劉 偉

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 前言

管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)一環(huán)后，其將混凝土制成的管片依照一定的順序安裝到剛開挖好的隧道表面以形成襯砌，并為下一環(huán)推進(jìn)提供支撐點(diǎn)。管片拼裝過程單側(cè)受載，拼裝機(jī)自身剛度以及管片轉(zhuǎn)動慣量大，作為盾構(gòu)機(jī)的重要后配套設(shè)備，其控制好壞將對整個掘進(jìn)施工效率的提升產(chǎn)生重要影響。液壓控制系統(tǒng)是管片拼裝機(jī)的動力和控制中樞，其動態(tài)特性及控制性能直接決定管片拼裝機(jī)的控制精度及其施工安全[1]28。

隨著環(huán)保要求的提高，以及電子控制技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)對控制性能和能耗特性提出了越來越高的要求，工程機(jī)械大多采用柴油發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)-多執(zhí)行器驅(qū)動方案，由于其工況復(fù)雜，高效高精度兼顧節(jié)能的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已受到行業(yè)的廣泛關(guān)注和研究[2-3]。

負(fù)流量控制、正流量控制、負(fù)載敏感控制和恒功率控制等液壓節(jié)能技術(shù)在工程機(jī)械系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的節(jié)能效果[1]29。但是采用的基本是傳統(tǒng)控制多路閥，由于其進(jìn)口和出口聯(lián)動，正常阻抗負(fù)載工況，回油口背壓維持比較高的值，降低了系統(tǒng)的節(jié)能性能，在超越負(fù)載工況下，執(zhí)行器的流量不能實(shí)現(xiàn)能量再生等控制，在工程機(jī)械應(yīng)用中節(jié)流損失大，不僅浪費(fèi)能源，還會引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱、噪聲和降低壽命等危害[4-5]。

負(fù)載口獨(dú)立控制是液壓領(lǐng)域中一種新型的控制技術(shù)，其基本原理在于液壓控制回路中的進(jìn)油口和出油口相互獨(dú)立調(diào)節(jié)，增加控制自由度，大大改善系統(tǒng)控制的柔性[6-8]。雙閥芯比例多路閥是實(shí)現(xiàn)負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)的關(guān)鍵元件之一，其進(jìn)出油節(jié)流閥口面積比可變，可根據(jù)需要實(shí)時調(diào)整，與傳統(tǒng)進(jìn)出節(jié)流閥口機(jī)械聯(lián)動的多路閥相比較，其組成的液壓系統(tǒng)在節(jié)能控制、操控性能改善等方面具有較大優(yōu)勢，且易在傳統(tǒng)主機(jī)上增加功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，在工程機(jī)械、軍事等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2 負(fù)載口獨(dú)立控制液壓原理及應(yīng)用

2.1 雙閥芯比例多路閥結(jié)構(gòu)及原理

圖1為負(fù)載口獨(dú)立控制雙閥芯多路閥工作聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，由先導(dǎo)級和主級組成，每個工作聯(lián)具有兩根主閥芯5，主閥芯采用LVDT傳感器3進(jìn)行位置閉環(huán)控制，油口內(nèi)嵌壓力傳感器和溫度傳感器，閥的流量控制可以基于實(shí)時反饋的壓力和油液溫度進(jìn)行補(bǔ)償，使得控制精度更高。多路閥集成高性能數(shù)據(jù)處理控制單元，具有CAN總結(jié)數(shù)字化接口，較易實(shí)現(xiàn)壓力、流量和位置等智能控制功能。

圖1 雙閥芯多路閥工作聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖2為雙閥芯多路閥及組成的變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖。傳統(tǒng)多路閥先導(dǎo)級一般采用比例電磁鐵驅(qū)動，需要較大電流控制，而且除主閥外，往往需要匹配多種附加組件，如負(fù)載敏感閥、梭閥、壓力補(bǔ)償閥、溢流閥等。而雙閥芯多路閥先導(dǎo)級采用音圈電機(jī)驅(qū)動，只需較小電流即可實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)驅(qū)動；采用全電子化實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償和負(fù)載敏感功能，不同工況模式通過統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)和靈活的軟件功能來實(shí)現(xiàn)[9-12]。

圖2 負(fù)載口獨(dú)立控制雙閥芯多路閥及系統(tǒng)原理

與普通多路閥不同，負(fù)載敏感LS反饋油路由進(jìn)油聯(lián)2產(chǎn)生，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)嵌的壓力傳感器檢測各負(fù)載壓力，預(yù)設(shè)置的負(fù)載敏感控制壓差ΔP和軟件計(jì)算控制LS先導(dǎo)控制閥2.3，進(jìn)而控制LS控制主閥2.4產(chǎn)生隨負(fù)載變化的LS壓力。這樣不僅可以電信號檢測、控制實(shí)現(xiàn)最高負(fù)載壓力的反饋，而且可以通過電子控制方式實(shí)現(xiàn)LS壓力的限壓。進(jìn)油聯(lián)減壓閥2.1產(chǎn)生LS壓力控制及各主閥先導(dǎo)油源。主級閥每個工作口通過一個三位四通電比例先導(dǎo)控制閥和一個三位三通液控主閥實(shí)現(xiàn)控制，可以在工作聯(lián)配置相應(yīng)的緩沖溢流閥或者通過電控比例主閥實(shí)現(xiàn)A/B口壓力控制。

