（机械电子工程专业论文）盾构管片拼装试验平台控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 盾构是一种用于在地下安全开挖隧道的工程机械。管片拼装机是盾构的重要组 成部分，集机械、电气、液压、控制等多学科技术于一体。它是在隧道壁上安装混 凝土片的专用机械手，用于钳住管片通过回转、平移、升举等运动将管片准确地放 到预定的位置，并安全迅速地拼装成环，从而有效的防止地下水土渗透和地表沉降。 搭建盾构管片拼装试验平台，对于进一步研究盾构的设计理论、计算方法等关键技 术具有重要的意义。本文主要分析盾构管片拼装机的工作原理及其电液控制系统的 特点，建立系统的数学模型，并通过仿真研究了系统的动态特性，此外设计了盾构 管片拼装试验平台测控系统。 论文的主要研究内容如下： 第一章概述了盾构技术的发展历程、国内外研究现状，并简要介绍了管片拼装 机的结构及其发展趋势，最后提出了课题的研究意义以及本文的研究内容。 第二章首先分析了管片拼装机的基本功能和液压系统工作原理，并进行了液压 系统计算和选型，随后详细分析了管片拼装机周向回转运动控制、拼装移动和径向 运动控制，姿态微调控制等液压回路的特点。 第三章对管片拼装机液压系统进行了建模研究，分别建立了构成系统的主要元 件一液压源、比例方向流量阀、液压马达和负载、平衡阀的数学模型，以及减速 机构的传动模型。 第四章利用a m e s i m 软件对周向回转运动液压系统进行了仿真分析，研究了非线 性负载和超越负载作用下系统的动态特性，并分析了平衡阀以及环境变化等因素对 液压系统动态性能的影响，得出了一些有意义的结论。 第五章建立了径向双缸同步系统的数学模型，分析了系统同步特性的影响因素， 并通过仿真曲线研究系统不同工况下的同步精度，结果表明采用电液比例开环控制 的双缸同步机构可以满足系统同步精度的要求。 第六章介绍了基于p l c 的管片拼装硬件控制系统设计方案，利用l a b v i e w 强大 的图形显示功能，设计了管片拼装试验平台液压监测系统，来实现数据的采集、远 程监测等功能。 第七章对本论文所做的研究工作进行简要的总结并对后续工作提出了展望。 关键词：盾构管片拼装系统；液压系统建模；平衡回路；双缸同步；a m e s i m 仿真 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t s h i e l di sat y p eo fa d v a n c e de n g i n e e d n ge q u i p m e n ta p p l i e di nu n d e r g r o u n dt u n n e l e x c a v a t i o n a sa ni m p o r t a n tp a r to fs h i e l d s h i e l de r e c t o ri su s e df o rf i x i n gc o n c r e t e s e g m e n t i tc a nh o l dt h es e g m e n ta n dp u ti tt ot h et a r g e tp o t i o nt h r o u g hd i f f e r e n tm 0 0 0 n s s u c ha st u m t e l e s c o p e t r a v e l ，a n ds oo n b u i l d i n gs h i e l de r e c t o rt e s tn gw i l lc o n t r i b u t et o m a k ef u r t h e rr e s e a r c ho ns h i e l dk e yt e c h n i q u e s s u c ha ss h i e l dd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d t h et h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fe l e c t r o - h y d r e u l i cc o n t r o ls y s t e m t h em a t h e m a t j c m o d e l so fi t sc o n t r o is y s t e ma r ee s t a b l i s h e d a n dt h ed y n a m i cb e h a v i o r so fs y s t e ma r e s t u d i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o nc u r v e s f u r t h e r m o r e t h em o n i t o rs y s t a mi sd e s i g n e d b a s e do nt h ep l ca n dl a b v i e w t h em a i nc o n t e n to fe a c hc h a p t e ri ss u m m a r i z e da sf o i l o w ： i nc h a p t e r1 t h eb a c k g r o u n do ft h