盾構管片拼裝機液壓控制系統(tǒng)

1、盾構管片拼裝機液壓控制系統(tǒng)第 38 卷 2007 年 11 月工程機械4 結束語 本文所介紹的前移式叉車液壓系統(tǒng)具有以下 特點:(1) 采用電磁比例閥實現(xiàn)貨叉下降的無級調(diào)速 .(2) 采用電磁換向閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動換向閥 , 實現(xiàn)遠程控制 ,液壓組合閥和操縱手柄可以分離 ,方 便整體布局 .(3) 采用基于 CAN 總線的液壓控制系統(tǒng) ,實現(xiàn) 液壓泵電機控制器和組合電磁閥控制器問的通信 ; 通過液壓泵電機控制器的精確控制 ,實現(xiàn)貨叉上升 , 門架前移及門架后移等動作的無級調(diào)速 . 上述液壓系統(tǒng)已在安徽叉車集團公司研發(fā)的 前移式叉車上成功應用 ,并批量銷售 ,用戶反映良 好.參考文獻1 章宏甲 ,

2、黃誼.機床液壓傳動 M.jE 京:機械工業(yè)出版 社,1986.2 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計M.北京:北京 航空航天大學出版社 ,1996.通信地址 :安徽省合肥市望江西路 15 號安徽叉車集團公司技術 q,b(230022)(收稿日期：2007 0620)盾構管片 ;并裝機液壓控制系統(tǒng)米 華東交通大學機電工程學院胡國良胡愛閩 浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室龔國芳魏建華 牛年3I 摘要 :盾構是一種專用于地下隧道開挖的技術密集型重大工程裝備,管片拼裝機是盾構的重要組 :3 成部分 , 它主要負責將管片安裝到剛開挖好的隧道表面 ,形成襯砌 , 使隧道一次成 型 .要實現(xiàn)對管片拼裝

3、 F3I 的準確定位 ,就必須采用電液比例控制技術 .對實現(xiàn)管片拼裝的 6 個自由度運動 及一個抓持運動的液壓 j:j 控制系統(tǒng)進行了詳細分析 ,包括管片拼裝機縱向 , 徑向及周向液壓控制系統(tǒng)以及 姿態(tài)液壓控制系統(tǒng)和抓 :3f 持液壓控制系統(tǒng) ,同時對液壓控制系統(tǒng)的關鍵元器件液壓泵和電液比例多路閥 的選型進行了分析 .現(xiàn)場3 管片拼裝測試表明該液壓控制系統(tǒng)是合理可靠的 ,能完成管片的拼裝工作 .同時 該液壓控制系統(tǒng)設計時 j:綜合考慮了整個管片拼裝的運動過程 ,不但能實現(xiàn)完全自動控制 ,而且能準確定位 可為不同類型盾構管£3f 片拼裝的液壓驅動控制提供參考 .j: 咕一竹竹竹竹竹竹竹

4、竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹 竹竹竹竹竹竹母關鍵詞 :盾構管片拼裝機液壓控制系統(tǒng) 管片拼裝機 ,又稱舉重臂 ,是盾構的重要組成 部分 .它是一種設置在盾尾部位 ,可以迅速把管片 拼裝成確定形式的起重機械 .盾構順利掘進完一環(huán) 后,管片拼裝機負責將預先制好的管片安裝到剛開 挖的隧道表面 ,形成襯砌 ,以此來支護新開挖的隧 道表面 .管片拼裝的質(zhì)量將對地下水土的滲透和地表沉 降直接產(chǎn)生影響 .為了保證隧道的安全及洞壁強度 , 前后左右各個管片之間都要用螺栓固定起來 ,因此 要求管片能夠快速定位 ,若速度慢 ,則直接影響施工 速度;同時又要求準確定位 ,否則連接螺栓就無法安裝.

