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硕士论文 土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 摘 盾构机是一种能够实现隧道的自动挖掘并使隧道一次性成型的大型工程机械，其结 构复杂，集机、电、液和气于一体，通过各部分功能的相互结合能够实现隧道挖掘的一 系列动作。本文主要对盾构机推进系统的关键技术和难点做了详细的研究和设计，通过 仿真和实验的方法和方式展开了相关研究工作，希望为推动盾构技术的进步尽自己的一 份力。 首先，本文对盾构机的前进和转弯做了详细的受力分析，计算出盾构机挖掘时所受 到的水土压力和摩擦阻力，制作出阻力分布图和盾构机力学模型；在受力分析的基础上， 建立了推进系统液压缸对管片作用力的误差函数，通过拉格朗日方程对其求最小值，根 据所求结果制定出推进系统液压缸分区设计的方式，为液压缸的分区设计提供了理论依 据。其次，在传统盾构机液压推进系统的基础上进行了优化，制定出现代盾构机推进系 统的设计方法，并采用了压力流量复合控制的方式对推进系统进行控制，增强了系统的 工作效率和控制精度。接着，建立了推进系统的a m e s i m 模型，并通过a m e s i m 和 m a t l a b 联合仿真的方式对推进系统的开环控制、闭环控制、p i d 控制和模糊p i d 控 制分别进行了仿真，结果表明模糊p i d 控制的效果最好，能够大大减小系统压力或者流 量改变时液压缸压力或流量的波动和超调量，使系统能够安全稳定的运行。然后，进行 现场调试，实际验证设计的可行性。最后，进行了总结和展望，指出了论文的不足之处 和研究方向。 关键词：土压平衡盾构机，分区设计，液压推进系统，a m e s i m 仿真，联合仿真，p i d 控制 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h es h i e l dm a c h i n ei sal a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yt oa c h i e v et h ea u t o m a t i c a l l y m i n i n ga n dd i s p o s a b l es h a p i n go ft t m n e le x c a v a t i o n i t ss t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，c o l l e c t i n g m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l ，h y d r a u l i c ，a e r o d y n a m i c sa n ds oo n ，a n das e r i e so fa c t i o n so ft u n n e l e x c a v a t i o nc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ff u n c t i o no fe a c hp a r t t h i sp a p e r m a d ead e t a i l e dr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e yt e c h n o l o g i e sa n dd i f f i c u l t i e so ft h et h r u s t h y d r a u l i cs y s t e mt h r o u g hs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t st od o0 1 3 p a r tt op r o m o t e t h ep r o g r e s s o ft h es h i e l dt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e rm a i n l ym a d ead e t a i l e ds t r e s sa n a l y s i so ft h ef o r w a r da n dt u r n i n go f t h es h i e l dt oc a l c u l a t et h ep r e s s u r ea n df r i c t i o nr e s i s t a n c eo ft h es o i la n dw a t e rb yd i g g i n ga n d m a d