淺談盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

淺談盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

0壓力控制問題該結(jié)構(gòu)是集機(jī)械、電化學(xué)、機(jī)械工程、測量和控制于一體的大型工程設(shè)備。它是一種復(fù)雜的技術(shù)，結(jié)合了多學(xué)科的技術(shù)，用于地下建筑的挖掘。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強(qiáng)度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點隨著南水北調(diào)、西氣東輸?shù)葒抑卮蠊こ痰拈_展,迎奧運北京地鐵建設(shè)速度的加快,上海、廣州等其他大中城市軌道交通的迅猛發(fā)展,對盾構(gòu)的需求越來越大。國家下決心要開發(fā)利用盾構(gòu)技術(shù),整合各方面的技術(shù)力量,促進(jìn)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個盾構(gòu)機(jī)械的頂進(jìn)任務(wù),要求完成盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運動,使得盾構(gòu)能沿著事先設(shè)定好的路線前進(jìn),是盾構(gòu)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一常規(guī)的壓力控制能引起流量劇烈波動,導(dǎo)致盾構(gòu)推進(jìn)速度不穩(wěn)定;常規(guī)的流量控制又會引起壓力振蕩,使得液壓缸推進(jìn)壓力不一致,從而導(dǎo)致盾構(gòu)超挖,加劇土體擾動,增加地表變形。因此單純的壓力控制或流量控制很難同時滿足盾構(gòu)在非線性變負(fù)載工況下對推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的復(fù)合控制要求?；诖?設(shè)計出一種基于壓力流量復(fù)合控制的盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng),能實時調(diào)節(jié)施工過程中的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度,并在仿真和工程實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析研究。1推進(jìn)構(gòu)建的視覺系統(tǒng)設(shè)計1.1推進(jìn)液壓分區(qū)分區(qū)控制推進(jìn)液壓缸安裝在盾構(gòu)密封倉隔板后部,沿盾體周向均勻分布,作用在管片上,是推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其動力源由安裝在盾構(gòu)后部的液壓泵提供,并通過液壓閥的控制來實現(xiàn)各種功能。盾構(gòu)推進(jìn)動力傳遞和控制具有大功率和變負(fù)載等特點,所需的液壓缸數(shù)量較多,如果每個液壓缸都單獨控制的話,成本就很高,而且控制比較復(fù)雜。為此采用分區(qū)控制,即將為數(shù)眾多的推進(jìn)液壓缸按圓周均勻分成幾個區(qū)。對每區(qū)的液壓缸分別進(jìn)行控制。如圖1所示,推進(jìn)系統(tǒng)將32個液壓缸分為A、B、C、D四個區(qū),根據(jù)上下土層和水壓的不同,選擇B區(qū)中液壓缸個數(shù)比D區(qū)多。通過理論計算1.2推進(jìn)液壓系統(tǒng)的應(yīng)用推進(jìn)液壓系統(tǒng)采用帶電比例溢流閥的恒壓變量泵作為動力源,向四個分區(qū)同時供油,由于采用了分區(qū)控制,四個分區(qū)只是在盾構(gòu)截面的分布位置不同,其控制方式和工作原理則完全相同。圖2為推進(jìn)液壓系統(tǒng)C區(qū)工作原理簡圖。盾構(gòu)推進(jìn)時,比例溢流閥3調(diào)節(jié)液壓缸推進(jìn)壓力,與壓力傳感器6實時檢測的壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制,實時控制推進(jìn)壓力;比例調(diào)速閥14調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量,與安裝在液壓缸7內(nèi)的內(nèi)置式位移傳感器8檢測到的位移構(gòu)成速度閉環(huán)反饋控制,實時控制推進(jìn)速度。