盾构机推进系统原理探索.doc

盾构机推进系统原理探索摘 要 盾构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。已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。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，比之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势和良好的综合效益。关键词 液压源 双联泵 插装阀 斜盘角度 比例压力阀 伺服阀 LS阀 比例压力阀 PLC PID调节一 概述盾构机推进系统承担着整个盾构机前进的动力，完成掘进过程中的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏等功能。使得盾构机能沿着事先设定好的路线前进，是盾构机的关键系统之一。因为它的大功率、变负载和动力远距离传递及控制特点，推进系统采用了液压系统来实现动力的传递、分配及控制。推进系统的执行机构推进油缸使盾构机缓慢前行。每一组油缸均可独立控制。每七个或是八个油缸组成盾构机的A、B、C、D四组油缸（图1-1所示group A、group B、group C、group D）。每组油缸可以单独控制调节，在控制室显示每组油缸行程及压力。推进油缸回路设计最大推进速度为80mm/min，最大总推力约为34210kN，并有安全余量。图1-1 推进油缸分布图二 推进液压系统原理介绍2.1 液压源回路（图2-1）：图2-1 推进液压源回路（1）如图2-1，75KW的电机驱动一组同轴的力士乐（rexroth ）液压双联泵，图1P001是一个变量柱塞泵（variable displacement pump A4VSO），1P002是定量的柱塞泵（fixed displacement pump AA2FO）图2左边1V001是一个超压时的安全保护模块，用插装阀加上一个先导的溢流阀代替了传统的溢流阀结构，大大提高模块的流通能力，减少液压冲击。（2）图2-1所示右边的1P001是一个控制该变量泵斜盘角度（及流量）的伺服回路。XD/300控制的比例压力阀能根据给定的电信号使变量泵系统控制在某个恒定的压力状态下。这里的恒定是一个动态的恒定过程，也就是说每一个电量值对应一个动态的压力值，为什么说是动态的恒定值，这是因为图示液控的2位3通伺服阀在负载发生变化时，负载的反馈压力信号会随时根据压力的大小改变伺服阀的工作位，从向而改变该变量泵的斜盘角度，即泵的流量和压力。而这个动态的变化趋势是使泵的出口压力无限的向比例压力阀调定的压力值逼近。（3）图2-1所示该模块中不同位置的节流阀一般起着回路缓冲的作用，这里有用于调节伺服换向阀前后压差P的节流阀，原则上选择任何数值都可以，但考虑到功率损失和稳定性，P取1MP左右居多，P越大，抗振性能越好，但功率损失增大，另外从响应性看，相当于LS阀的2位3通伺服阀流量增益和压力增益取得过大，会导致不稳定。一般在进口的机械设备液压回路（特别是控制管路）中，常会发现插入一些阻尼，插入位置和节流直径的大小成了技巧性的经验之谈。（4）1C005模块由一个两位两通的电液换向阀和溢流阀组成，换向阀的上下位决定泵对负载的压力值，溢流阀起过载保护作用。2.2 执行机构控制回路（图2-2）图2-2 group A组油缸控制图Group A、group B、group C、group D 四组油缸液压回路相同，每组油缸的单独一个或是一对油缸的液压回路也一样。所以把A组一个油缸放大分析，如图2-3。 图2-3 group A 18 号油缸液压回路（1）图2-3左边模块C1中的比例压力阀用来调节该组油缸的压力，比例流量阀用来控制进入该组油缸的流量，达到速度控制。插装阀V3可以为该组推进油缸的快速运动提供大的液压流量和快速流通通道，减少液压油进入液压缸的沿程压力损失，先导的两位三通换向阀V2控制擦装阀V3的阀芯开关。V3打开时，盾构机处于管片拼装模式（ring building mode）。（2）图2-3右边模块C2是一个单缸的液压控制回路，三位四通电液换向阀实现推进缸的推进、后退和停止状态；插装阀V2可以为该个推进油缸18的快速运动提供大的液压流量和快速流通通道，减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。先导的两位三通换向阀V1控制插装阀V2的阀芯开关。V2打开时，该油缸能快速伸缩，处于管片拼装模式（ring building mode）。(3)二位二通换向阀V6通电可以对该液压缸进行卸载减压，减小换向中的压力冲击。阻尼孔防止二位二通阀7卸载时产生的压力冲击。阻尼孔的直径范围一般为0.82.5mm。溢流阀可以对系统起缓冲和过载保护作用，当液压缸进行推进的瞬间进油口会出现瞬时的过载，这样溢流阀就会立即开启形成回路，过载油液得到缓冲。三 推进逻辑控制系统的几个要点：3.1 压力流量复合闭环控制方式如图2-3，C1模块中的比例压力阀是压力流量复合控制的主要执行元件，比例流量阀实现流量的一个大致范围控制，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，结合PLC逻辑控制程序（图3-1至图3-7），我们简单设想调节group A 压力（图3-1），group A 比例压力阀调节阀值（图3-7）发生变化，液压缸的速度出现波动，直到压力达到调节阀设定的新压力值；调节group A流量（图3-5），group A 比例流量阀调节阀值（图3-7）发生变化，液压缸速度上升波动，压力有微小变化。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。这里采用复合控制即内环流量闭环控制，外环压力闭环控制方式。在实际掘进过程中，group A、B、C、D（图3-1）四组的压力值与泵的出口压力值（图3-3）进行压力闭环PID调节，输出的压力值控制泵的出口比例压力阀值（图3-4），通过改变泵的斜盘角度改变泵的出口油压力和流量值。使泵的液压源回路稳定在另外一个压力值， group A、B、C、D的压力和流量值（图3-6、图3-7）也相应发生变化。这种压力流量复合控制方式可以既进行压力闭环控制又进行流量闭环控制，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图3-1 group A 组压力传感 图3-2 group A 组压力调节器模拟量信号输入 值模拟量信号输入图3-3 推进泵出口压力传感 图3-4 推进泵出口比例压力器模拟量信号输入 阀调节值模拟量信号输出图 3-5 推进速度调节值模拟量输入信号 图 3-6 A、B、C、D四组压 图3-7 group A 比例压力和力和流量值得处理过程 流量阀的输出值3.2 Group A 在掘进和管片拼装模式下各阀组的工作状态 图3-8 group A 擦装阀XD/120逻辑控制图图3-9 18号油缸管片拼装模式下的逻辑控制图图3-10 18号油缸伸出时的逻辑控制图图3-8所示为在拼装模式下（M58.3 RLO=1），A组油缸任何一支（逻辑指令“或”）满足伸缩条件时Q10.2得电，图4中C1模块插装阀的先导换向阀XD/A120得电，插装阀打开。图3-9所示在拼装模式下满足18号油缸给缩回（M92.3）条件，Q15.0得电，图4中XD/A418得电，两位两通换向阀上位工作。因为有延时通S5定时器T179，两秒后Q15.5和Q9.0得电，图4中XD/A798和XD/A175得电，C2模块中的插装阀打开，三位四通换向阀左位工作。图3-10所示在掘进模式或拼装模式18号油缸满足伸出（M92.2）条件时，Q9.1得电，图4中的XD/A175得电，三位四通换向阀右位工作。改油缸在推进模式（advance mode）下缓慢伸出。4 结束语推进系统各值得输入调节是我们盾构机长在盾构操作过程中需要调节的主要参数之一。通过对机械原理和控制过程的理解，结合实际的地质情况，有助于我们理解掘进