et h er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o nm a pa n dm e c h a n i c a lm o d e lo ft h es h i e l dm a c h i n e a n da l l e r r o rf u n c t i o no ft h ef o r c e sf r o mh y d r a u l i cc y l i n d e rt ot u n n e ls e g m e n t sw a se s t a b l i s h e db a s e d o ns t r e s sa n a l y s i s ，a st od e v e l o pad e s i g no ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e rp a r t i t i o no ft h r u s th y d r a u l i c s y s t e mt h r o u g hl a g r a n g ee q u a t i o n ，w h i c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ep a r t i t i o nd e s i g n o ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r s e c o n d l y ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h r u s th y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e n m a d eo nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a ls h i e l dm a c h i n e ，a n dt h ec o n t r o lm o d eo ft h r u s th y d r a u l i c s y s t e mw a sp r e s s u r ea n df l o wc o m p o u n dc o n t r o lm o d et oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h e s y s t e ma n dc o n t r o la c c u r a c y t h i r d l y ，t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e dt h et h r u s th y d r a u l i cs y s t e m m o d e lb ya m e s i m ，a n do p e n - l o o pc o n t r o l ，c l o s e d - l o o pc o n t r o l ，p i dc o n t r o la n df u z z yp i d c o n t r o lo ft h r u s th y d r a u l i cs y s t e mw e r es i m u l a t e db yt h ea m e s i ma n dm a t l a bj o i n t s i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o lc o u l dg r e a t l yr e d u c et h ef l u c t u a t i o n s a n dt h eo v e r s h o o to ft h es y s t e mw h e nt h ep r e s s u r eo rf l o ww a sc h a n g i n g ，w h i c he n a b l e dt h e s y s t e mt ob em o r es a f ea n ds t a b l e a n dt h e nw em a d ea no n s i t ec o m m i s s i o n i n gt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ep r o v i d e das u m m a r ya n do u t l o o k ，a n dp o i n t e do u t t h ei n a d e q u a c i e sa n dr