5、基于此 ,要求操作人員能看到正在被安裝的管片 基金項目 :國家 863 高技術研究發(fā)展計劃 (2003AA420120) 上的螺栓孔與已安裝好的管片螺栓孔的相對位置 ,邊操作管片拼裝機械手對正在安裝的管片位置進 行微調(diào) ,使管片之間的螺栓孔能快速對位 .一般來 說 ,管片拼裝均采用電液比例控制技術 ,這樣可對管 片運動進行準確有效的控制 31. 國外先進盾構管片拼裝機從管片輸送車抓起管 片,進行姿態(tài)調(diào)整 ,到輸送到位 ,共由 7個動作組成 , 可實現(xiàn)全自動準確控制 .國內(nèi)自行開發(fā)的中小型盾 構的管片拼裝機準確定位性較國外要稍差一些 ,而 且有時不能完全實現(xiàn) 6自由度運動 ,只能實現(xiàn)幾個 必要動

6、作 ,這樣就容易導致施工進度和掘進效率降 低.另外,國內(nèi)幾個大型盾構施工單位從國外引進的53_工霍蓐辯 ll.盾構機技術嚴格保密 ,很難深入了解掌握引進的管 片拼裝自動控制的核心技術 .基于此 ,本文綜合考慮 了管片拼裝的運動過程 ,采用電液比例控制技術對 管片拼裝的自動控制及準確定位進行詳細分析 ,相 關研究結果可為不同類型盾構管片拼裝的液壓驅動 控制提供參考幫助 .1盾構管片拼裝機工作原理 管片是一塊預先澆鑄好的混凝土環(huán)狀砌塊 ,在 盾構的后部靠管片拼裝機械手把它快速拼裝起來 , 要完成管片的拼裝 ,管片必須能有 6 個方向的運動 : 縱向直線運動 （沿隧道軸線 ）,徑向直線運動 （隧道斷

7、 面方向）,圓周方向回轉運動 （繞隧道軸線 ）,以及管 片姿態(tài)調(diào)整的繞 3 個坐標的旋轉運動 .相應的管片 拼裝機有 6 個自由度 ,其示意圖如圖 1所示,6 個自 由度的運動分別由電液比例控制模塊通過液壓馬達 和液壓缸來實現(xiàn) .圖 1 管片拼裝機 6 自由度示意圖 據(jù)現(xiàn)場實際使用過程中得出的施工數(shù)據(jù)表明 , 當盾構所遇到的土質(zhì)與盾構刀具設計工況相近時 , 盾構能基本按照設計速度推進 .在這種情況下 ,限制 盾構推進速度的主要因素是后部的管片拼裝速度 . 因此,高效,高可靠性且操作方便的管片拼裝機在盾 構法施工中是最關鍵設備之一 ,尤其以管片拼裝機 液壓控制系統(tǒng)最為重要 .2盾構管片拼裝機液壓

8、系統(tǒng)分析 先進盾構管片拼裝機的運動過程共由 7 個動作 組成 .包括縱向移動 ,沿掘進方向的直線運動 ;徑向 移動,沿盾體徑向的運動 ;周向回轉 ,沿盾體圓周方 向的回轉運動 ;管片頭的回轉 ,管片以盾體的任意徑 向射線為回轉軸的回轉運動 ;管片頭的擺動 ,管片母 -?54-線與盾體中心線平行度的調(diào)整 ;管片頭的傾斜 ,以管 片本身的中心母線為回轉軸的回轉運動 ;管片的抓 持.上述管片拼裝機的 6 個自由度運動及一個抓持 運動均由液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn) .2.1 管片拼裝機縱向移動液壓系統(tǒng) 管片拼裝機縱向運動時運動范圍大 ,行程為2000mm;位置精度要求高，要求能滿足軸向定位的 精度;運動慣量大

9、 ,帶負載后的總運動質(zhì)量大于 10000kg運動空間大，全范圍運動時，將占據(jù)盾體 的全斷面根據(jù)縱向移動的要求 ,設計了如圖 2所示的縱 向移動控制液壓系統(tǒng) ,其控制模塊主要由平衡閥 1, 安全閥 2 和電液比例多路閥 3 組成 .該系統(tǒng)有如下 特點：1.平衡閩 2.安全閩 3.電液比例多路閥 圖2縱向移動控制液壓系統(tǒng)筒圖(1) 管片機的縱向運動控制采用帶負載補償型 的電液比例多路閥 ,既可以滿足大范圍快速的移動 要求，又可以兼顧軸向準確定位的要求(2) 雙向運動均設計有安全保護閥 ,如圖 2中 的平衡閥和安全閥 ,它們可以防止運動過程出現(xiàn)掛 拉,卡死時 ,損壞設備 .(3) 保證雙向運動的平穩(wěn)