es h i e l dt e c h n o l o g ya n dt h es t r u c t u r eo ft h es h i e l d e r e c t o ra r ei n t r o d u c e d ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c ti sr e f e f r e d a l s o t h em a i n o b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ta r es h o w e da tt h ee n do ft h i sc h a p t e n i nc h a i p t e r2 t h ef u nc c i o no fs h i e l de r e c t o ra n di t sh y d r a u l i cs y s t e md e s i g np r i n c i p l e a r ei n t r o d u c e d a n dt h ec h a r a c t e r so fi t sh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d i n c l u d i n g t h ee r e c t o r - t u mh y d r a u l i cc i r c u i t ，t h ee r e c t o r - t r a v e lc i r c u i t ，t h ee r e c t o r - t e l e s s o p ec i r c u i t ， a n dt h ee r e c t o r - g e s t u r ea d j u s t e rc i r c u r 1 nc h a p t e r3 t h et h e s i sf o c u s e so l lt h em a t h e m a t i c a im o d e l i n g t h em o d e l so fp u m p v a l v e a c t u a t o ra n dl o a d ，a n dp i l o tv a l v ea r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l yi nt i m ed o m a i n t h e m a t h e m a t i c e lm o d e io fg e a rs y s t e mi sa l s og i v e n i nc h a p t e r4 t h ee r e c t o r - t u mh y d r a u l i cc i r c u i ti sa n a l y z e db yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o fa m e s i m t h es h a f ts p e e da n dt h ei o a ds p e e da r ec a l c u l a t e d f u r t h e r , t h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n tp a r e m e t e r se at h ed y n a m i cb e h a v i o r so fs y s t e ma r ea l s os t u d i o d a n ds o m e c o n s t r u c t j v ec o n c l u s i o n sa r eg i v e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nc u r v e s i nc h a p t e r5 t h em o d e lo fh y d r a u l i cs y n c h r o n o u sm o t i o nw i t hd o u b l ec y l i n d e r si sb u 眠 a n dt h ef a c t o r so fi n f l u e n c eo nt h es y n c h r o n o u sm o t i o na r ea n a l y z e d f i n a l l y , u n d e r d i f f e r e n tl o a d so nt h ec y l i n d e r s t h es y n c h r o n o u sa c c u r e c yi ss t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n i nc h a p t e r6 t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es h i e l de r e c t o rc o n t r o is y s t e mi si n t r o d u c e d t h et h e s i sa c c o m p l i s h e st h ep l