賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

推進(jìn)液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)的重要組成部分，承擔(dān)著整個盾構(gòu)的向前推進(jìn)、姿態(tài)調(diào)整等復(fù)雜的任務(wù)。因此，推進(jìn)液壓系統(tǒng)性能的好壞直接影響盾構(gòu)的整體性能［1－2］。

在工程應(yīng)用中，由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性和施工現(xiàn)場中許多不可預(yù)見因素的影響［3］，使得盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的控制變得非常復(fù)雜。推進(jìn)速度過快或者不合適、推進(jìn)壓力與土質(zhì)情況以及水土壓力不匹配都會引發(fā)地表沉降或隆起超過預(yù)期設(shè)計(jì)，造成周圍建筑物開裂甚至倒塌以及鄰近的管道線路斷裂破損等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害［4］。因此，需要對推進(jìn)系統(tǒng)的速度、壓力同時(shí)進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)轉(zhuǎn)向、姿態(tài)調(diào)整的精確控制。學(xué)者們對盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究［5－6］。文獻(xiàn)［7］分析了復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)冗余驅(qū)動推進(jìn)系統(tǒng)不同分組策略下載荷的傳遞特性，提出基于地質(zhì)條件的推進(jìn)系統(tǒng)分組策略。文獻(xiàn)［8］針對盾構(gòu)施工地質(zhì)條件復(fù)雜、易出現(xiàn)突變載荷而造成掘進(jìn)裝備失效的問題，提出盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順義性的概念并定義其評價(jià)指標(biāo)，以調(diào)速閥模式為例建立盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)解析模型。文獻(xiàn)［9］在分析推進(jìn)液壓系統(tǒng)復(fù)合控制的工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的的盾構(gòu)推進(jìn)速度自適應(yīng)PID控制器，并對常規(guī)PID推進(jìn)速度控制和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID推進(jìn)速度控制進(jìn)行了階躍響應(yīng)仿真對比。文獻(xiàn)［10］基于液壓力控制系統(tǒng)分類和原理，介紹了利用電液比例泵配合其他控制元件實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)方案的可行性。從以上研究成果來看，對推進(jìn)系統(tǒng)的研究以推進(jìn)分組策略和推進(jìn)控制算法居多，而從液壓控制原理角度來分析比較推進(jìn)系統(tǒng)不同控制模式的還比較少。目前，推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要有2種方案，一是采用比例溢流閥與比例調(diào)速閥相結(jié)合的壓力流量復(fù)合控制，二是采用比例減壓閥與電液比例泵相配合的方式達(dá)到壓力流量同步精確控制的目的。本文結(jié)合不同控制模式進(jìn)行理論分析，并在基于AMESIM所建仿真模型上仿真比較2種控制模式下的壓力和速度響應(yīng)特性以及在負(fù)載擾動下的流量響應(yīng)特性，通過對工程實(shí)際應(yīng)用的對比測試，驗(yàn)證理論分析和仿真比較的正確性。

1 推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

推進(jìn)系統(tǒng)具有大功率、變負(fù)載和工作條件惡劣等特點(diǎn)，一般采用液壓控制系統(tǒng)，由推進(jìn)液壓缸、液壓泵、比例控制閥以及其他液壓輔件組成。系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推進(jìn)液壓缸安裝于盾構(gòu)密封艙隔板后部，沿盾體周向均勻分布，作用在管片上，通過液壓控制閥控制其伸出速度和壓力［11］。一般推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸數(shù)目較多，考慮到每個液壓缸單獨(dú)控制的復(fù)雜性和高昂的成本，一般會將推進(jìn)液壓缸分區(qū)控制，即將液壓缸分成上下左右4組，每組單獨(dú)設(shè)置控制機(jī)構(gòu)。這樣既達(dá)到了盾構(gòu)調(diào)整姿態(tài)、糾偏的目的，又可以節(jié)省成本、降低控制難度。每組推進(jìn)油缸中均有1根安裝有內(nèi)置式位移傳感器，位移信號通過PLC顯示在上位機(jī)上;裝有位移傳感器的推進(jìn)缸控制閥組上還裝有壓力傳感器。通過調(diào)整每組油缸的不同推進(jìn)壓力來進(jìn)行盾構(gòu)糾偏和調(diào)向。

推進(jìn)系統(tǒng)有2種工況模式:推進(jìn)模式和管片拼裝模式。推進(jìn)模式時(shí)，系統(tǒng)壓力設(shè)定在較高值，推進(jìn)油缸伸出;管片拼裝模式時(shí)，系統(tǒng)壓力設(shè)定在較低值，部分推進(jìn)油缸縮回，管片拼裝好后，油缸再伸出頂住管片。

