高空作业车液压和电气控制系统设计[含CAD图纸和说明书等资料]
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含CAD图纸和说明书等资料
高空作业
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盾构推进液压系统同步协调控制仿真分析胡国良摘要: 设计了一种基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统。采用AMESIM和MATLAB仿真软件对推进液压系统同步协调控制进行了仿真比较分析。仿真结果表明采用主从式同步控制策略能够达到很好的同步效果, 同步精度达到1mm,为实际盾构同步推进提供了参考依据关键词: 盾构；推进液压系统；同步控制；仿真。盾构是一种集机械、电器、液压、测量和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重大工程装备。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, 与传统的钻爆法隧道施工相比更具有明显的优势, 尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时, 只能依赖盾构。推进系统是盾构的关键系统之一, 主要承担着整个盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等。推进系统的控制目标是在克服盾构推进过程中遇到的推进阻力的前提下, 根据掘进过程中所处的不同施工地层土质及其土压力的变化, 能够对推进速度及推进压力进行无级协调调节, 使得盾构在掘进过程中尽可能达到同步推进, 避免不必要的超挖和欠挖。为了达到控制要求, 推进液压系统要求能够在非线性变负载工况下实现压力和流量的实时控制, 并要求具有高的可靠性。基于此, 本文对推进液压系统的同步协调控制作了相关仿真分析研究。1推进液压系统集成设计盾构推进液压系统比较复杂, 属于变负载、大功率、小流量的应用场合。本系统在主油路上采用变量泵实现负载敏感控制; 对于6个执行元件液压缸, 将其分为6组, 进行分组控制, 以完成全推进、单个前进或后退、双个前进或后退等动作。各个分组的控制模块都相同, 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。图1为推进液压系统单个分组的工作原理图。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, 此时系统中多余的流量可从比例溢流阀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, 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的节流口开度来实现。分组中的比例溢流阀3和比例调速阀2与压力传感器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速度和推进压力。快速回退时, 二位二通电磁换向阀1得电, 短路比例调速阀2, 系统采用大流量供油, 此时三位四通电磁换向阀9切换到工作状态A位置, 液压缸6的活塞杆快速回退, 以满足管片拼装的要求。各个分组中, 液压锁8 与具有Y型中位机能的三位四通电磁换向阀9组成在一起成为锁紧回路, 中位停止时可很好的防止液压油的泄漏。液压缸退回时, 平衡阀4能起到运动平稳的作用。2推进液压系统多缸仿真分析多缸机构的同步运动十分重要, 特别是在变负载的盾构设备中显得更为突出。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道, 引起不必要的超挖或欠挖, 甚至会造成盾构设备性能低劣、失效或损坏。造成推进系统中各个分组液压缸不同步的原因有很多种, 主要有以下几个方面:(1) 由于流量增益不同、起始工作电流不同、线性工作区有差异, 使得在某一开度时流过比例调速阀的流量不相等, 从而导致液压缸运动时不同步。(2) 液压缸承受负载不同, 掘进过程中盾构刀盘工作面的水土压力都是随机变化的, 因此各个分组中的液压缸承受的负载大小也不同, 承载大的液压缸较承载小的液压缸运行慢。(3) 液压缸的制造精度有误差, 导致液压缸运动副摩擦力也不同; 另外, 安装时运动副的配合间隙不同, 使得运动副摩擦力也不相等。摩擦力大的液压缸运行相对慢。(4) 液压系统安装时油管长度和弯头数目的不同也会造成液压缸沿程阻力不相等; 此外, 长时间运行也会使得液压缸的工作特性发生变化, 这些因素也会导致各个分组中的液压缸推进时不同步 5 - 6 。基于此, 首先对没有采取同步控制措施的左右对称的2#和5#推进液压缸进行仿真分析。模拟实际推进过程中分区液压缸所受负载不同以及液压缸所受内摩擦力的不同。仿真中把2#液压缸的粘性摩擦系数设为1 104N /m / s, 负载中的弹簧刚度设为1 1010 N /m;而5#液压缸的粘性摩擦系数则设为1 103N /m / s, 负载中的弹簧刚度设为5 109N /m。图2为采用AMESim仿真软件搭建的推进液压系统多缸仿真模型图。图2推进液压系统多缸仿真模型仿真时两个液压缸的调速输入设为相同。图3和图4为两个左右对称液压缸的推进压力和推进速度仿真图。从图中可以看出, 由于两个液压缸所受负载不同, 2#液压缸所受压力比5#液压缸所受压力约大2MPa。另外, 2#液压缸的粘性摩擦系数比5#液压缸的粘性摩擦系数也要大, 反映在速度上也有所不同,受力大、粘性摩擦系数大的液压缸推进速度要慢些,从图4推进速度仿真曲线可以看出, 此时2#缸稳定后的推进速度为36mm /min, 而5#缸稳定后的推进速度约为39mm /min。图5和图6为两个液压缸的位移仿真曲线和位移差仿真曲线图。由于2#液压缸的推进速度比5#液压缸的推进速度要小, 随着时间的增大, 两个液压缸的位移差也越来越大。从图6可以看出, 在推进时间到达50 s时, 两个液压缸的推进位移差达到215mm。也就是说, 每推进1min, 就有约3mm的误差, 这样很容易导致实际掘进过程中盾构偏离预先设定的轨线,因此有必要采取同步控制策略。3推进液压系统多缸同步控制仿真分析目前常采用的液压同步控制方法主要有两种。一种是开环式的控制方法, 即用分流集流阀、同步缸、同步马达等组成同步液压回路, 其特点是原理简单,成本低, 但精度也较低。第二种方法是用电液伺服阀或电液比例阀组成闭环控制系统, 采用这种闭环控制方法时, “同等方式”和“主从方式”是通常采用的两种控制策略, 采用这种控制策略有望获得高精度的同步控制要求 7 。仿真中采用主从式同步控制, 把2#液压缸作为主液压缸, 5#液压缸作为从液压缸。以2#液压缸的输出为理想输出, 5#液压缸受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。图7为推进液压系统多缸同步仿真AMESim 模型, 图8则为采用Simulink构建的推进液压系统多缸同步仿真控制模型。仿真中所取参数与没有采取同步控制时相同, 并且两个液压缸的调速输入均相同。由于设定中所受负载以及液压缸的粘性摩擦系数不同, 导致推进过程中液压缸的推进速度和推进位移不同。此时, 把2# 和5# 两个液压缸的位移输入到AMESim的S函数中, 然后通过输出接口在Simulink中搭建控制模型进行仿真。仿真中把两缸的位移差与设定的位移进行比较, 所得的位移差信号反馈到调速设定值上, 进行补偿来达到同步控制。图9和图10为采用同步控制的液压缸推进压力和推进速度仿真曲线图。从图中可以看出, 两个液压缸所受压力与图3没有采用同步控制措施的推进压力曲线相比, 两者没有发生变化。但从图10可以看出,此时主从两个液压缸的推进速度基本重合, 稳定后的推进速度均为36mm /min。图11和图12为两个液压缸的位移仿真曲线和位移差仿真曲线图。由于2#液压缸的推进速度和5#液压缸的推进速度相同, 因此两个液压缸的推进位移很接近。从
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