cp r o g r a m sa n dv ip r o g r a m s w h i c hc o u l da c h i e v et h e f u n c t i o no fd a t ec o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n g i nc h a p t e r7 ab r i e fs u m m a n z a t i o no ft h et h e s i sa n ds o m en e wv i e w sa r eg i v e n k e y w o r d s ：s h i e l de r e c t o rs y s t e m ；h y d r a u l i cm o d e l i n g b a l a n c ec i r c u i t d u a l - c y l i n d e rs y n c h r o n o u sm o t i o n ，a m e s i ms i m u l a t i o n l j 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：伍泵耘 签字日期： j 。1 年? 月宁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥垦盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 伛尔耙 签字日期：) 叩7 年 7 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师繇孰鼢 i 签字日期：a 。) 年月j 日 电话： 邮编： 浙江大学硕上学位论文 1 1 盾构系统简介 第一章概论 盾构是利用自身的盾壳作为支撑和保护，在地下安全开挖隧道的工程机械 【”。它是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电 气通讯设施的发达而发展起来的先进隧道施工技术，被广泛应用于地铁、公路、 铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设【2 卅。 l 盾构工作原理及特点 盾构主要由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压 中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个 部分组成。它的工作原理如图1 1 所示，在隧道的一端建造竖井，以供盾构机安 装就位，盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向另一竖井推 进。盾构推进过程中所受到的地层阻力通过液压缸传到盾构尾部的隧道衬砌结 构。盾构每推进一个工作行程，就在盾尾支护下拼装一段衬砌，并及时地向靠近 盾尾后面的地层与衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以防止隧道及地面下沉， 同时不断从开挖面排出土方1 4 - ”。 图1 1 盾构工作原理图 1 刀盘2 刀盘驱动3 管片拼装机4 螺旋输送机5 推进系统 6 管片运输系统7 后配套系统8 泥浆灌 盾构施工方法与传统开挖施工相比，有以下优点1 6 j ：( 1 ) 快速，盾构可循环 掘进，同时完成破岩、出碴砌片、支护等作业，一次成洞，掘进速度快；( 2 ) 优 质，盾构实行机械式破岩，隧洞洞壁完整光滑( 相对其它方法而言) ，超挖量少， 可减少支护量；( 3 ) 经济，速度快、工期短，节省衬砌费用。特别适用于大直径、 长隧洞工程；( 4 ) 安全，改善劳动条件，减轻体力劳动量。操作人员全在盾壳保 护下工作，避免爆破施工造成的人员伤亡与环境污染，减少施工事故；( 5 ) 适应 性好，除竖井施工外，施工作业均在地下进行，施工地段地表的降沉量低，对地 浙江大学硕上学位论文 面建筑物影响小，特别适应在人口密度大，地面建筑陈旧，交通繁忙的城区内作 地下施工。 2 盾构的类型 盾构掘进机按不同的施工条件开挖类型分类，一般分为以下几种形式，如表 1 1 所示，目前常见的盾构都是全封闭型的，根据开挖稳定性的不同又分为泥水 盾构和土压平衡盾构。 开挖类型 盾构种类细分 全断面开挖人工挖掘式、半机械式、机械式 部分开放挤压式 全封闭型 泥水平衡式、土压平衡式 表1 1 盾构类型 泥水平衡式盾构( s l u r r y s h i e l d m a c h i n e s ) ，简称s t b m ，如图1 2 所示。在 盾构前面的密封舱内，注入适当压力的泥浆来支撑开挖面，并以前端的大刀盘切 削土体，切削下来的土体与泥水混合后，通过排泥泵及管道输送至地面处理，一 般来说，泥水盾构对地层的扰动最小，地表沉降也最小，但费用最高。 图1 2 泥水盾构s t b m 土压平衡式盾构( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c em a c h i n e s ) ，简称e p b m ，如图1 3 所示。它的前端有一个全断面切削刀盘，全断面切削刀盘后面设有一贮留切削土 体的密封舱，在密封舱中心线下部装置长筒型螺旋输送器，输送器一端设有出土 口，所谓土压平衡就是密封舱内的切削下来的土体和泥水充满密封舱，并可具有 适当压力与开挖面的土压平衡，以减少对土体的扰动，控制地表沉降。