e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l dm a c h i n e ，p a r t i t i o nd e s i g n ，t h r u s th y d r a u l i cs y s t e m ， a m e s i ms i m u l a t i o n ，u n i t e ds i m u l a t i o n ，p i dc o n t r o l 硕： = 论文 土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 引言1 1 2 盾构机简介1 1 2 1 盾构机概论1 1 2 2 泥水盾构机2 1 2 - 3 土压平衡盾构机3 1 2 4 我国发展盾构技术的意义和前景4 1 3 盾构机推进系统一5 1 3 1 盾构机推进系统介绍5 1 3 2 盾构机推进系统国内外研究现状7 1 4 课题的研究背景及意义9 1 5 课题研究的主要内容9 2 盾构机推进系统的受力分析和分区设计1 1 2 1 盾构机直线前进时的受力分析1 1 2 1 1 开挖面的水土抵抗力f l 计算1 2 2 1 2 盾构机和土层的摩擦力f 2 计算13 2 2 盾构机转弯时的受力分析与力学模型的建立1 4 2 2 1 盾构机转弯时的受力分析1 4 2 2 2 盾构机力学模型的建立1 6 2 3 推进系统液压缸的分区设计1 6 2 3 1 推进系统各液压缸推进力计算1 7 2 3 2 推进系统的分区设计1 9 2 4 本章小结2 5 3 盾构机推进机构的液压系统设计2 6 3 1 传统的推进机构液压系统原理2 6 3 2 推进机构的液压系统设计2 7 3 2 1 压力流量复合控制2 8 3 2 2 推进系统主要液压回路设计2 9 3 2 3 改进后的液压推进系统3 1 目录硕士论文 3 3 推进系统液压元件的计算和选型3 4 3 3 1 液压缸的计算与校核3 5 3 3 2 液压泵的计算和选型3 6 3 3 3 电动机的计算和选型3 7 3 3 4 比例调速阀的计算和选型3 7 3 3 5 比例溢流阀的计算和选型3 7 3 4 本章小结3 8 4 盾构机液压推进系统的a m e s i m 仿真3 9 4 1a m e s i m 介绍3 9 4 2 盾构机液压推进系统a m e s i m 模型的建立4 0 4 2 1 推进液压缸模型设计4 0 4 2 2 比例溢流阀模型设计4 2 4 2 3 比例调速阀模型设计4 4 4 2 4 液压推进系统的a m e s i m 仿真模型建立4 7 4 3 液压推进系统a m e s i m 仿真分析一4 8 4 3 1 流量开环控制仿真4 8 4 3 2 压力开环控制仿真4 9 4 3 。3 压力流量复合控制仿真5 0 4 4 本章小结5 2 5 盾构机液压推进系统控制方式研究5 3 5 1 控制方式简介5 3 5 1 1p i d 控制5 3 5 。1 2 模糊控制5 4 5 2 液压推进系统p i d 控制仿真5 5 5 2 1 液压推进系统p i d 控制原理5 5 5 2 2 推进系统p i d 控制仿真分析5 6 5 3 液压推进系统模糊p i d 控制仿真5 8 5 3 1a m e s i m 和m a t l a b 联合仿真5 8 5 3 2 液压推进系统模糊p i d 控制原理及仿真模型的建立5 9 5 3 3 液压推进系统模糊p i d 控制仿真分析6 3 5 4 现场调试6 5 5 5 本章小结6 6 6 总结和展望6 7 6 1 总结6 7 i v 倾士论文土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 6 2 展望6 7 至定谢。6 9 参考文献7 0 附录7 3 v 硕卜论文 土压平衡盾构机液胝推进系统研究和设计 1 绪论 1 1 引言 当今世界，随着人口的增长和生活条件的改善，全球城市化的速度已经越来越快了。 据统计，现在全世界超过一半的人n 居住在城市，大城市和超大城市的数量激增1 1 。庞 大的人口数量使得城市的交通压力越来越大，然而地面上道路空间的利用率已经逐步达 到饱和，为了缓解地面交通状况，开发地下空问已经显得越来越重要了，地下隧道的出 现为此提供了个很好的解决方案【孙。地下隧道的建设有两种方式，明挖方式和暗挖方 式p 1 。明挖方式主要在浅层建设隧道时运用，但在人口密集、地上建筑复杂的城市是不 允许的；暗挖方式主要分为矿山法和盾构机法，但是城市地层结构主要为软土结构，如 果用矿山法在软土层中建设隧道显然是不可行的，加上盾构机不仅可以在软土层中建设 隧道，也可以在岩石层中建设隧道，所以在地下空间的开发中，运用盾构机建设地下隧 道已经成为总的发展趋势【4 1 。 