and pressure w ith c losed loop contro,l wh ich can reduce the flow ra te and pressure fluctuation. F ina lly , the pressure and the speed of the thrust sy stem could be con tro lled in real ti me . K ey word s : sh ie ld tunne ling mach ine ; thrust hydraulic syste m; flow and pressure co mpound contro ; l AM ES m i sm i u lation
利用 AMES i m 建立系 统简化的仿真 原理模型 图 , 如图 3 所 示。液 压 输入 取 恒压 输 入模 型 PR SEC, 作为执行元件的液压缸选用系统模型 H J010 , 管道选用系统模型 HL 000 。由于 AMES i m 软件自 身没有带 比例调 速阀和 比例 压力 阀模 型, 故 利用 HCD (液压元件设计模块 )建立其 HCD 模型。 仿真时压力达到设定 8 . 5M pa 时, 负载速度从 0 上升到 0 . 001 mm / s , 负载力设定为常数 12 361 N。 2 . 1 . 1 推进压力开环控制仿真 流量阀的 流量 设定 为 11 . 4 L /m in, 压力 阀为 10. 5 M pa , 当液压缸压力达到 8 . 5 M pa 时负载速度 从 0 上升到 0 . 001 m / s 。 压力阀在 100 s 时调节为 10. 5 M pa , 200 s 时, 调节到 9 . 0 M pa 。调整压力时
图 2 推进液压系统原理图
2 . 1 . 2 推进流量开环控制仿真 流量 阀的流 量设 定为 11 . 4 L /m in , 压力阀 为 10 . 5 M pa , 当压力达到设定值 8. 5 M pa 后负载速度 从 0 上升到 0 . 001 m / s。流量阀在 100 s时调节为 11 . 4 L /m in , 200 s时调节到 5 . 7 L /m in 。负载速度 在 100 s时调节为 0 . 000 5 m / s, 200 s时调节为 0 . 001 m / s。调整流量时液压缸压力和流量曲线图, 如 图 5 所示。图 5 中 1 #曲线为液压缸压力变化曲线, 2 #曲线为液压缸流量变化曲线。 上调流量时, 液压缸速度上升波动 , 压力有微小 变化 ; 下调流量时, 液压缸速度下降波动 , 压力亦有 微小变化。液压缸压力微小变化取决于比例溢流阀 溢流量的变化。 从图 4 和图 5 的仿真结果可以看到 , 单纯的压 力控制会引起流量波动, 单纯的流量控制又会引起 压力的波动, 两者都不能达到很好的控制效果。