10、性 ,系統(tǒng)采用回油背 壓的方案 ,來解決管片拼裝機在啟動運行和停止過 程中產(chǎn)生的沖擊 ,也為軸向的準確定位提供條件 .2 .2管片拼裝機徑向移動液壓系統(tǒng) 管片拼裝機徑向運動時運動范圍較大 ,行程為 1200mm;徑向定位精度要求高；運動慣量大，帶負 載后的運動質(zhì)量大于5000kg;運動空間大;存在大 的負向負載，大約為50000hT;由于負載較大，相應 的液壓缸承受的轉矩也較大，約為60000N?m所第38卷2007年1 1月工程機械 以,液壓缸必須采用特殊的結構設計 .根據(jù)上述要 求,并結合具體工況 ,設計的管片拼裝機單個液壓缸 徑向移動液壓系統(tǒng)如圖 3 所示 .1.安全閥 2.電液比例多路

11、閥 3.平衡閥圖 3 徑向移動液壓系統(tǒng)簡圖 管片機的徑向運動控制采用兩個電液比例多路 閥同時控制兩個液壓缸的伸縮動作 ,這樣既可以滿 足大范圍快速的移動要求 ,又可以兼顧徑向準確定 位的要求 ;另外 ,利用兩個液壓缸的差動控制 (一伸縮 ),實現(xiàn)管片的傾斜姿態(tài)控制 . 液壓缸兩腔設計有自鎖式它控平衡閥 3,具有 雙向液壓鎖和平衡閥的組合功能 ,可以用來解決負 向負載問題和鎖緊保持問題 .2.3 管片拼裝機周向運動控制液壓系統(tǒng) 管片機周向運動控制采用安全冗余的設計原 則 ,用兩個電液比例多路閥共同完成控制任務 ,一旦 某一個控制閥出故障 ,用另一個控制閥仍可將機構 調(diào)整到安全的姿態(tài) ,以便維修

12、;在應急的情況下 ,使 用一個控制閥也可完成管片拼裝任務 ,但工作效率 會低一些 .管片周向運動控制液壓系統(tǒng)簡圖如圖 4 所示, 電液比例多路閥出口壓力油大部分進人馬達平衡模 塊 2, 另外一小部分壓力油則經(jīng)過梭閥 1 自動選取 A,B 油口最高壓力 ,然后通過三通減壓閥 3 后去控 制液壓馬達制動液壓缸 5. 馬達平衡制動模塊在管片拼裝機周向回轉液壓 1.梭閥 2.馬達平衡控制模塊 3.減壓閥 4.光電碼 盤傳感器 5.制動液壓缸 6.馬達 圖 4 周向運動控制液壓系統(tǒng)簡圖 系統(tǒng)中占有重要地位 ,本系統(tǒng)中選取的是 Bucher 公司的馬達平衡控制專用模塊 .該馬達平衡控制模塊 能有效地降低由

13、于管片質(zhì)量較大而引起的超越負載 的影響.其性能完善 ,體積小,工作可靠,而且此控制 模塊集馬達的平衡控制 ,防氣蝕控制 ,制動控制 ,無 泄漏保壓控制和安全保護控制多項功能為一體 ,是 理想的馬達控制模塊 .系統(tǒng)中兩個馬達 6 均帶機械制動 ,這樣管片機 回轉的安全保護措施有 :第1個馬達機械制動 ,第 2 個馬達機械制動 ,無泄漏保壓制動 （平衡閥制動 ）.在 管片拼裝機實際使用過程中 ,在一個馬達上安裝有 光電碼盤傳感器 4,用于周向定位 ,以便將管片準確 安裝到預定位置 .2.4 管片頭抓持控制和姿態(tài)控制液壓系統(tǒng) 管片抓持控制和姿態(tài)控制液壓系統(tǒng)主要完成管 片頭的抓持動作和管片頭的回轉 ,