这种盾构 主要适用于粘性土或有一定粘性的耪砂土，现已有加水或加泥水的新型土压平衡 盾构可适用于多种土层。 2 浙江大学硕上学位论文 图1 3 土压平衡盾构e p b m 1 2 国内外盾构系统的发展概况 1 8 2 5 年在英国伦敦泰晤士河底，首次用盾构技术建成世界第一条水底隧道， 二十世纪初，盾构施工法逐渐在英、美、德、俄、法等国开始推广。1 9 3 9 年日 本正式应用盾构修建国铁关门隧道的海底部分，该工程奠定了日本盾构技术的基 础。1 9 9 3 年用盾构施工法修建的连接英法两国的英吉利海峡隧道，全长4 8 5 k m ， 海底段长3 7 5 k m ，隧道最深处在海面下1 0 0 m ，这代表了盾构技术的最新施工技 术水平。经过一百多年的发展，伴随液压技术、自动化技术、测控技术和相关产 业的进步，盾构技术得到了极大的改进。土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构 始发与接收等一系列关键技术难题的相继攻克，使盾构机的制造技术得到高速发 展。世界范围内工程建设规模的不断扩大又为盾构技术的发展提供了广阔的市场 空间。盾构法己经成为一种成熟的隧道施工技术和地下工程建设的首选常规技 术。1 7 - 1 0 目前国外现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、 导向、测量、探测、通讯技术等，正向着机电一体化，智能化的方向发展。具体 表现在如下几个方面1 1 9 - 2 3 】： ( 1 ) 实现了掘进、衬砌、排土施工的全自动化； ( 2 ) 地层适应性广，可用于硬岩、沙砾层、卵石层、沙层和软土等各种地层； ( 3 ) 掘进断面的形状多样化，尺寸变化范围较大。日本己生产出圆形、矩形、 双圆、三圆、球型和子母型盾构等； ( 4 ) 普遍采用液力驱动和电液比例技术，具有大功率、变负载、低能耗的特点， 以及自动检测、自动纠偏、故障诊断等功能。 盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。在盾构机技术性能 方面，日本和德国处于世界领先水平。国外盾构的主要生产厂家有德国海瑞克公 司、日本三菱重工、英国h o w d e n 、美国罗伯特公司、加拿大的l o v a t 公司等， 其中日本设计的盾构具有良好的经济性和适用性，而欧美设计的盾构可靠性好、 效率高。据统计全球已累计生产各种盾构机8 0 0 0 多台，主要生产厂家有日本三 浙江大学硕士学位论文 菱重- _ t _ _ ( 1 3 0 0 多台) ，) j l t 崎重_ i ( 1 2 0 0 多台) ，德国海瑞克公司( 8 0 0 多台) 。 图1 4 国外的盾构产品 我国的盾构技术起步比较晚，目前所使用的大部分盾构机主要依赖进口。我 国自行研制的盾构掘进机始于1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合软土地层对盾构 掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水等进行了系统的 实验研究。研制了1 台直径4 2 m 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进，隧道 掘进长度6 8 m 。1 9 8 7 年上海隧道股份研制成功了我国第一台m 4 3 5 m 加泥式土压 平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长 度5 8 3 m ，技术成果达到8 0 年代国际先进水平，并获得1 9 9 0 年国家科技进步一 等奖【2 1 。九十年代初到二十世纪末，我国又陆续研制了直径3 8 米的小型盾构掘 进机。2 0 0 1 年，国家科技部十五“8 6 3 ”计划机器人主题，在组织国内专家充分 调研的基础上，把研制用于城市地铁隧道的直径6 3 m 土压盾构机列为重点课题。 2 0 0 5 年1 0 月，由上海隧道股份有限公司牵头负责，我国第一台拥有自主知识产 权的0 6 3 m 土压盾构“先行号”应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程 1 1 - 1 4 1 。 图1 5 我国自主研制的“先行号”土压平衡式盾构 4 浙江大学硕士学位论文 目前国内从事盾构生产和技术开发的企业主要有上海隧道工程股份有限公 司、广州盾建、中铁隧道集团、北京城建集团等单位。我国已在异形刀盘、刀具 材料、以及衬砌、出土与密封技术等方面取得了一批具有自主知识产权的先进成 果；国产土压平衡式盾构和泥水加压式盾构技术已接近国际先进水平，但是受制 于我国制造加工业的水平，盾构液压系统的基础元件如电控液压阀，液压马达等 等，依然需要进口，从而限制了盾构机的国产化进程。 1 5 - 1 6 1 3 盾构管片拼装机简介 管片拼装机是盾构机的重要组成部分，它是在隧道壁上安装混凝土片的专用 装置【1 1 。在盾构施工过程中，随着盾构机的开挖、推进和出碴，开挖后的隧道需 要用洞外预制好的钢筋混凝土管片进行永久性支护，管片拼装机负责将预先制好 的管片准确地安装到刚开挖的隧道表面，并能安全快速地将六到八个管片组装成 衬砌环，以此来支护刚开挖的隧道表面，管片拼装的质量将直接对地下水土的渗 透和地表沉降产生影响i 7 。