1 2 盾构机简介 1 2 1 盾构机概论 盾构机( s h i e l dm a c h i n e ) 是种适用于在软土层中进行隧道施工，并且带有金属 保护壳，在金属保护壳下装有盾构主机和后配套装置，在保护壳的作用下能够使盾构主 机安全前进，进行土体的开挖、软化和排运以及管片的拼装等一系列动作，使得地下隧 道能够次成型的工程机械，其结构如图1 1 所示【5 ，6 1 。 图1 1 盾构机示意图 1 绪论坝l ：论文 现代盾构机结构复杂，蕴含技术丰富，集机、电、液、信息、控制和传感等高端技 术于一体，具有土体的开挖、软化和排运，管片的拼装，运行方向的控制和矫正等功能 【7 ，8 1 。所以使用盾构机进行隧道的挖掘可以最大程度的减少地层的沉降，保护地面建筑 和交通不受影响，具有自动化程度高、成形速度快和不受外界气候条件影响等优点。现 在，在人口密集的城市中进行隧道的挖掘工作，最为经济的方式就是使用盾构机进行施 工，这样更加安全可靠【9 ，1 0 j 。盾构机还有一个重要的特点就是可以按照不同的地质条件 和需求进行专门的设计和制造，以适应不同的地形特点，可靠性极高1 i 。现在盾构机不 仅适用于粘性地质和砂性地质，也适用于砂砾地质、软岩地质以及其他复合地质等绝大 多数地质层，可以说将来盾构机将会有一个更广泛的发展前景【i 到。 1 2 2 泥水盾构机 自从1 8 1 8 年，第一台盾构机由英国工程师布鲁诺设计出来并成功的在伦敦的泰晤 士河下建成第一条盾构机挖掘的隧道以后，盾构机技术迅速向全世界蔓延，并取得了可 喜的成绩，为地下隧道建设开辟了一片新的天地3 ，1 4 j 。 尤其最近几十年里，伴随着自动控制技术、液压技术以及检测技术等相关技术的发 展，盾构技术也得到了一个飞跃性的发展，盾构机类型也越来越多，其中最主要的就是 泥水盾构和土压平衡盾构。这两种盾构机技术先进，工作稳定以及挖掘效率高，已然成 为现代盾构技术的代表【1 1 6 j 。 图1 2 泥水盾构机 泥水盾构机最早是由英国发明的，后来在日本得到了进一步发展和运用。泥水盾 构与传统开关控制盾构或者空气压缩盾构相比，很好的改善了工作条件，操作人员不用 硕士论文士压平衡盾构机液压推进系统研究和垃计 在危险的环境中工作了。泥水盾构的结构如图1 2 所示，其工作原理是：在推进系统前 装置密封隔板，确保刀盘和隔板之间能够形成密封舱，然后往密封舱中注入一定量的泥 水，使得泥水压力和开挖面的水土压力相等，以保证开挖面的受力平衡，防止土体坍塌。 接着由前盾上的刀盘切削开挖面，使得切削下来的土体和密封舱中的泥水混合形成泥 浆，然后由排泥管道把泥浆运输出去。运输出来的泥浆经过分离装置，把泥水和土体颗 粒分开，最后把分离出来的泥水再运送回密封舱，形成循环使用【l8 1 。 虽然泥水盾构机很好的解决了开关控制盾构和空气压缩盾构的空气泄漏以及员工 工作环境差等问题，但是泥水盾构也有一定的局限性。首先泥水的后处理比较麻烦，一 般都是直接排放到河里，所以泥水盾构一般在靠近河流的地方工作；其次泥水盾构需要 的辅助设备较多，不仅需要一套自动化程度高的泥水运输系统，还需要一套完整的泥水 分离装置，这两种设备不仅造价昂贵而且体积庞大，所以一套泥水盾构所需的费用很大， 不适于大批量使用。为了解决泥水盾构的不足，土压平衡盾构机因运而生 19 1 。 1 2 3 土压平衡盾构机 上世纪七十年代，日本的s a t ok o g y o 公司最先发明并使用了土压平衡盾构机，自此 土压平衡盾构机以其造价低、适用地质广和挖掘效率高的优点很快得到了广泛的使用 p 。在我们国家，土压平衡盾构机运用的l l t 歹, j 是最高的；在日本土压平衡盾构机使用量 占盾构机总量的一半以上；现在欧洲和美洲也广泛的使用土压平衡盾构机进行隧道的挖 掘工作【2 1 ，2 2 1 。 图1 3 _ 十长平衡盾构机组成 通过盾构前端刀盘切削土体并通过螺旋输送机输送土料的盾构机称为土压平衡盾 构机，其具有运行稳定，挖掘效率高和自动化程度高等优点。土压平衡盾构机主要由刀 盘、盾构机主体、推进机构、管片拼装机、螺旋输送机、皮带输送机和后配套等辅助系 统组成，如图1 3 所示。其前盾上装有切削刀盘用来开挖土体；推：进系统前端装：有密封 隔板，确保刀盘和隔板之间形成封闭的密封舱：在隔板下部中心有螺旋输送机进土口， 进行土体的运输；同时在密封隔板后装有推进液压缸；盾尾处装有管片拼装机和密封系 统盼2 4 1 。如图1 4 所示为土压平衡盾构机现场图。如图1 4 和图1 3 上所示，可以看出 土压平衡盾构机各部分位置和组成。 图1 4 土压平衡盾构机现场图 土压平衡盾构机最主要的就是保持土压平衡，形成良好的开挖环境，其基本工作原 理为：通过均匀分布在密封隔板后的推进液压缸产生推力，推动其前进，同时刀盘进行 土体的挖掘工作。挖掘下来的泥土从刀盘的槽口进入密封腔中，通过泡沫系统和膨润土 系统改善其流塑性和粘性，接着就能通过螺旋机和皮带机把密封舱中的土体顺利的排运 出去。