采用負(fù)載口獨(dú)立控制原理的雙閥芯比例多路閥在結(jié)構(gòu)和原理上與傳統(tǒng)多路閥存在較大差異，且集成大量的電子檢測和控制功能，使系統(tǒng)較易實(shí)現(xiàn)自動診斷與檢測、多模式工況自動控制和軟件自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整等智能化和數(shù)字化控制功能。

2.2 負(fù)載口獨(dú)立比例多路閥液壓系統(tǒng)及控制模式

以液壓缸控制為例，如圖3所示為傳統(tǒng)閥控缸系統(tǒng)和雙閥芯多路閥組成的負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)原理示意，傳統(tǒng)多路閥控制系統(tǒng)，進(jìn)油和出油口之間是機(jī)械耦合聯(lián)動，雙閥芯多路閥可以獨(dú)立地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)出油口進(jìn)行控制，從而解決了閥芯的耦合問題，增加了控制的靈活性。兩油口可分別采取壓力控制、流量控制或流量壓力復(fù)合控制等方式。

圖3 兩種不同控制原理示意

針對不同液壓缸負(fù)載和運(yùn)動工況，將雙閥芯比例多路閥系統(tǒng)液壓缸分為阻抗伸出、阻抗縮回、超越伸出、超越縮回等工作模式，如圖4所示。

圖4 液壓缸工作模式

阻抗伸出工況中，控制液壓缸A口進(jìn)油速度，控制液壓缸B口回油背壓，可以將回油背壓維持在較低的壓力值，以降低系統(tǒng)能耗。阻抗縮回工況中，控制液壓缸A口回油壓力在一個低值，控制液壓缸B口進(jìn)油速度。超越伸出工況中，控制液壓缸A口進(jìn)油壓力，使其保持在比較低的壓力值，且保證無桿腔不產(chǎn)生氣穴，控制液壓缸B口回油速度。超越縮回工況中，控制液壓缸A口回油速度，控制液壓缸B口進(jìn)油壓力，使其保持在比較低的壓力值。

3 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)及在管片拼裝機(jī)中的應(yīng)用

3.1 壓力流量復(fù)合控制模式功能試驗(yàn)

為驗(yàn)證負(fù)載口獨(dú)立控制功能，在如圖5所示雙閥芯比例多路閥組成的閥控缸液壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與雙閥芯比例多路閥的通訊，進(jìn)行多路閥的初始化和參數(shù)配置，主要包括液壓管路及油缸參數(shù)配置，負(fù)載敏感壓差設(shè)定及負(fù)載油缸形式等。

圖5 雙閥芯比例多路閥閥控缸試驗(yàn)

負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)靈活性高，可根據(jù)不同工況要求選擇控制模式，本文以流量壓力復(fù)合控制模式進(jìn)行試驗(yàn)，主控制閥3.4控制液壓缸無桿腔進(jìn)油流量，實(shí)現(xiàn)液壓缸速度控制。流量方程為:

式中，Qj為進(jìn)油流量(L/min)；A1為進(jìn)油側(cè)油缸作用活塞面積(m2)；v為油缸的控制速度(m/s)；xj為進(jìn)油控制閥芯位移(mm)；ρ為油液密度(kg/m3)；Δpj為進(jìn)油閥口壓差(bar)；6×104為單位換算系數(shù)。

通過內(nèi)置傳感器檢測閥口兩端壓差，計(jì)算流量反饋控制進(jìn)油閥芯位移，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。

主控制閥3.3控制液壓缸4有桿腔壓力，使背壓維持在一定的壓力值，閥芯位移xv為:

式中，xv為閥芯位移(mm)；A2為回油側(cè)有桿腔作用面積(m2)；v為油缸的控制速度(m/s)；ρ為油液密度(kg/m3)；pb為設(shè)定的背腔控制壓力值(bar)；d為閥芯直徑(mm)；Δ為閥芯與閥體內(nèi)孔徑向間隙(mm)。

LS控制先導(dǎo)閥2.3的設(shè)定電流為:

變量泵出口壓力為:

式中，i為先導(dǎo)閥的設(shè)定電流(mA)；p1為多路閥LS反饋壓力(bar)；ps為泵出口壓力(bar)；Δp為變量泵負(fù)載敏感設(shè)定壓差(bar)。