2 2種控制原理說明

2.1 壓力流量復(fù)合控制方案

壓力流量復(fù)合控制方案源于最初的推進(jìn)液壓系統(tǒng)。該方案采用了比例控制技術(shù)，并配合以遠(yuǎn)控恒壓變量泵和比例調(diào)速閥構(gòu)成容積節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。遠(yuǎn)控恒壓變量泵和壓力流量復(fù)合控制方案液壓原理圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 遠(yuǎn)控恒壓變量泵Fig.1 Remote-controlled constant pressure variable pump

圖2 壓力流量復(fù)合控制方案液壓原理圖［12］Fig.2 Hydraulic schematic diagram of pressure-flow compound control mode

系統(tǒng)由遠(yuǎn)控恒壓變量泵提供壓力油，推進(jìn)模式下，4個分區(qū)中的推進(jìn)液壓缸壓力pA，pB，pC和pD通過壓力傳感器進(jìn)入一個比較環(huán)節(jié)，其最大值為驅(qū)動負(fù)載所需的最高壓力pmax。變量泵輸出壓力p=pmax+Δp。其中Δ p為保證比例調(diào)速閥穩(wěn)定工作的最小壓差。壓力油經(jīng)比例調(diào)速閥1、電液換向閥8、液控單向閥10進(jìn)入推進(jìn)油缸無桿腔，活塞桿伸出;管片拼裝模式下，系統(tǒng)設(shè)定遠(yuǎn)控恒壓泵的最大輸出壓力為固定值，此時(shí)電磁閥3，6得電，壓力油經(jīng)插裝閥2、電液換向閥8進(jìn)入有桿腔，回油直接通過插裝閥5回油箱，使推進(jìn)缸快速回退，提高拼裝效率。變量泵輸出壓力跟隨負(fù)載變化，電控負(fù)載敏感控制實(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)，減少了系統(tǒng)壓力損失，降低了能耗。

系統(tǒng)通過比例溢流閥和比例調(diào)速閥分別對系統(tǒng)壓力、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過安裝在液壓缸上的壓力、位移傳感器檢測信號并反饋至比較器，形成壓力、速度閉環(huán)控制，其控制原理框圖如圖3所示。

圖3 壓力流量復(fù)合控制原理框圖Fig.3 Block diagram of principle of pressure-flow compound control mode

該方案采用比例溢流閥對工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用比例調(diào)速閥進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。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。對其中某一個分區(qū)來說有流量關(guān)系:qv=qv1+qv2，其中qv，qv1和qv2分別為比例調(diào)速閥的流量調(diào)定值、進(jìn)入推進(jìn)缸的流量以及通過比例溢流閥的溢流量，比例溢流閥的溢流量受推進(jìn)壓力的影響，而推進(jìn)壓力又與總推進(jìn)力有關(guān)，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)速度還與總推進(jìn)力的大小有關(guān)。盾構(gòu)推進(jìn)采用分區(qū)控制，每區(qū)都要設(shè)置比例溢流閥和比例調(diào)速閥，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，被控元件數(shù)量較多。并且由于采用溢流調(diào)壓和節(jié)流調(diào)速，該方案存在一定的溢流損失和節(jié)流損失。

2.2 比例減壓閥方案

該方案采用比例減壓閥對推進(jìn)液壓缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，配合以電液比例變量泵對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4為比例減壓閥方案的液壓原理圖，由于只需對推進(jìn)工況進(jìn)行壓力精確控制，故比例減壓閥位于推進(jìn)液壓缸無桿腔的進(jìn)油路上。二通插裝閥用于單獨(dú)控制本組油缸快速動作，當(dāng)兩位三通電磁閥得電時(shí)，插裝閥打開，本組液壓缸快速伸出或縮回;反之則不得電。

系統(tǒng)的流量即液壓缸的速度通過電液比例泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文以力士樂A11VOEP2泵為例，分析比例減壓閥方案。圖5為電液比例泵原理圖，該泵具有壓力切斷功能，通過外控口可以設(shè)置壓力切斷值的大小。根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)模式和拼裝模式分別設(shè)置2級切斷值。在系統(tǒng)的壓力未達(dá)到設(shè)定的壓力切斷值時(shí)，通過改變控制電流的大小改變電磁閥芯的位移，從而改變泵的排量;當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，壓力切斷閥工作，泵排量回?cái)[至最小。泵的排量與輸入的控制電流成正比例關(guān)系。泵的排量采用機(jī)－液閉環(huán)控制，使得泵的排量與控制電流具有很好的線性相關(guān)性，降低了系統(tǒng)對速度控制的難度。該方案同樣在液壓缸上安裝壓力、位移傳感器，從而實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的閉環(huán)控制［12］。