14、擺動及傾斜 3 個 方向的姿態(tài)控制 ,其主要原理圖如圖 5 所示. 在管片頭抓緊過程中 ,系統(tǒng)對安全性要求高 ,因 為只能在可靠抓緊后 ,方能啟動后續(xù)的操作 ,但同時 還要考慮到空載操作問題 ,這個矛盾可由電氣控制 系統(tǒng)的控制邏輯來實現(xiàn) ;抓緊系統(tǒng)中有一個壓力繼 電器 4 和一個行程開關 7,均可提供抓持的狀態(tài)信 息 .抓持動作存在負向負載 ,需考慮平衡問題 ,故在 系統(tǒng)中選用了單向平衡閥 3.為了以防壓力過高 ,損 壞管片和設備 ,系統(tǒng)加裝了安全閥 5.系統(tǒng)中液控單 向閥6用來防止泄漏 ,保證管片在長時間內(nèi)被可靠 抓持.圖陶曩55|蓐耩參量辯 1.Il|I1.壓力補償閥 2.電液比例方向流量

15、閥 3.單向平衡 閥 4. 壓力繼電器 5. 安全閥 6. 液控單向閥 7. 行 程開關8.抓持用液壓缸9.擺動用液壓缸10.回 轉用液壓缸 11.雙向平衡閥圖 5 管片抓持及姿態(tài)控制液壓系統(tǒng)簡圖 由于管片頭回轉用液壓缸 l0 的行程較小 ,根據(jù) 計算控制所需的流量很小 ,所以選用小流量的電液 比例方向流量閥 2 作為控制元件 ,以此來滿足姿態(tài) 調(diào)整的精度要求 .同時選用雙向平衡閥 l1 來解決負 向負載的平衡問題和防氣蝕問題 .系統(tǒng)中采用進口 壓力補償閥 l, 以此來穩(wěn)定流量 ,起負載敏感作用 . 管片頭擺動控制液壓系統(tǒng)與管片頭回轉液壓系 統(tǒng)相同 ,故在這里不再贅述 .另外,管片傾斜姿態(tài)控

16、制與管片徑向移動控制共用一套控制系統(tǒng),兩個液壓缸一伸一縮實現(xiàn)差動控制 ,達到調(diào)整管片傾斜姿 態(tài)的目的 .同時注意到 ,姿態(tài)調(diào)整是微量調(diào)節(jié) ,其控 制過程與移動定位相同 . 3液壓系統(tǒng)主要元器件選型及分析3.1 主驅動液壓泵的選擇及分析 液壓泵選擇時首先應滿足系統(tǒng)對流量 ,壓力的 要求.液壓泵的輸出流量應根據(jù)系統(tǒng)所需的最大流 量及泄漏量來確定 ,通常為執(zhí)行元件實際所需最大 流量的 1.1 一 1.3倍.而液壓泵的工作壓力應根據(jù)執(zhí) 行元件液壓缸或馬達的最高工作壓力來確定.考慮到液壓泵至執(zhí)行元件管路中的壓力損失,通常泵的額定壓力為液壓缸最高工作壓力的1_31.5倍.與此 同時 ,在選擇液壓泵時 ,還

17、要兼顧溫升和噪聲等性能 要求四.本系統(tǒng)中選擇 Rexroth 公司的 A10VODFLR 型56一軸向柱塞泵 ,實現(xiàn)壓力 ,流量 ,功率復合控制 .由于管 片拼裝機工作過程中管片泵始終處于運行狀態(tài) ,對 噪聲要求較高 ,這一點 A10VO 能較好地滿足 .而且 該泵具有較好的吸入特性以及很寬的控制范圍 ,較 好地滿足了系統(tǒng)的要求 .圖 6 為其變量控制形式油 路圖.也是管片拼裝 6 個自由度和 1 個抓持動作的 供油源.圖 6AIOVODFLR 泵的變量機構 系統(tǒng)中選擇的 A10VO 變量泵去除了泵的恒流 量特陛 ,主要是管片拼裝機距離管片泵源較遠 ,受安 裝空間的限制 ,電液比例多路閥中梭閥