引。 图1 6 盾构管片拼装机 1 3 1 盾构管片拼装机的结构组成 环式管片拼装机的结构如图1 7 所示，由文献1 7 、1 8 可知，它主要由托梁、 平移机构、转动架、回转支撑、举升机构、举重钳、管路支架等组成。整个机构 浙江大学硕士学位论文 安装在托梁上，托梁通过螺栓与盾构尾部的h 形支柱相连。 l 托曩2 霄鼯芟鬻量攀升蕾缸曩糟霸幕5 酉转变熏 移研浆z 圈糟马造嚣作骨 乱拳薅材地撬取渣缸l l 镄转翦缸n 钾慵渣缸n 平咎藉氲 图1 ，7 管片拼装机的结构示意图 回转机构如下图1 8 所示，它由液压马达，减速器、小齿轮、回转支承等零 部件组成。液压马达与减速器一体，回转架通过回转轴承安装在移动架上，小齿 轮与回转轴承内齿圈啮合形成一级直齿圆柱齿轮传动。液压马达的输出扭矩和转 速通过减速器传给小齿轮，再经小齿轮与回转轴承内齿圈的圆柱齿轮传动传给回 转架，从而驱动回转架及安装在回转架上的举升机构、举重钳及管片旋转。 1 目转鬻2 小癌昭，。圈瓣立囊蕃辩絮籽鬻藏建馨 拳谖压马选 图1 8 回转机构示意图 平移机构如图1 9 所示。它布置在托梁之上，可以沿着托梁的导轨槽移动。平 移机构由平移油缸、前端支座、后端支座及中间支座等组成。通过平移油缸的伸 缩使移动架及安装在其上的回转架、举重钳等沿托梁的轨道作往复运动，从而使 管片沿隧道轴向运动【1 8 】。 托梁作为管片安装机构的导轨左右各1 根，对称布置。它既承重又作为导 轨，因此在设计上采用了一侧封闭、一侧开口的箱式结构，开口侧的底板上加工 有导槽，以利于滚轮滚动。 6 浙江大学硕士学位论文 图1 9 管片拼装机平移机构及托梁结构图 升降机构主要有两根升降的径向油缸组成，升降液压缸固定在移动架两侧， 活塞杆固定，活塞杆内设油路的特种油缸，缸筒外圆又是导向柱，通过液压缸的 伸缩带动液压缸下方安装举重轭架的径向运动。 举重轭架安装升降液压缸下方，结构示意图如图1 1 0 所示。举重钳由轭架、 关节轴承、扣头油缸、扣头持重座、扣头螺栓、扣头、侧倾油缸、摆动油缸等组 成。扣头螺栓预装在管片上，通过平移机构、回转机构和举升机构将扣头与扣头 螺栓对位，再通过扣头油缸把管片紧紧地扣在扣头持重座上。侧倾油缸用来调整 管片的倾斜角度oy ；摆动油缸用来调整管片的偏转角度oz 。 图1 1 0 举重轭架结构图 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 电液比例技术在管片拼装机中的应用 盾构掘进机具有大功率、变负载和动力远距离传递与控制等特点，它依靠是 液压系统来实现动力的传递、分配与控制。因此，液压系统的先进性将成为反映 未来盾构机技术水平的一个重要标志。 近些年来，电液比例技术和先导控制技术的应用越来越广泛和深入，很多工 程机械都采用电液比例阀作为控制元件，提高了自动化程度，降低了操作人员的 工作强度，而且可以把先进的电子技术应用到其中，这将对整个工程机械行业产 生重大影响例。 盾构管片拼装机中采用电液比例阀作为控制元件，电液比例阀是一种能按输 入电信号的强弱连续地和按比例地控制液压系统的流量、压力和液流方向的阀。 在控制方式和使用性能上，它是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压元 件。与普通液压阀相比，它能更简单地实现远距离控制、能连续地、按比例地控 制液压系统的压力和流量，从而实现对执行部件的位置、速度和力的连续控制。 与电液伺服阀相比，比例阀的结构、使用条件及保养与一般液压元件相似，使用 维修比较方便，对污染的敏感性不高，工作可靠和价格低廉。虽然它的控制精度 低于电液伺服控制系统，但已能满足盾构工作的要求【2 ”7 1 。采用电液比例技术与 微机结合的控制技术来实现盾构管片机工作过程的自动化，不但简化了液压控制 系统，而且提高管片拼装的速度和效率，有助于加快盾构掘进机的掘进速度，缩 短工期，提高经济效益。 1 3 3p l c 在管片拼装机控制系统中的应用 近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理器为核心组成的可编程 序控制器( p l c ) 得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足现代化生 产中的高效的、大量的自动化需求，如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计 数，温度、压力、流量的设定与控制等。p l c 就是在继电器控制系统的基础上 开发出来的，将传统的硬继电器用软继电器来取代，具有很高的灵活性。如今， 将p l c 用于顺序控制已经是一项比较成熟的技术。p l c 的优点是硬件的可靠性高， 编程和使用方便，接线简单，通用性好，网络通信功能强，易于安装和维护。” 用p l c 来实现盾构的管片拼装系统的自动控制是未来的发展趋势，它有助 于提高盾构机的机电液一体化及智能化水平。利用p l c 可以很方便的将变频技 术、现场总线技术，远程测控等现代控制技术应用在盾构管片拼装系统中，实现 管片的自动拼装。日本的日立公司开发的管片自动定位安装系统充分利用了激光 浙江大学硕士学位论文 技术、光学图像处理技术、伺服控制技术及传感检测技术等。