值得注意的是螺旋输送机的进土口处装有闸门，当盾构机停止运行时必须把闸门 关上，防止密封舱内的土体流失，影响土压平衡，使得开挖面不稳定。所谓的土压平衡 就是盾构机运行时密封舱中始终充满着土体，而且保持一定的压力，使其能够平衡开挖 面的水土压力。如果密封舱中压力和开挖面的水土压力不相等，打破了平衡，就可以通 过调节盾构机的挖掘速度和螺旋机的排土速度来调整密封舱中的压力，重新找回平衡状 态。此类盾构机解决了其他盾构机费用大、工作场所危险和效率低等缺点，已经广泛应 用于各类隧道挖掘工程【z 5 j 。 1 2 4 我国发展盾构技术的意义和前景 盾构机作为工程机械的代表产品，已然成为衡量一个国家经济实力的重要标志之 一。近年来，我国基础建设迅速发展，各城市都进行着大规模的地铁隧道建设和地下运 输管道的建设，盾构机作为隧道挖掘的专用机械已经被越来越多的工程单位所选用n 2 7 j o 据统计，到目前为止，我们国家已经有地铁运行的城市就有l l 座，并且在不断的 硕士论文 土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 扩建中，批准新建且已经在建设中的城市达到二十几座，随着城市规模的不断发展，将 会有更多的城市进行地铁的建设。如果按每座城市需要十台盾构机来计算的话，这样所 需要的盾构机数量将达到3 0 0 台以上，按照国际市场每台盾构机4 0 0 6 0 0 万美元的价格 计算，隧道交通这一领域的潜在市场将高达1 5 0 亿- - , 2 2 5 亿元【2 引。从我国国情来看，未 来十年内，将是地铁隧道和地下运输管道发展的高峰期，这将进一步促进盾构机市场的 发展。然而，现在我国所使用的盾构机大多依靠进口，这不仅把盾构机市场这块大蛋糕 拱手让给他人，而且严重制约着我国盾构技术的发展。所以现在我们的首要任务就是把 盾构技术国产化，争取能够自主生产出达到国际水平的盾构机。 我国国内盾构机的市场前景相当可观，盾构机的研发、制造和施工将形成一个巨大 的市场。如何有效方便的把地下资源利用起来，以便满足人们日益发展的需要应该是当 前以及今后一段时间内的重要课题。 1 3 盾构机推进系统 1 3 1 盾构机推进系统介绍 本文主要以土压平衡盾构机为基础，对其液压推进系统的机械结构及其液压原理进 行学习和研究，然后进行重新设计和实验，设计出具有自己特色的盾构机推进系统，为 盾构机的国产化尽自己的一份力。 推进液压系统是盾构机的主要系统之一，是整台盾构机掘进时的动力源，主要实现 盾构机挖掘时能够沿着设定路线前进、转弯、运行姿态的控制、运行姿态的调整以及推 进液压缸同步运行等功能。所以推进系统设计的是否合理直接会影响到整个隧道挖掘工 作的质量和进度，尤其盾构机运行过程中如果推进系统出现错误或者无法运行时，那这 台盾构机只能深埋在地下，那将会造成巨大的损失【2 9 1 。为了能够提高盾构机掘进时的效 率、安全系数以及运行速度，这就要求盾构机推进系统必须能够适应不同的地质条件以 及土压和水压的变化，以提供合适的推进速度和推进力，同时配合刀盘的切削速度和螺 旋输送机的排土速度维持土压平衡，防止盾构低头和偏离路线等现象出现，为盾构机的 运行提供一个安全高效的工作环境。 现在我国国内对盾构机推进系统的设计原理和工作方式掌握的还不够全面，研究也 不够深入，与国外，尤其是德国、日本等盾构大国还有一定的差距，难以完成推进系统 的自主研发和设计【3 0 】。不过国内很多企业和学校都在着手于盾构机推进系统的学习和研 究，我相信在不久的将来肯定能够生产出我们自主研发出来的盾构机推进系统和相关产 品。 1 绪论 图1 5 推进系统不意图 推进系统主要是由沿着中盾圆周分布的多个推进油缸组成，如图1 5 所示，一端固 定在密封隔板上，端可以自由运动 3 1j 。 如图1 5 ，我们可以看出推进油缸的数量很多，如果要对每个油缸都单独控制的话， 控制路线将会很繁琐而且难度很大。为此，现在大多数盾构机采用的都是分区控制的方 式，即把所有的油缸分成4 组、5 组或者6 组进行分别控制，这样不仅减少了控制路线， 简化了控制方法，同时也很好的保证了盾构机的f 常运行和各功能的f 确实现，使得实 地操作更为方便pr 2 j 。 现在的很多盾构机推进系统采用的是电液伺服控制，虽然与传统的电液开关控制相 比有了很大改进，不仅实现了自动化控制，也提高了控制精度。但是电液伺服控制对液 压油清洁度的要求很高，而且造价昂贵耗能大，使得很多隧道挖掘工程只能选择其他种 类的挖掘机械。电液比例控制技术的出现很好的解决了伺服控制存在的问题，比例控制 阀以其性能可靠，造价低，能够满足实地控制要求及可以实现无极调速等优点，很快的 被大多数盾构厂家所运用，比例控制技术也f 1 渐成熟。近年来复合比例控制技术的出现 更进一步拓宽了比例阀的运用领域，比例阀一般分为流量比例控制、压力i ：l n 控制和方 向比例控制三大类，复合控制就是把其中两种或者三种控制阀组合使用，可以使得控制 更加稳定，精度更高【3 4 3 5 】。 