浅谈盾构机推进系统的控制性能

浅谈盾构机推进系统的控制性能

0国内应用前景隧道技术在发达国家非常普遍，在发达国家正在逐步普及和普及。它是国家基础建设和资源开发的重大技术装备,采用盾构掘进技术的隧道施工方法在我国将有非常广阔的应用前景。推进系统作为盾构掘进机的重要组成部分,承担着整个盾构机的顶进、换向、姿态调整等任务。因此研究盾构液压推进系统是掌握盾构整体性能的前提,对推动我国装备制造水平具有重要意义。1盾构推进控制的关键技术盾构液压推进系统是一种典型的集机、电、液技术于一体的复杂、非线性、时变系统。在工程实际中,由于土层地质条件的复杂性及施工过程中诸多不可预见因素的影响,使盾构推进控制变得非常复杂。推进控制不当会引发地面沉降,造成周围建筑物开裂甚至倒塌,以及邻近管线断裂破损等环境灾害为了实现它的控制需求,在实际系统中运用了分组联合控制技术、压力流量复合控制技术、负载敏感技术、二通插装阀技术等一系列关键技术。下文将从技术原理、控制特点及运用现状等多个方面对盾构液压推进系统中所运用的关键控制技术进行分析研究。2关键原理分析2.1动态协同控制盾构液压推进系统按照控制方式可将其分为被动自调节模式和主动控制模式。在被动自调节模式下,需根据外部条件变化,改变系统控制参数,以维持各推进缸的同步推进状态;主动控制模式下,推进系统需要主动调节油缸的推进速度与推进压力,以实现对盾构推进方向和掘进姿态的调整,无论在何种模式下推进系统都要保证各油缸间的动态协同控制。由于盾构液压推进系统具有大功率、变负载、工作条件恶劣等特点,且推进油缸数量较多,因此系统既要实现对每个油缸的单独控制及对所有油缸的同时控制,又要保证所有油缸具有协调性和同步性。若对每个油缸实行单独控制,必然会增加控制成本及系统复杂性,因此在实际盾构液压推进系统中常采用分组联合控制的方式,即将推进油缸沿周方向划分成若干子区,对每个子区的油缸分别进行控制,这样既可以节约成本、减少控制复杂程度,又可以实现盾构姿态、方向的精确控制。因此,在实际施工中,通过协调控制推进缸来实现分组液压缸的同步推进,维持系统推进速度稳定。在保证控制效果的前提下,实际的盾构推进系统采用分区-分组联合控制方式。2.2速度控制方案在实际盾构施工过程中,由于地层具有复杂多变性,而不同地层的阻力、挖掘反推力和水土压力又各不相同,进而造成了掘进阻力随机变化;另一方面为了保持掌子面的土压平衡,推进系统必须针对水土压力的变化及时调整推进油缸的供油压力,因此推进系统的推进压力必须实时可控。在盾构掘进过程中,推进系统既要满足推进力的要求又要实现对推进速度的控制,而单纯的力控制系统或速度控制系统均无法满足要求,通常我们需将两种控制方案结合起来以实现盾构掘进系统的控制需求。盾构液压推进系统采用分组联合控制,各组分别进行压力、流量的复合控制,在独立分组中采用节流控制方式,通过比例溢流阀和比例调速阀来实现每个液压缸的压力、流量的复合控制,从而提高系统的控制精度和动态响应特性。各分组中均采用压力流量复合控制技术,分组液压系统工作原理及压力流量复合控制原理简图如图1所示。分组油路中设有专门的压力传感器和位移传感器,可实时检测推进油缸的推进压力及运动位移,并与分组中的比例溢流阀和比例调速阀构成双闭环控制系统,即压力控制环和速度控制环,进而实现了压力与流量的复合控制。与单独的压力控制和速度控制回路相比较,采用压力流量复合控制技术的推进系统在理论上能够实现推进速度与推进压力互不影响。当负载变化时,在调速阀中定差减压阀的作用下,能够保证节流阀两端的压差恒定,根据Q=C2.3压力补偿装置变量调节机构负载敏感系统是一种实时检测系统压力-流量需求,且仅提供系统所需流量和压力的液压回路,它是近年来在工程机械领域获得广泛应用的一项高效节能技术。它通过传感器实时检测负载变化信号,经PLC控制程序反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构,使主控阀进出口两端压差(压差由负载敏感阀的弹簧调定)保持不变,即泵出口压力总是等于负载压力与主控阀两端压差之和,液压系统推进压力与负载压力相适应,消除了系统压力过剩;通过负载敏感装置控制变量泵的变量调节机构,使变量泵的流量始终与负载所需流量相适应,即系统不会产生过剩流量负载敏感技术按发展历程可分为两类:机液负载敏感技术和电液负载敏感技术。盾构液压推进系统主油路中采用电液负载敏感技术,其液压原理简图如图2所示。在负载敏感泵上集成有负载敏感阀4及恒压阀3(最高压力限定阀)。恒压阀3用于限定泵的最高工作压力p2.4插装技术及系统特点推进系统的主要功能是推动盾构向前运动,及保证管片的准确定位。按照盾构液压推进系统的工作状态可将其分为两种工作模式:推进模式和管片拼装模式。管片拼装模式下,推进系统需满足液压缸的快速退回,为管片提供拼装足够空间。采用插装技术不仅能实现推进缸的快速退回需求,还能减少建设成本,提高工作效率及系统安全性能,推进系统单个分组液压原理如图3所示。快退时,二位三通换向阀2、4均处于右位,插装阀1、13导通,采用大流量供油和出油,三位四通电磁换向阀12处于左位,向液压缸有杆腔供油。插装阀1可以为推进油缸的快速运动时提供快速进油通道,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回油通道,减小液压油回程阻力,插装阀1、13同时开启,实现推进缸的快速退回。3插装阀技术发展现状庄欠伟等20世纪60年代一位工程师开发了一种负载敏感液压泵,负载敏感技术随之诞生。张军对采用负载敏感多路换向阀的S100型等几种掘进机的液压系统进行了分析研究,结果表明采用负载敏感技术的S100型掘进机功率损耗最低二通插装阀及其控制技术是20世纪70年代发展起来的一项新技术,插装阀技术在主级上采用座阀结构并在回路设计上体现液压阻力控制系统学的设计原则,使得液压控制系统设计发生了概念性的变革,将液压技术的发展提高到一个崭新的阶段。插装阀的出现在很大程度上满足了液压技术的发展要求,同时得到了世界各国的普遍重视,发展异常迅速。插装阀已经广泛应用于多种工程机械、物料搬运机械和农业机械4盾构领域的液压控制技术在未来将盾构已成为国家基础建设和资源开发的重大技术装备,采用盾构掘进技术的隧道施工方法在我国将有非常广阔的应用前景。液压控制技术作为盾构关键控制技术之一,其性能的好坏直接影响到盾构施工控制的方方面面,而多年以来,它一直是制约我国盾构施工控制技术快速发展的瓶颈之一。在今后几十年