圖4 比例減壓閥控制方案液壓原理Fig.4 Hydraulic schematic diagram of proportional pressure reducing valve control mode

圖5 電液比例變量泵Fig.5 Electro-hydraulic proportional variable pump

比例減壓閥控制每組推進(jìn)壓力，通過其流量是自適應(yīng)的，為提高控制性能，采用三通型比例減壓閥。三通比例減壓閥包括主閥和先導(dǎo)控制單元2個部分［13］，三通比例減壓閥結(jié)構(gòu)如圖6所示。三通比例減壓閥有3個油口，從功能上看，P與A相通時(shí)減壓，A與T相通時(shí)溢流，能夠保證負(fù)載流量較小甚至為負(fù)時(shí)的壓力控制性能。

圖6 三通比例減壓閥結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of three-way proportional pressure reducing valve

上述系統(tǒng)中，需在每個分區(qū)的進(jìn)油路上設(shè)置1個比例減壓閥，用以對該組液壓缸推進(jìn)壓力進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，比例減壓閥在實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定的前提下不能穩(wěn)定通過的流量。通過比例減壓閥的流量在先導(dǎo)閥最小穩(wěn)定流量與主閥的額定通流量之間變化，整個推進(jìn)系統(tǒng)的流量供給由電液比例泵調(diào)節(jié)，因此在保證液壓缸輸入壓力的條件下，液壓缸推進(jìn)速度是由施加在刀盤上的各組力共同決定的。相比壓力流量復(fù)合控制方案，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，控制元件較少，成本相對也較低。電液比例泵上帶有排量反饋，形成流量閉環(huán)控制，輸出的流量與負(fù)載所需的流量相適應(yīng)，故除了在減壓閥上的節(jié)流損失，該系統(tǒng)沒有溢流損失，這對于功率大范圍變化的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，節(jié)能效果是顯著的。由于采取的是單泵對多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的容積調(diào)速，系統(tǒng)并不能對每組液壓缸進(jìn)行單獨(dú)調(diào)速，并且需要提供一個恒轉(zhuǎn)速的動力源或是將原動機(jī)、液壓傳動系統(tǒng)、推進(jìn)液壓缸做整體的匹配控制，這樣增加了控制的復(fù)雜性。

3 仿真分析

以直徑6.25 m盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)為例，在AMEsim中分別搭建2種方案的仿真模型如圖7和圖8所示。所建模型為推進(jìn)模式并忽略了管道液容等影響較小的因素。針對2種方案推進(jìn)系統(tǒng)的壓力速度控制特性進(jìn)行仿真分析。圖9為推進(jìn)壓力控制仿真結(jié)果，圖10為推進(jìn)速度控制仿真結(jié)果。

圖7 壓力流量復(fù)合控制仿真模型Fig.7 Simulation model of“proportional speed regulating valve+proportional relief valve”control mode

圖8 三通比例減壓閥控制仿真模型Fig.8 Simulation model of three-way proportional pressure reducing valve control mode

仿真時(shí)，系統(tǒng)工作壓力在第6 s時(shí)由7 MPa階躍至10 MPa，由圖9可以看到2種方式的壓力階躍響應(yīng)沒有明顯的差別，都在經(jīng)過一段振蕩之后回到穩(wěn)態(tài)，從圖10可以看到，在壓力突變的瞬間，推進(jìn)速度都受到了擾動，相比而言采用比例調(diào)速閥方式的擾動幅度較小;系統(tǒng)速度在第11 s時(shí)由40 mm/min調(diào)整至70 mm/min，由圖10可以看到，2種方式的速度都在一段振蕩之后回到穩(wěn)定狀態(tài)，相比而言比例調(diào)速閥方式的調(diào)整時(shí)間較短，響應(yīng)速度較快，從圖9可以看到，在速度突變的瞬間，推進(jìn)壓力都受到了擾動，相對而言，比例減壓閥方式的擾動幅度更大。