由于电液比例技术可靠性高，价格低廉，现在已经成为盾构机液压控制系统的首选 元件，运用电液比例技术可以实现盾构机的自动控制，可以实现自动的位置矫正和方向 矫f ，基本可以实现无人化操作。但是我国白行设计的盾构机推进系统还无法完全实现 自动化，控制精度也不是很高 3 6 l3 7 j 。 硕士论文 土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 所以本文针对盾构机的推进系统进行深入的研究，对其机械结构、液压原理及控制 方式进行探讨和重新设计，使盾构机能够更好的满足我国隧道挖掘的要求，为盾构机早 日国产化提供理论支持。 1 3 2 盾构机推进系统国内外研究现状 盾构机推进系统作为整个盾构机的动力源，主要是通过对推进力和推进速度的控制 来保证盾构机能够沿着设定的路线前进和转弯并实现运行方向的控制和调整等功能。但 是盾构机挖掘隧道的地质一般复杂多变，使得盾构机受到的阻力一般都不是均匀分布 的，所以要想盾构机能够沿着设定的路线前进存在着许多技术要求和技术难剧3 8 】。 从国内外的文献来看，对盾构机推进系统的研究主要集中在推进系统的受力分析， 推进系统各液压元件的选型设计，推进油缸的分区设计，推进系统液压原理分析设计， 推进系统的电液比例控制设计以及液压缸的同步控制设计等方面。很多文献对液压缸分 区设计和电液比例控制方面都是大概介绍或者简单处理设计，没有对其深入分析。本文 是以土压平衡盾构机为基础，对其推进系统深入分析，详细研究推进系统设计的理论依 据和设计方法【3 9 4 1j 。 1 3 2 1 推进系统电液控制技术的研究现状 2 0 世纪5 0 年代，为了解决液压系统控制精度的问题，电液伺服控制技术应运而生。 起初，电液伺服控制技术以控制精度高和响应速度快等优点，主要应用在航空领域，随 后开始运用到一些工程领域和工业设备中，其控制技术也慢慢的完善起来。但是由于电 液伺服控制造价昂贵，耗能大并且对液压介质洁净度的要求高，所以得不到广泛的应用， 大多运用在精度要求高的场合。到6 0 年代，在人们迫切需求一种新型的造价低廉的， 耗能少但又能满足控制要求的电液控制技术时，电液比例控制技术诞生了1 4 2 | 。电液比例 控制技术以其价低、节能、稳定、可靠并能满足控制精度要求等特点广泛的被各领域所 运用。 电液比例控制的核心是比例阀，它是在普通液压阀的基础上加入了机电转化器，实 现了比例控制，从而获得了低价、节能的比例控制阀。2 0 世纪8 0 年代后，比例阀的设 计技术进一步提高，各类带反馈控制的比例阀被生产出来并投入到使用中，再一次提高 了比例控制技术的精度和稳定性。近年来复合比例控制技术的出现更进一步拓宽了比例 阀的运用领域，比例阀一般分为流量控制、压力控制和方向控制三大类，复合控制就是 把其中两种或者三种控制阀组合使用，可以使得控制更加稳定，精度更高。现在我国对 复合阀设计技术掌握的还不够完善，设计出来的种类较少，但是国外电液比例复合阀设 计技术已经成熟很多，产品种类也多，其代表就是德国的力士乐，在液压元器件这块达 世界领先水平【4 3 】。电液比例复合阀具有价格低廉，可靠性高，抗污染能力强和控制精度 高等特点，已经成为液压技术的发展趋势，将会有一个广阔的市场前景。 l 绪论硕士论文 由于盾构机推进系统需要对其压力、速度和方向进行实时控制，控制精度要求高， 比例控制元件以其优良的性价比已然成为推进系统的首选液压元件。同时一个高性能的 电液比例控制系统是盾构机能够实现自动化的基础i 。国外很多厂家都在盾构机开挖面 和周边设有各种传感装置，通过采集盾构机挖掘时的运行信息和土层信息，再反馈给液 压控制元件，以实现盾构机的自动控制。我国在这方面还存在一定的不足，但在复合比 例控制上也取得了一定的成就，已经在国内的很多领域得到了应用，其在盾构机上的运 用也基本可以实现盾构机的各部分功能。 1 3 2 2 推进系统的推进油缸分区设计研究现状 盾构机推进系统是由沿着中盾圆周分布的多个推进液压缸和泵及相关系统组成。由 于盾构机在地下挖掘时受到的阻力很大，需要很大的推进力，所以需要的推进油缸数量 很多1 4 5 j 。如果要对每个油缸都进行单独控制的话，这样的控制系统就会很繁琐，控制难 度也将很大，也难以实现液压缸的同步控制要求。一股都是把所有的液压缸进行分组设 计，然后对每组液压缸进行单独控制。这样不仅大大简化了控制系统的繁琐程度，节 约了成本，降低了操作难度，同时也能保证控制精度的要求。 国内很多文献都是把推进油缸分成4 个区，然后分别进行控制。庄欠伟等在盾构机 推进系统的机械结构研究中，就是以德国海瑞克土压平衡盾构机为研究对象，把3 2 个 推进油缸分成1 6 组，一组两个通过连接块固定在一起，然后分成4 个区。