圖6為雙閥芯比例多路閥液壓缸系統(tǒng)的流量壓力復(fù)合控制試驗(yàn)曲線。油缸速度階躍信號作為目標(biāo)控制值，通過液壓缸B口控制進(jìn)油流量；控制液壓缸A口達(dá)到目標(biāo)回油壓力。從曲線可以看出，階躍響應(yīng)控制穩(wěn)定后流量基本保持不變，回油背壓維持在設(shè)定壓力10 bar左右，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油控制速度，回油控制壓力的流量壓力復(fù)合控制功能。

圖6 流量壓力復(fù)合控制模式試驗(yàn)曲線

3.2 管片拼裝機(jī)定位控制性能試驗(yàn)

圖7所示為6 m盾構(gòu)管片拼裝機(jī)帶載測試試驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)裝置采用單個液壓馬達(dá)驅(qū)動，采用1 t管片模擬實(shí)際工作負(fù)載?；剞D(zhuǎn)角度采用編碼器測量，通過雙閥芯比例多路閥驅(qū)動控制。

圖7 管片拼裝機(jī)控制試驗(yàn)

圖8所示為管片拼裝機(jī)控制通訊示意圖，雙閥芯比例多路閥采用的CAN總線通訊協(xié)議，與常規(guī)的西門子PLC的TCP/IP通訊不同，需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此外還需要交換機(jī)進(jìn)行多終端通訊。編碼器用于采集拼裝機(jī)的角度數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)是轉(zhuǎn)換并傳輸多路閥的報文數(shù)據(jù)，IO模塊是用于將PLC中的角度數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬電流，并通過測量儀采集。電腦則通過網(wǎng)線與PLC直接進(jìn)行通訊，編碼器、網(wǎng)關(guān)以及IO模塊則通過交換機(jī)與西門子PLC進(jìn)行通訊。

圖8 管片拼裝機(jī)控制通訊示意

圖9為管片拼裝機(jī)從0°到90°定位控制試驗(yàn)曲線，可以看出運(yùn)動過程角度隨時間變化的曲線平滑，拼裝機(jī)轉(zhuǎn)速基本維持穩(wěn)定。啟動階段逐漸加大流量，降低啟動沖擊壓力，前段運(yùn)動行程以較大流量工作，隨著目標(biāo)角度的接近，流量逐漸減小，確保最終能夠平穩(wěn)停止在目標(biāo)位置處，最終誤差控制在0.025°以內(nèi)。

圖9 管片拼裝機(jī)定位控制試驗(yàn)曲線

為了更好地調(diào)整管片位置，管片拼裝系統(tǒng)運(yùn)行過程中，必須具有良好微動性能以滿足小角度的動作調(diào)整定位。圖10為管片拼裝機(jī)微動性能試驗(yàn)的角度和流量曲線，試驗(yàn)將管片運(yùn)動的起點(diǎn)設(shè)置在90°，此位置管片運(yùn)動方向承受的力最大，能更好地體現(xiàn)大負(fù)載情況下的微動情況。為提高定位效率，流量迅速提升到5 L/min左右，但由于角度變化偏小，角度在快接近目標(biāo)時又迅速下降，管片拼裝機(jī)的角度最高超調(diào)到90.6°，最終在不到2 L/min的微小流量下逐漸控制拼裝機(jī)到達(dá)90.5°的位置。最后的微小流量主要是維持最終控制角度和系統(tǒng)泄露，整個定位過程中角度變化較平穩(wěn)，定位精度較高，滿足施工需求。

圖10 管片拼裝機(jī)微動性能試驗(yàn)曲線

4 總結(jié)與結(jié)論

(1)分析了負(fù)載口獨(dú)立控制雙閥芯比例多路閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性，總結(jié)了雙閥芯比例多路閥控制技術(shù)相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。雙閥芯比例多路閥進(jìn)出口可相互獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制靈活性高；針對液壓缸幾種工況，可以通過軟件控制實(shí)現(xiàn)不同的工況控制模式，較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力流量匹配，提高節(jié)能性和操控性。

(2)以負(fù)載口獨(dú)立控制雙閥芯比例多路閥組成的閥控缸系統(tǒng)為研究對象，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。雙閥芯比例多路閥系統(tǒng)具有多種智能控制模式，既可以工作在傳統(tǒng)單閥芯工況，也可以工作在雙閥芯模式工況。通過模擬工況測試，對雙閥芯比例多路閥的壓力控制功能、流量控制功能和壓力流量復(fù)合控制功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

(3)研究負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)在大慣量管片拼裝機(jī)高精度定位中的應(yīng)用，試驗(yàn)測試了負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)的定位性能，結(jié)果表明通過負(fù)載口獨(dú)立控制，管片拼裝機(jī)可以穩(wěn)定地啟停控制，又能滿足高精度微動定位要求，控制誤差在0.025°。