圖9 壓力－時(shí)間曲線Fig.9 Pressure-time curve

圖10 速度－時(shí)間曲線Fig.10 Speed-time curve

在負(fù)載擾動下仿真分析通過比例調(diào)速閥和比例減壓閥的流量響應(yīng)，分別得到其流量特性曲線如圖11中的曲線1和曲線2所示，由流量響應(yīng)曲線可知，在突變負(fù)載作用下，通過比例調(diào)速閥的流量能夠基本保持穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量小。對于采用比例減壓閥的方案，由于某一組的負(fù)載擾動會導(dǎo)致由比例泵輸出流量在所有分組的分配改變，因此通過該組比例減壓閥的流量在負(fù)載擾動下會有明顯的振蕩，流量的瞬變也會對其輸出壓力的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖11 負(fù)載擾動下的流量特性曲線Fig.11 Curve of flow characteristics under load disturbance

從以上2種方式仿真對比結(jié)果可以看出，2種方式都能對壓力和速度2個參數(shù)同時(shí)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)和控制，達(dá)到盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的要求;比例調(diào)速閥+比例溢流閥方式的壓力和速度2個參數(shù)的控制相對較容易，響應(yīng)速度相對較快，兩者的相互擾動耦合較小。

4 工程實(shí)際應(yīng)用情況對比

結(jié)合上述2種推進(jìn)方式的動態(tài)仿真，對盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)情況下，比例減壓閥控制模式盾構(gòu)和比例壓力流量復(fù)合控制模式進(jìn)行實(shí)際掘進(jìn)速度和壓力進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢測及數(shù)據(jù)采集。對用于北京地鐵的2臺盾構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)測試，1臺為國外某品牌盾構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)采用比例減壓控制模式對推進(jìn)壓力控制，泵采用電比例排量控制;另外1臺盾構(gòu)為中鐵裝備盾構(gòu)，采用比例調(diào)速閥+比例溢流閥復(fù)合控制模式。掘進(jìn)地層均為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂地層，覆土厚度相當(dāng)，對C組壓力和位移變化進(jìn)行采集分析，采集數(shù)據(jù)曲線如圖12—15所示。

圖12 國外某盾構(gòu)C組壓力監(jiān)測曲線Fig.12 Curve of pressure of C group of a foreign brand shield

圖13 中鐵裝備盾構(gòu)C組壓力監(jiān)測曲線Fig.13 Curve of pressure of C group of CREG shield

圖14 國外某盾構(gòu)C組位移監(jiān)測曲線Fig.14 Curve of displacement of C group of a foreign brand shield

圖15 中鐵裝備盾構(gòu)C組位移監(jiān)測曲線Fig.15 Curve of displacement of C group of CREG shield

從圖12—15不難看出，采用比例減壓控制模式盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，推進(jìn)油缸的壓力及位移變化波動較大，壓力調(diào)整響應(yīng)速度不及比例壓力流量復(fù)合控制模式，這種油缸壓力和位移變化的頻繁波動會對盾構(gòu)姿態(tài)控制和土倉壓力控制產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而對沉降控制不利。

5 結(jié)論與體會

2種盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)控制模式的控制機(jī)制相同，它們都屬于力控制系統(tǒng)，根據(jù)比例壓力閥的靜態(tài)特性來滿足推進(jìn)要求。采用壓力流量復(fù)合控制方法，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但整體控制性能好，并且由于各組有獨(dú)立調(diào)速閥進(jìn)行速度粗調(diào)，組間壓力和流量的耦合作用小，有利于推進(jìn)壓力和速度的控制。這種控制模式盡管同時(shí)存在節(jié)流損失和溢流損失，但電控負(fù)載敏感技術(shù)的應(yīng)用使其節(jié)能效果得到很大提高，目前中鐵裝備、海瑞克盾構(gòu)采用這種控制模式。比例減壓閥方案控制元件較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，節(jié)能效果良好，但由于比例減壓閥只能控制各組推進(jìn)壓力，推進(jìn)系統(tǒng)在4個分組的實(shí)時(shí)流量分配受多種因素的影響，組間壓力和流量耦合作用明顯，導(dǎo)致系統(tǒng)對盾構(gòu)姿態(tài)控制比較敏感，表現(xiàn)在工程應(yīng)用中就是推進(jìn)壓力和速度波動較大，尤其在軟弱不均地層，這種控制模式顯然對司機(jī)操作水平要求更高。因此，在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，目前法國的NFM、日本的三菱和小松等生產(chǎn)的盾構(gòu)多采用比例減壓閥方案，在實(shí)際的國內(nèi)施工中，在軟弱地層，極易出現(xiàn)姿態(tài)控制的驟變，造成“栽頭”或糾偏過度的現(xiàn)象。綜合以上分析及目前國內(nèi)盾構(gòu)操作水平及習(xí)慣，采用壓力流量復(fù)合控制方案將更適應(yīng)國內(nèi)的用戶。

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