由于盾构机 自身重力和地下土压水压的影响，挖掘时盾构机下部分受到的摩擦力最大，上部分最小， 所以分区时，下分区是5 组( 1 0 个) 推进油缸，上分区是3 组推进油缸，两边分区各4 组推进油缸1 4 m 叫。于睿坤等在以国外盾构机为基础进行国产化的设计研究中，把2 2 个 推进油缸也是分成4 个区，下分区7 个推进油缸，其他方向分区各5 个推进油缸【5 0 ，5 l 】。 胡国良等人在盾构机推进系统分区设计研究中也是把所有推进油缸分成4 个区，下分区 1 0 个油缸，上分区6 个，两边分区各8 个【5 2 。5 4 1 。还有，王国义在盾构推进系统和故障排 除研究中把3 0 个推进油缸分成4 个区，上下区各8 个推进油缸，两边各7 个【5 5 5 6 1 。 国外的话，大多数也是把推进油缸分成4 个区，如海瑞克盾构机和日本小松盾构机 等【57 | 。但也有其他分区方式的，美国有两个专利就是把推进油缸分成3 区，进行控制设 计时，又是把推进液压缸分成6 个区进行控制。也有为了实现不同的控制要求，把推进 油缸分成5 个区的。 总之，推进油缸有很多不同的分区方式，在相同的分区方式下还有不同数量的推进 油缸分配方式。对于不同的分配方式将配有不同的控制方式，以达到不同的控制目的和 控制精度【5 8 1 。所以我们对推进系统的分区设计进行深入研究，掌握其设计原理和设计方 式，将对我国盾构机的国产化设计具有很大的帮助。 硕士论文土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 1 4 课题的研究背景及意义 近年来，为了完善我国的交通体系和运输体系，各类大工程正在快速实行中，尤其 是地铁隧道建设和地下运输管道建设项目正在不断增加，北京、上海、广州、苏州、无 锡、南京、武汉以及西安等城市地铁工程都在紧张建设或者即将开工。盾构机作为隧道 建设的首选机械，需求量也越来越高。 目前我国所使用的盾构机大部分都依靠进口，盾构机关键技术基本都掌握在欧洲、 美洲和日本等小数几个国家手中，其中最有名的就是德国的海瑞克、维尔特和日本的三 菱重工，我国现有的盾构机基本都是这三家公司的产品。除了外国品牌，国内生产盾构 机的厂家主要有上海隧道、中铁隧道、沈重、上重、北重和首钢等企业，其中具有自主 研发和生产能力的是上隧和中铁，其他都是与德国海瑞克、维尔特或美国罗宾斯等外资 合资进行合作生产。为了尽快使盾构技术国产化，政府也加大了投资，不仅给这些企业 拨款进行盾构项目的研发，也与很多学校合作进行盾构课题的研究和设计。根据目前国 内盾构机制造行业的产量和投资计划，预计我国盾构机的产量将会有一个大幅度的提 升，并将进入一个国产化的高速发展时期。 但是我国自行生产的盾构机和国外相比仍有一定的差距，国产盾构机还无法完全实 现自动化，达到无人操作的水平，控制精度也不是很高。因此，盾构国产化迫在眉睫， 我们必须在引进国外盾构机的基础上，对其进行研究分析，消化他们的先进技术，然后 转化成具有我们自己特色的技术，生产出属于我们自己的盾构产品。 本课题就是在这种背景下，和江苏凯宫隧道机械有限公司合作，主要以土压平衡盾 构机为基础，对其推进系统进行研究分析，以实现盾构机能够沿着设定的路线前进、转 弯和姿态调整等功能。为盾构机推进系统的机械结构设计、液压原理设计及控制方式设 计提供参考和理论支持，争取为实现盾构机的国产化尽自己的一份力。 1 5 课题研究的主要内容 盾构机推进系统的研究主要集中在推进系统的受力分析，推进系统各液压元件的选 型设计，推进油缸的分区设计，推进系统液压原理分析设计，推进系统的电液比例控制 设计以及液压缸的同步控制设计等方面。 本文以土压平衡盾构机的推进系统为基础，分以下几部分展开研究： ( 1 ) 简单介绍盾构机的基本原理、优势所在和发展前景，并对土压平衡盾构机和 泥水盾构机的结构及工作原理分别进行阐述。重点介绍推进系统的组成、原理和功能， 并从推进系统的电液控制技术和液压缸的分区设计技术两方面分析国内外的发展现状， 指出现在研究存在的不足以及本课题研究的意义。 ( 2 ) 主要对盾构机直线前进时的受力进行分析和转弯运行时的受力进行分析，计 9 1 绪论 硕士论文 算盾构机受到的阻力大小，并构建盾构机的力学模型，建立各液压缸推力的误差函数， 求解最小值。然后以此为基础展开对推进系统分区设计的讨论。 ( 3 ) 主要对传统液压推进系统进行分析，指出其不足之处。然后对液压系统的控 制方式进行选择，并提出液压系统的改进方案。接着对改进后的液压推进系统原理进行 介绍，并对系统中的主要液压元件进行计算和选型。 ( 4 ) 主要建立推进液压缸、比例溢流阀和比例调速阀的a m e s i m 模型，并对压力 开环控制、流量开环控制和压力流量复合控制分别进行仿真，比较其优缺点，指出哪种 控制效果最好和存在的缺点。 ( 5 ) 主要介绍p i d 控制原理和模糊p i d 控制原理。