18、網(wǎng)絡壓力未 反饋至變量泵 ,故實際上該泵為恒壓 ,限功率變量 泵.電液比例多路閥中的壓力補償器能實現(xiàn)壓力補 償 ,而沒有實現(xiàn)壓力適應 .因為管片安裝過程為順序 動作 ,一般工作在小流量工況 （特別是在姿態(tài)控制 時 ）.所以通常情況下 ,該泵表現(xiàn)出恒壓特性 .但為了 適應不同大小的管片的拼裝要求 ,系統(tǒng)的壓力也可 以調(diào)整 .例如,在周向回轉及縱向移動系統(tǒng)中可以通 過主系統(tǒng)中的溢流閥調(diào)定系統(tǒng)壓力 ;而在徑向移動 系統(tǒng)中 ,系統(tǒng)加上了安全閥 ,也可以設定系統(tǒng)壓力 .3.2 電液比例多路閥的選型 由于本系統(tǒng)執(zhí)行器較多 ,為了能實現(xiàn)多缸順序 動作以及同時動作的要求 ,故選用了多路閥 .同時考 慮比例閥與

19、變量泵組合壓力流量能與負載所需相匹 配 ,故選擇了電液比例多路閥 .HAWEPSV 系列電液比例多路閥具有緊湊的 結構,良好的環(huán)境適應能力 .系統(tǒng)中選擇 PSV 系列 帶負載壓力補償?shù)碾娨罕壤嗦烽y較好地滿足了盾 構管片拼裝機實際工況的要求 ,而且實際運行效果 良好.多路換向閥一般由連接塊 ,換向閥 （可以有多第 38 卷 200711 月工程機械個 ）以及終端塊組成 . 連接塊與泵源和油箱連接 , 主 要是為系統(tǒng)提供卸荷安全保護以及為定量泵系統(tǒng)提 供低壓卸荷等 .終端塊在多路閥的末端 ,連接整個閥 組,為下組閥連接作好準備 .圖 7 為周向回轉及縱向 移動電液比例多路閥模塊 .該多路閥由三聯(lián)

20、換向閥 組成,安全閥 1可調(diào)定系統(tǒng)壓力 ,減壓閥 2 為換向閥 提供控制油 ,壓力補償閥 3 作壓力補償用 ,使通過換 向閥口的流量與輸入信號成正比 ,而與負載無關 .由 梭閥 4 網(wǎng)絡引出最高壓力信號 LS 可作負載適應 .L jlI 門 l_I 1三 :ll-cF 一 i 十lIllj,I 霪 ,:j:jI =：5-'：=：j j 7 j 1.安全閥 2.減壓閥 3.壓力補償閥 4.梭閥 圖 7 電液比例多路閥工作原理圖 4地鐵隧道施工現(xiàn)場測試一 'J在管片拼裝過程中 ,一環(huán)管片由 6塊管片組成 , 它們是 3 個標準塊 ,2塊臨塊和 1 塊封頂塊 .其中, 封頂塊可以有

21、10 個不同的位置 ,代表 10 種不同類 型的管環(huán) ,通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型 后的隧道軸線與設計的隧道軸線相擬合 .隧道成型 后 ,管環(huán)之間及管環(huán)的管片之間都裝有密封 ,用以防 水.另外,管片之間及管環(huán)之間都由高強度的螺栓連 接.圖 8 為管片方位示意圖 .管片拼裝機大致按照 A,B,F,C,E和D的順序將管片拼裝成管片環(huán)F圖 8 管片環(huán)組成 對一環(huán)管片拼裝過程進行了試驗 ,表 1 為管片 拼裝過程中 ,管片液壓泵出口壓力值 .通過實測數(shù)據(jù) 可知所選液壓元件以及參數(shù)計算較合理.泵的最大表 1 管片泵出口壓力 MPa 徑向液壓管片機管片機回方位管片提升 缸伸出旋轉初位A18.018.516.5l1.019.0 B18.519.019.0l1.019.0 F18.518.818.5l1.019.0