插裝閥1和二位三通電磁換向閥2可短路比例調(diào)速閥14,實現(xiàn)推進(jìn)液壓缸的快速運動,從而減少液壓油進(jìn)入液壓缸的沿程壓力損失。插裝閥13和二位三通電磁換向閥4則用來實現(xiàn)推進(jìn)液壓缸快速回退,減小液壓油回程阻力。三位四通電磁換向閥12用來完成工作狀態(tài)的切換,可實現(xiàn)推進(jìn)液壓缸的前進(jìn)、后退和停止?fàn)顟B(tài)。溢流閥10用來實現(xiàn)系統(tǒng)過載保護(hù),推進(jìn)瞬間液壓缸進(jìn)油口會出現(xiàn)瞬時過載,此時溢流閥10立即開啟形成短路,進(jìn)、回油路自循環(huán),使過載油路得到緩沖。二位二通電磁換向閥9用來實現(xiàn)故障停機(jī)時液壓缸卸載檢修,可減小卸載中的壓力沖擊。二位二通電磁換向閥9前的阻尼孔可防止二位二通電磁換向閥9卸載時產(chǎn)生的壓力沖擊。插裝閥前的阻尼孔用來調(diào)節(jié)插裝閥的開啟速度,改變插裝閥的靜動態(tài)特性和減小液壓沖擊。阻尼孔直徑一般取0.8～2.5mm。1.3推進(jìn)系統(tǒng)壓力流量復(fù)合控制圖3為推進(jìn)液壓系統(tǒng)控制模式框圖,系統(tǒng)中恒壓變量泵與四個分區(qū)中的比例調(diào)速閥組成容積節(jié)流調(diào)速回路,變量泵根據(jù)比例調(diào)速閥的設(shè)定值自動適應(yīng)系統(tǒng)需要的流量。四個分區(qū)中的推進(jìn)液壓缸壓力P對于各個分區(qū)來說,推進(jìn)液壓缸的輸入壓力受比例溢流閥調(diào)定壓力的限制。比例溢流閥的電位器安裝在操作室的控制面板上,根據(jù)激光導(dǎo)向系統(tǒng)反饋的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)情況,操作人員可隨時調(diào)整推進(jìn)液壓缸的壓力。系統(tǒng)中四個分區(qū)的比例調(diào)速閥輸入信號始終相等,即同線輸入。在某一靜態(tài),比例調(diào)速閥的輸入輸出流量為定值,相當(dāng)于定量系統(tǒng),比例調(diào)速閥的輸入信號決定液壓缸的最大推進(jìn)速度,負(fù)載阻力的大小是決定推進(jìn)速度的另一個因素。四個分區(qū)的液壓缸推進(jìn)力共同作用在刀盤上,推進(jìn)力大的區(qū)域有使推進(jìn)速度加快的趨勢。因此在最大推進(jìn)速度確定的前提下,推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度與總推進(jìn)力的大小有關(guān)系,如對推進(jìn)液壓系統(tǒng)C區(qū)來說,有q由上面分析可知,推進(jìn)系統(tǒng)既要滿足盾構(gòu)推進(jìn)力的要求又要完成盾構(gòu)推進(jìn)速度的控制任務(wù),單純的壓力控制系統(tǒng)或速度控制系統(tǒng)均無法滿足其要求,必須把兩種控制方式綜合起來共同完成盾構(gòu)的控制任務(wù)。故此,將電液比例控制技術(shù)應(yīng)用于推進(jìn)系統(tǒng),對各分區(qū)中的推進(jìn)液壓缸進(jìn)行壓力流量復(fù)合控制,其控制原理如圖4所示。考慮電液比例閥本身的控制特性,采用比例電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器,元件具有復(fù)雜的控制特性,死區(qū)、滯環(huán)和非線性等現(xiàn)象較為嚴(yán)重2amesim仿真盾構(gòu)推進(jìn)時,系統(tǒng)的插裝閥1處于關(guān)閉狀態(tài),三位四通電磁換向閥12切換到右位,液壓油通過比例調(diào)速閥14和三位四通電磁換向閥12進(jìn)入液壓缸無桿腔,液壓缸有桿腔的壓力油通過三位四通電磁換向閥12和比例溢流閥3流回油箱。因此,建模仿真時可省略插裝閥1,插裝閥13以及三位四通電磁換向閥12,主要分析比例溢流閥、比例調(diào)速閥、液壓缸以及負(fù)載間的動態(tài)關(guān)系。圖5為應(yīng)用AMESim建立的推進(jìn)液壓系統(tǒng)C區(qū)仿真模型。