管片安装的全自动 化将较大地提高施工的安全性及安装精度，并且能极大地改善工作环境和降低工 人的工作强度。 1 4 软件介绍 1 4 1a m e s i m 液压仿真软件 在液压领域中，自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外科研机构在开发液压仿真专 用软件方面的努力从未间断。在国际上，英国b a t h 大学，德国a a c h e n 工业大学 和美国麦道公司都成功地开发出液压系统仿真软件，在液压仿真技术的发展中起 了积极的作用。目前，国内外著名的仿真软件有如下几种：d s hp l u s 、e a s y 5 、 b a t h f p ，f l o w m a s t e r ，a d a m s ，a m e s i m ，s i m u l z d ，m a t r i x x ，m a t l a b s i m u l i n k ， t k s l o v e r 等。 a m e s i m 是法国i m a g i n e 公司于1 9 9 5 年推出的液压机械系统建模、仿 真及动力学分析软件。其为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较完 善的综合仿真环境及灵活的解决方案。p 2 】 对于本课题的仿真研究，考虑到图形化建模方式比较友好，较为齐全的液压 模块，选取了a m e s i m 作为本课题的仿真平台。 1 4 2 l a b v i e w 软件介绍 监测系统是保证盾构机高质量、高速度、高效率和安全运行的关键技术之一， 它对盾构机自身的工作状态进行监测、控制、诊断和维护。 l a b v i e w 是n i 公司开发的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开 发平台，是一种图形化的快速编程语言。它的编程风格有别于传统的编程语言， 降低了对编程者编程经验和熟练程度的要求，易于学习和使用，大大提高了编程 效率，被誉为工程师和科学家的语言。它使用了g 数据流编程模式，有别于基 于文本结构的线性编程。在l a b v i e w 中，执行程序的顺序是由块之间的数据流 决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。图标，接口部件 可以让用户把v i 程序变成一个对象( v i 子程序) ，然后在其他程序中像子程序一 样地调用。图标表示在其他程序中被调用的子程序，而接线端口表示图标的输入 输出口，就像子程序的参数端口，它们对应着v i 程序前面板的控制量和指示星 数值。【3 l 】 9 浙江大学硕上学位论文 综合以上并考虑到软件的运行性能，软件开发的难易程度和开发周期以及软 件的维护等因素，选择l a b v i e w 作为管片拼装试验平台远程监测系统的软件开 发平台。l a b v i e w 是一种方便灵活的虚拟仪器开发环境，它可以提供强大的图 形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化提供了优秀的解决 方案。 1 5 课题的研究意义及研究内容 1 5 1 课题的背景和意义 盾构技术是现代掘进工程中的核心技术，是衡量一个国家工程机械装备发展 水平的重要标志之一。近几年来，我国城市轨道交通发展很快，每年都以8 0 0 1 0 0 0 公里的建设速度发展，整个世界轨道交通的建设热点、焦点都在中国。随 着北京、上海、广州、天津、深圳、南京、杭州、沈阳、哈尔滨、成都等城市的 地铁工程建设的全面展开，需要用到越来越多的盾构掘进机【】。可以预见在今 后相当长一段时期内，盾构在我国的需求将保持良好的态势。但是至目前为止， 国内使用的盾构大多直接引进或改造国外产品，盾构机国产化成为发展我国隧道 工程技术的必由之路和必然选择。 管片拼装机作为盾构掘进机的关键组成部分，它的好坏直接影响到施工隧道 的质量，因此，研究盾构管片拼装机有着重要意义。盾构管片拼装试验平台就是 为了更好的研究管片拼装机而研制的，因为管片拼装速度对整个盾构掘进速度影 响非常大，所以一个设计优良的管片拼装控制系统有助于提高管片拼装速度和管 片拼装的可靠性，从而有效地加快工程施工进度，节约建设成本。 利用盾构管片拼装试验平台，可以实现用物理模型或数学模型代替实际系统 进行物理或数值实验研究。通过在试验台架或计算机上研究系统对不同负载、不 同工况以及动力学参数变化的响应，评价系统的优劣，提供解决方案，为系统的 优化设计提供依据。在未来盾构机的设计制造中，系统仿真与模型试验将成为必 不可少重要的内容。 1 5 2 研究内容介绍 在盾构施工中，混凝土管片要被准确的移动到安装位置，管片拼装机采用 电液比例技术来保证定位精度，此外，还要保证管片拼装机在变负载和干扰负载 的双重作用下稳定的工作，因此，有必要对所设计的液压控制系统进行仿真研究。 0 浙江丈学硕士学位论文 这也是实现盾构管片拼装机结构与性能优化设计的重要手段，是盾构机设计中的 一项重要任务。盾构管片拼装机所涉及的仿真主要包括周向运动回路在非线形变 负载和超越负载作用下系统动态特性和径向双缸同步系统的同步特性仿真研究。 为了掌握拼装试验平台设备的运行状况，需要进行设计监测系统。所谓状态 监测就是当设备处于运行状态下，对其有代表性的状态参数进行经常性地或定期 地监测和分析，以便弄清设备所处的客观状态，从而为设备的性能评价、合理使 用、安全运行及故障诊断打好基础。 