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基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统
作者：胡国良龚国芳
摘要：推进系统是盾构的关键系统之一。设计了一种基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统，对推进液压缸进行了分区控制，阐述了推进液压系统的工作原理及其控制方式。利用AMESim 仿真软件对推进液压系统的压力和流量特性进行了仿真分析，并在工程应用中进行了推进试验，仿真和工程实际应用表明所设计的推进液压系统可实时控制推进压力和推进速度，可以满足盾构的掘进要求。
关键词：盾构推进液压系统压力流量复合控制 AMESim仿真
盾构是一种集机械、电器、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、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。
随着南水北调西气东输等国家重大工程的开展，迎奥运北京地铁建设速度的加快，上海、广州等其他大中城市轨道交通的迅猛发展，对盾构的需求越来越大。国家下决心要开发利用盾构技术，整合各方面的技术力量，促进盾构技术的发展【3】。
推进系统承担着整个盾构机械的顶进任务，要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动，使得盾构能沿着事先设定好的路线前进，是盾构的关键系统之一。推进系统的控制目标是在克服盾构推进过程中遇到的推进阻力的前提下，根据掘进过程中所处的不同施工地层土质及其水土压力的变化，能够对推进压力和推进速度进行无级协调调节，使盾构在掘进过程中引起的地表沉降量控制在要求范围，且能使施工隧道与隧道设计轴线的偏差控制在允许范围内。
常规的压力控制能引起流量剧烈波动，导致盾构推进速度不稳定；常规的流量控制又会引起压力振荡，使得液压缸推进压力不一致，从而导致盾构超挖，加剧土体扰动，增加地表变形。因此单纯的压力控制或流量控制很难同时满足盾构在非线性变负载工况下对推进压力和推进速度的复合控制要求。基于此，设计出一种基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统，能实时调节施工过程中的推进压力和推进速度，并在仿真和工程实际应用的基础上进行了分析研究。
1 盾构推进液压系统设计
1．1 推进液压缸分区的确定
推进液压缸安装在盾构密封仓隔板后部，沿盾体周向均匀分布，作用在管片上，是推进系统的执行机构。其动力源由安装在盾构后部的液压泵提供，并通过液压阀的控制来实现各种功能。
盾构推进动力传递和控制具有大功率和变负载等特点，所需的液压缸数量较多，如果每个液压缸都单独控制的话，成本就很高，而且控制比较复杂。为此采用分区控制，即将为数众多的推进液压缸按圆周均匀分成几个区。对每区的液压缸分别进行控制。如图1所示，推进系统将32个液压缸分为A、B、C、D四个区，根据上下土层和水压的不同，选择B区中液压缸个数比D区多。通过理论计算，A区和C区各有8个液压缸，B区有1O个液压缸，D区则有6个液压缸。液压缸分区控制既可以节约成本、减少控制复杂程度，又可以达到盾构姿态调整、纠偏的目的；另外分成四区可以清楚简单的计算总力矩，从而决定盾构的爬坡和转弯的快慢。
图1 推进液压缸分区布置图
1．2 推进液压系统工作原理
推进液压系统采用带电比例溢流阀的恒压变量泵作为动力源，向四个分区同时供油，由于采用了分区控制，四个分区只是在盾构截面的分布位置不同，其控制方式和工作原理则完全相同。图2为推进液压系统C区工作原理简图。
图2 推进液压系统单个分区工作原理简图
1．插装阀2．二位三通电磁换向阀3．比例溢流阀 4．二位三通电磁换向阀5．液控单向阀6．压力传感器 7．液压缸8．内置式位移传感器9．二位二通电磁换向阀 lO．溢流阀11．单向阀l2．三位四通电磁
换向阀 l3．插装阀 l4．比例调速阀
盾构推进时，比例溢流阀3调节液压缸推进压力，与压力传感器6实时检测的压力构成压力闭环反馈控制，实时控制推进压力；比例调速阀14调节进入系统的流量，与安装在液压缸7内的内置式位移传感器8检测到的位移构成速度闭环反馈控制，实时控制推进速度。插装阀1和二位三通电磁换向阀2可短路比例调速阀14，实现推进液压缸的快速运动，从而减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装阀13和二位三通电磁换向阀4则用来实现推进液压缸快速回退，减小液压油回程阻力。三位四通电磁换向阀12用来完成工作状态的切换，可实现推进液压缸的前进、后退和停止状态。溢流阀10用来实现系统过载保护，推进瞬间液压缸进油口会出现瞬时过载，此时溢流阀lO立即开启形成短路，进、回油路自循环，使过载油路得到缓冲。二位二通电磁换向阀9用来实现故障停机时液压缸卸载检修，可减小卸载中的压力冲击。二位二通电磁换向阀9前的阻尼孔可防止二位二通电磁换向阀9卸载时产生的压力冲击。插装阀前的阻尼孔用来调节插装阀的开启速度，改变插装阀的静动态特性和减小液压冲击。阻尼孔直径一般取0．8～2．5 mnl。
1．3 推进液压系统控制方式
图3为推进液压系统控制模式框图，系统中恒压变量泵与四个分区中的比例调速阀组成容积节流调速回路，变量泵根据比例调速阀的设定值自动适应系统需要的流量。四个分区中的推进液压缸压力PA、PB、Pc、PD通过压力传感器进入一个比较环节，其最大值为驱动负载所需的最高压力p ax。在推进模式下，变量泵输出压力p=p +AP，其中AP是保证比例调速阀稳定工作时所需的压力差，该压力差为设定值。变量泵的输出压力P跟随负载变化，压力变化是阶段性的。这种反馈控制一定程度上相当于压力自适应，可减少系统压力损失，降低能耗。
图3 推进液压系统控制模式框图
对于各个分区来说，推进液压缸的输入压力受比例溢流阀调定压力的限制。比例溢流阀的电位器安装在操作室的控制面板上，根据激光导向系统反馈的盾构机姿态情况，操作人员可随时调整推进液压缸的压力。系统中四个分区的比例调速阀输入信号始终相等，即同线输入。在某一静态，比例调速阀的输入输出流量为定值，相当于定量系统，比例调速阀的输入信号决定液压缸的最大推进速度，负载阻力的大小是决定推进速度的另一个因素。四个分区的液压缸推进力共同作用在刀盘上，推进力大的区域有使推进速度加快的趋势。因此在最大推进速度确定的前提下，推进液压缸的推进速度与总推进力的大小有关系，如对推进液压系统c区来说，有qvc=qvcl+qvc2，其中qvc2为比例溢流阀的溢流量，该溢流量受推进压力的影响，而推进压力又与总推进力有关。
由上面分析可知，推进系统既要满足盾构推进力的要求又要完成盾构推进速度的控制任务，