圖中1為采用HCD(液壓零件設(shè)計)庫中基本零件搭建好的比例溢流閥機(jī)械模型,2為比例調(diào)速閥的機(jī)械模型。仿真中液壓缸的推進(jìn)速度設(shè)定為46mm/min,320s后調(diào)為52mm/min;液壓缸的推進(jìn)壓力設(shè)定為5.2MPa,負(fù)載力為12361N。圖6為C區(qū)液壓缸推進(jìn)速度仿真圖,從圖6中可以看出,推進(jìn)速度剛開始有些振蕩,最大超調(diào)速度接近60mm/min,50s后推進(jìn)速度穩(wěn)定在46mm/min,320s后推進(jìn)速度調(diào)為52mm/min時,推進(jìn)速度有些波動,但波動時間不超過30s,然后繼續(xù)以調(diào)定好的速度推進(jìn)。圖7為C區(qū)液壓缸推進(jìn)壓力仿真圖,從圖7中可以看出在320s后推進(jìn)壓力有所上升,350s左右又穩(wěn)定在5.2MPa,這是由于推進(jìn)速度從46mm/min升高到52mm/min時,必須要有推進(jìn)液壓缸提供動力,只有更大的推力,才能提高盾構(gòu)加速度,使盾構(gòu)速度增大,當(dāng)速度達(dá)到調(diào)定值后推進(jìn)壓力下降,最終穩(wěn)定在初始設(shè)定值。3工程中的盾構(gòu)推進(jìn)壓力現(xiàn)場施工中,盾構(gòu)主司機(jī)會根據(jù)當(dāng)前工作環(huán)境實時調(diào)節(jié)盾構(gòu)運行的各個參數(shù)。從盾構(gòu)一環(huán)掘進(jìn)開始計時,主司機(jī)先將推進(jìn)速度調(diào)為46mm/min,在320s時將推進(jìn)速度調(diào)大,調(diào)為52mm/min。圖8為推進(jìn)液壓系統(tǒng)C區(qū)液壓缸推進(jìn)速度。由圖8可知,推進(jìn)速度從0到46mm/min過程中,有一個超調(diào),在60s時達(dá)到最大60mm/min,然后在100s左右逐漸達(dá)到平衡。與圖6仿真相比,盾構(gòu)推進(jìn)速度響應(yīng)較慢,而且達(dá)到穩(wěn)定時有超調(diào),這主要是因為盾構(gòu)推進(jìn)過程中,其負(fù)載為前方土壤,若把土壤看成粘彈性系統(tǒng),那么其剛度小,粘性大,這是影響盾構(gòu)推進(jìn)速度響應(yīng)慢的一個重要原因;另外一個原因是盾構(gòu)總體質(zhì)量大,慣性大。在320s時主司機(jī)把推進(jìn)速度調(diào)到52mm/min,由圖知,推進(jìn)速度由原來的46mm/min變?yōu)?2mm/min,實現(xiàn)了盾構(gòu)推進(jìn)速度的調(diào)節(jié)。但由于諸多不可預(yù)見的影響因素,推進(jìn)速度還會在一定的范圍內(nèi)波動。圖9為C區(qū)液壓缸推進(jìn)壓力,與圖7仿真相比,盾構(gòu)開始的推進(jìn)壓力比較大,然后有一個減小再逐漸穩(wěn)定的過程。這是由于盾構(gòu)開始掘進(jìn)時,需要克服盾構(gòu)前進(jìn)的靜摩擦力,而且還需要克服整個盾構(gòu)的慣性系統(tǒng),所以需要的推進(jìn)壓力大。掘進(jìn)一段時間后,盾構(gòu)主要克服的只有動摩擦力,這時盾構(gòu)慣性系統(tǒng)的速度超過設(shè)定速度,液壓缸推進(jìn)壓力因此減小,最終達(dá)到穩(wěn)定。在320s時盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時,推進(jìn)速度能很好地跟隨調(diào)節(jié)信號運行,相應(yīng)這時,C區(qū)液壓缸推進(jìn)壓力出現(xiàn)波動,與仿真相比,波動范圍比較大,但最終還是穩(wěn)定在某一小的范圍內(nèi)。除了進(jìn)行現(xiàn)場推進(jìn)試驗外,在上海地鐵二號線西延伸工程某地段還對盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合性工程實際應(yīng)用。盾構(gòu)掘進(jìn)總里程為2650m,平均月進(jìn)尺350m,單月最高進(jìn)尺470.6m,成果鑒定達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在2650m長的試驗段中,地表沉降基本控制在