并通过a m e s i m 和m a t l a b 联合仿真技术，对液压推进系统的p i d 控制和模糊p i d 控制分别进行仿真，指出哪种控 制效果更好。最后进行现场调试，验证设计的可行性。 颂士论文土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 2 盾构机推进系统的受力分析和分区设计 要对盾构机推进系统进行研究分析，首要条件就是熟悉盾构机在地下挖掘时的受力 状况。盾构机受力情况的不同会影响推进液压缸分区方式的设计，推进液压缸分区的设 计主要就是为了简化盾构机的控制方式，平衡盾构机各部分所受的阻力和保证管片的受 力平衡，如果对盾构机受力分析了解的不足，将会导致分区设计的不合理，这将直接会 影响到盾构挖掘工程的质量，严重时会导致推进液压缸的损坏，影响盾构机的正常工作， 也会导致管片由于受力不平衡而产生毁坏，破坏隧道质量；其次盾构机受力情况的不同， 会直接影响推进机构液压系统的方案设计以及推进液压缸大小的选择和其他液压元件 的选型问题，如果液压系统设计不合理或者推进液压缸选型不合理很容易导致工程事故 的出现，一台盾构机如果在挖掘途中发生工程事故而无法继续挖掘时，那这台盾构机将 只能埋在地底，无法将其拿出，那将会造成巨大的损失；另外只有对盾构机进行受力分 析，才能正确设定出液压控制时推力和流量的参数，使盾构机安全稳定的运行。所以对 盾构机的受力进行分析是研究推进系统的基础。 2 1 盾构机直线前进时的受力分析 从绪论可以知道，土压平衡盾构机基本工作原理是：在掘进过程中刀盘切削土体， 切削下来的土体进入并充满密封舱，控制好螺旋输送机的出土量和盾构机的运行速度， 使得密封舱具有一定的压力和挖掘面的水土压力相平衡，从而保持挖掘面的稳定，形成 土压平衡。然后切削下来的土体经过螺旋输送机和皮带机运输出去，接着进行管片拼装 和注浆等工作。盾构机要保持这些动作正常运行的前进动力都是靠推进系统提供的，以 便抵消它们所产生的各种阻力。由于盾构机挖掘隧道时地形复杂多变，所以盾构机的受 力也是很复杂的，因此我们对盾构机直线前进和转弯时的受力情况分别进行分析，如图 2 1 所示为盾构机直线前进时的受力情况。 如图2 1 ，可以看出盾构机在地下进行直线挖掘时主要受到4 个阻力的作用，f l 为 开挖面的水土抵抗力，主要由地下水土压力造成的；f 2 为盾构机与土层的摩擦力，主要 由水土压力和盾构机的自重与土壤摩擦造成的；f 3 为刀盘切削时，开挖面的切削抵抗力； f 。为尾盾和管片的摩擦阻力。其他如拖车的摩擦阻力和后配套的拉力等，主要都是滚动 摩擦，可以忽略不计。其次因为刀盘的切削反力f 3 和尾盾与管片的摩擦阻力f 4 ，与水 土压力f 1 和摩擦力f 2 相比至少相差两个数量级，在这里忽略不计。下面对开挖面的水 土抵抗力f ，和盾构机运行时与土层的摩擦力f 2 分别进行讨论。 2 盾构机推进系统的受力分析和分区砹汁 硕 j 论文 图2 】盾构机直线运动受力图 2 1 1 开挖面的水土抵抗力f l 计算 土压平衡盾构机主要在黏土中挖掘隧道，所以本文以盾构机在黏土中的受力情况分 析为例进行参数的计算。黏土的基本参数：内摩擦角一般为0 = 3 0 0 ；摩擦系数为o 2 5 0 5 0 ， 我们取f = 0 3 ；黏土的侧压系数为o 5 0 7 ，我们取k = 0 6 ；黏土的天然容重y 1 = 1 8 k n m 3 ， 浮容重y 2 = 9 k n m 3 ，水容重r 。= 1 0 k n m 3 。 在土压平衡盾构机的研究设计中，如果土压平衡盾构机在黏土中工作，一般要保证 其能够在3 0 m 的地下正常挖掘，所以我们取h = 3 0 m ，h = 2 5 m ，盾构机半径为r = 3 2 5 m ， 重2 5 0 0 0 0 k g 。由于土压平衡盾构机挖掘时，挖掘面时刻处于土压平衡的稳定状态，所以 我们运用土压力理论中的静止土压力进行求解。 如图2 1 ，可以看出由于地下水位线的存在，黏土分为水位线以上和以下两部分， 水位线以上的黏土含水量少我们按照天然容重计算；水位线以下的黏土含水量多不能直 接用天然容重计算，我们按照浮容重计算并同时计算水的容重，即同时考虑土压p 。和水 压p 。e q u a t i o nc h a p t e r2s e c t i o n1 黏土的侧向土压力( 即沿着推进方向的土压力) 公式如下： p = k t h( 2 1 ) 开挖面的水土压力： e = + 只( 2 2 ) 设距离地面x 点的压力为p 。： 只= 只。+ 匕( 2 3 ) x 点的土压力： 硕士论文土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计 只。= k f i ( h h ) + 吃( x h + 办) 】 x 点的水压力