针对盾构管片拼装试验平台的液压控制系统，本文所作的主要工作如下： 第一，分析管片拼装机的结构组成、功能及其液压控制系统的工作原理和特 点，进行液压系统计算及选型。对管片拼装液压系统进行了建模仿真研究，分析 液压系统动态性能的影响因素。难点在于管片拼装的液压系统比较复杂，而液压 系统本身就是一个高度复杂、非线性、分布参数的系统，没有实验数据的反馈修 正很难准确建立它的模型，所以也很难保证仿真结果的有效程度； 第二，研究径向同步运动控制系统，根据其工作原理建立了双缸同步系统的 数学模型，分析系统同步性能的影响因素，并通过仿真曲线研究系统在不同工况 下的同步精度； 第三，设计管片拼装试验平台测控系统，来实现数据的采集、远程监测等功 能。 1 6 本章小结 本章概述了盾构机在隧道施工的基本过程以及国内外盾构技术的研究现状， 介绍了管片拼装机的结构组成，结合近些年来迅速发展的p l c 技术和电液比例 技术，分析了管片拼装机的发展趋势，此外介绍了课题的仿真平台软件a m e s i m 和监测系统软件l a b v i e w ，最后，提出了本课题的研究意义及主要研究内容。 浙江大学硕t 学位论文 第二章盾构管片拼装试验平台液压控制系统 2 1 管片拼装液压控制系统 2 1 1 系统功能分析 在盾构施工过程中，随着盾构机的开挖、推进和出碴，管片拼装机负责将预 先制好的管片准确地安装到刚开挖的隧道表面，并能安全快速地将六到八个管片 组装成衬砌环，以此来支护刚开挖的隧道表面。 管片拼装的过程是：首先通过平移机构将抓头移动到管片的正上方，让抓头 接近管片，调整抓头姿态使抓头将管片抓紧，再利用回转机构带动机架旋转来实 现管片的旋转。然后通过径向运动将管片移动到要安装的位置，并对管片进行姿 态微调，以便管片准确定位，最后将管片用螺栓固定，松开抓头，一片混凝土管 片即安装完成。 为了将管片准确快速的安装，管片拼装液压控制系统应能完成一个抓紧动作 和六个自由度的控制要求，这包括管片抓紧控制，即抓紧和松开；管片运动控制， 即回转运动，轴向平移运动和径向运动；管片姿态控制，即周向摆动，轴向摆动 和断面摆动。管片拼装机实现抓紧、平移、回转、升降、仰俯、侧倾和摆动7 种 动作，除锁紧动作外的其余6 个动作与管片的6 个自由度相对应，平移和盾构 前进方向x 向对应，回转和管片周向运动的方向即管片切线方向y 向对应，升 降和管片机径向运动方向z 向对应，仰俯、侧倾和摆动分别对应ox 、0y ，0z 。 2 1 2 管片拼装液压系统原理 液压系统原理如图2 1 所示，管片拼装液压系统主要由六个回路组成，即周 向回转液压回路、平移液压回路、径向液压回路、管片抓紧液压回路，以及侧倾 和摆动液压回路。 管片拼装液压系统的动力源采用电机带动一台带压力限制的恒功率泵作为 泵源，其中各个液压回路单独动作；周向回转运动采用电液比例方向阀控制2 台 液压马达，经减速器减速，小齿轮传动大内齿圈和回转轴承，带动机架旋转；移 动回路采用2 个油缸作为执行元件，通过油缸的伸缩使移动架及安装在其上的回 转架、举重钳等沿托梁的轨道作往复运动；径向回路采用比例阀控制两个2 个油 匝刚隧螺帐幽疑群囊止瓤：匝 杈袋罩扑书匿扑kh餐 浙江大学硕士学位论文 缸同步运动来实现升降运动；抓紧液压回路利用1 个油缸作为执行机构实现管片 的抓紧；侧倾回路和摆动回路分别利用1 个油缸来实现管片的姿态微调；此外通 过2 个径向移动油缸的差动控制实现管片的仰俯调整。 在实际应用的过程中，由于现场的施工环境十分恶劣，还要求管片拼装液压 控制系统有较高的可靠性，比如回转动作停车状态下自动抱闸功能，从而确保停 车状态下机械锁紧；抓紧状态检测，压力和位置双重检测，确保安全可靠；以及 超压保护等等【3 5 3 引。 2 1 3 管片拼装液压系统计算及选型 管片拼装液压系统参数如表2 1 所示： 名称参数 最大驱动扭矩 1 5 0k n m 最大平移推力 1 2 0k n 最大起吊力 1 2 0k n 平移最大行程2 0 0 0 脚 径向最大行程1 0 0 0 册 圆周回转角度 一2 0 0 。2 0 0 。 轴向摆动角度 一2 5 。+ 2 5 。 断面摆动角度 一2 。+ 2 。 周向摆动角度 一2 5 。+ 2 5 。 抓紧缸行程5 0 彻 轴向摆动控制缸行程5 0 册 断面摆动控制缸行程5 0 肋 径向运动控制缸行程1 2 0 0 脚 最大回转速度1 6 r p m 表2 1 液压系统主要参数 通过前面的分析，选择、设计合适的液压元器件是保障系统控制精度及可靠 性的关键之一。整个液压系统的变量泵、电液比例阀，还有驱动电机都选用了当 前液压界技术领先公司的先进产品，从而保证系统的性能。由系统主要参数设计 液压系统并选择液压元件入下： 1 系统压力 每个回转马达的最大回转扭矩l 1 4 浙江大学硕上学位论文 l = _ _ = 2 一= 1 6 6 n m 1 1x 1 2 x l x n w x n 其中： 齿轮齿圈的机械效率= 0 9 5 减速器的机械效率节。= 0 9 8 x 0 9 8 0 9 8 = o 9 4 齿轮齿圈速比 i , = 1 3 4 4 减速器速比护3 7 6 4 最大驱动扭矩t , = 1 5 0k n m 马达数量z = 2 ： 回转马达的工作压力： 印：2 n t m ：丝! 錾6 _ ：1 0 m p a 叮1 1 0 x 1 0 6 x o 9 5 其中：马达的机械效率= 9 5 泵的工作压力p ： 考虑回路压力损失2 m p a ，阀压力损失2 m p a p = 1 0 + 4 = 1 4 m p a 2 系统流量 回转马达的最大转速为： n = n x i 2 = 1 6 x 1 3 4 4 x 3 7 6 4 = 8 0 9 4 r p m 其中： 管片机最大回转速度； 齿轮齿圈速比； 如减速器的速比。 每个马达所需流量： q = 詈= 型等型 其中：q 。回转马达的排量 ，回转马达的容积效率 马达所需流量即为泵的实际输出流量，所以泵的排量为： 盯：盟：! ! ! ! ：! ! ! 尘：1 2 9 m l ， “n d r l ， 1 4 7 0 xo 9 7 其中：z 马达的个数； 冉。电机的转速； r v 泵的容积效率。 由此，选择力士乐a i o v s o 系列带压力限制的恒功率泵作为泵源，其主要参 数为： 最大排量：1 4 0 m l r 最大工作压力：3 1 5 b a r 额定工作压力：2 5 0 b a r 可以看出，泵的最大输出流量完全满足系统流量要求，泵的额定工作压力也 完全满足系统所需的最大工作压力。 3 电机功翠 泵的工作压力取l g m p a ，则工作时泵的最小实际输出功率为： 以= p x q = 1 9 x 1 0 6 、x 1 4 瓦0 x l 广o - x 1 4 7 0 = 3 2 6 k 因此电机的输出功率应满足： 怫= 击= 淼划s 肼，7 ，_ 叩，r u - y ) u y o 其中：町，泵的机械效率 叩。泵的容积效率 故选电机功率为5 5 k w ，型号为a b b 的m 2 q a 2 2 5 m 4 a b 3 5 。 4 执行元件 由系统参数可知，移动回路液压缸的负载力为：f = 1 2 0 k n ， 选取工作压力：2 1 9 m p a ( 1 ) 缸内径d 的计算 因为：咒爿= f 1 6 浙江大学硕士学位论文 且有：4 ：一1 万d 2 4 其中：a 液压缸活塞面积， d 活塞直径： 故得：d = 6 3 4 m m 圆整并查国标g b t 2 3 4 8 - 9 3 取：d = 1 0 0 m ( 2 ) 活塞杆直径d 的计算 对于双作用单活塞杆液压缸，可按照活塞往复运动的速比来确定活塞杆的 直径： d ：d 盟 、妒 当取伊= 面罢= 1 4 6 ，得到：d = 5 6 1 m m 圆整并查国标g b t 2 3 4 8 9 3 取：d = 5 6 t m 所以移动回路液压缸基本尺寸巾1 0 0 5 6 x 2 0 0 0 m m 。按照上述方法计算得径 向液压缸的尺寸中1 3 0 8 0 x1 2 0 0 m m ，抓紧缸的尺寸巾1 3 0 7 0 x5 0 m m ，侧倾回 路和摆动回路的液压缸尺寸均为巾6 3 3 6 x 5 0 m m 。 5 主要控制阀 管片拼装液压控制系统中的主要元件是比例方向阀，比例方向阀选择b u c h e r 公司的l v 系列产品，最大工作压力4 0 0 b a r ，最高调定压力的滞环精度1 5 ， 油液污染度按n a s l 6 3 8 标准9 级，环境温度为- 2 5 + 6 0 。c ，l v 系列带负载压力补 偿功能，可以较好地满足盾构管片拼装机实际工况的要求。 6 管片拼装机液压缸速度校核 ( 1 ) 轴向平移液压缸( 缸规格巾1 0 0 5 6 x 2 0 0 0 ) 液压缸的最大前进速度： 吒r ：。q d - - - - - - - - t 2 i 玉1 2 0 x 亟1 0 - 3 固北，删s 44 走完全行程所需的时间： 浙江大学硕士学位论文 f ：土：2 0 0 _ 9 _ o = 1 6 s 屹1 1 2 7 液压缸的最大退回速度： t ：= 2 q 万( d 2 一d 2 )2 磊亚丽1 2 丽0 x l 巧o - 3 圃= 3 7 咖s 2 。! ! k ! 竺! 兰! ! ：! 二暨：坐列 4 4 全行程退回所需时间： f ：土：2 0 0 _ _ 0 ：5 5 s 吒2 3 7 0 ( 2 ) 径向移动液压缸( 缸规格由1 3 0 1 8 0 x1 2 0 0 ) 液压缸的最大前进速度为： v i i = 罟= 蒜筹斋划z s 研眺 44 最大退回速度为： 。习1 0 了0 x l 丽0 - 3 1 1 ( 1 3 0 x 1 08 0 x 1 0 吲= 2 0 2 删s 一3 ) 2 一(一3 ) 2 i 。 4 ( 3 ) 抓持液压缸( 由1 3 0 1 7 0 5 0 ) 最大抓紧速度： 肾导= 蔫焉斋一肌搠，一 44 最大退回速度： 铲南2司匦亚6x互lo-3711(130。10圃(80 x10-12胁历s x 一3 ) 2 一一3 ) 2 l 44 ( 4 ) 管片头姿态调整油缸( 巾6 3 3 6 x 5 0 ) 最大正向调整速度： ”砉= 磊一t o m m ，s 44 最大反向调整速度： 1 8 浙江大学硕上学位论文 圪：= 巫墨= 司亟亚1 6 8 函x 1 0 - 圃3 划删s 44 2 2 管片拼装液压回路特性分析 1 周向回路和移动回路 周向液压回路系统最大工作压力为2 5 m p a ，系统压力由安全阀1 0 设定。液 压系统用比例方向阀控制2 台液压马达，液压马达与减速器一体，液压马达的输 出扭矩和转速通过减速器传给小齿轮，再经小齿轮与回转轴承内齿圈的圆柱齿轮 传动传给