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盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)控制仿真分析
胡國良
摘要: 設(shè)計(jì)了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)。采用AMESIM和MATLAB仿真軟件對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了仿真比較分析。仿真結(jié)果表明采用主從式同步控制策略能夠達(dá)到很好的同步效果, 同步精度達(dá)到±1mm,為實(shí)際盾構(gòu)同步推進(jìn)提供了參考依據(jù)
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu)；推進(jìn)液壓系統(tǒng)；同步控制；仿真。
盾構(gòu)是一種集機(jī)械、電器、液壓、測(cè)量和控制等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、安全性高、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn), 與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比更具有明顯的優(yōu)勢(shì), 尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高而隧道埋深較大時(shí), 只能依賴盾構(gòu)。推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一, 主要承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)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(yùn)動(dòng)等。推進(jìn)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在克服盾構(gòu)推進(jìn)過程中遇到的推進(jìn)阻力的前提下, 根據(jù)掘進(jìn)過程中所處的不同施工地層土質(zhì)及其土壓力的變化, 能夠?qū)ν七M(jìn)速度及推進(jìn)壓力進(jìn)行無級(jí)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié), 使得盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中盡可能達(dá)到同步推進(jìn), 避免不必要的超挖和欠挖。為
了達(dá)到控制要求, 推進(jìn)液壓系統(tǒng)要求能夠在非線性變負(fù)載工況下實(shí)現(xiàn)壓力和流量的實(shí)時(shí)控制, 并要求具有高的可靠性?；诖? 本文對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制作了相關(guān)仿真分析研究。
1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)
盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜, 屬于變負(fù)載、大功率、小流量的應(yīng)用場合。本系統(tǒng)在主油路上采用變量泵實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制; 對(duì)于6個(gè)執(zhí)行元件液壓缸, 將其分為6組, 進(jìn)行分組控制, 以完成全推進(jìn)、單個(gè)前進(jìn)或后退、雙個(gè)前進(jìn)或后退等動(dòng)作。各個(gè)分組的控制模塊都相同, 均由比例溢流閥、比例調(diào)速閥、電磁換向閥、輔助閥及相關(guān)檢測(cè)元件等組成。圖1為推進(jìn)液壓系統(tǒng)單個(gè)分組的工作原理圖。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),二位二通電磁換向閥1 斷電, 系統(tǒng)壓力油經(jīng)比例調(diào)速閥2 流出, 此時(shí)三位四通電磁換向閥9切換到工作狀態(tài)B位置, 液壓缸6 的活塞桿向前運(yùn)動(dòng)。推進(jìn)過程中, 液壓缸6 中的內(nèi)置式位移傳感器7 實(shí)時(shí)檢測(cè)推進(jìn)位移, 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋到比例調(diào)速閥2 的比例電磁鐵上, 控制比例調(diào)速閥2中節(jié)流口的開度, 從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)速度的實(shí)時(shí)控制, 此時(shí)系統(tǒng)中多余的流量可從比例溢流閥3中流出。為了實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整, 還必須實(shí)時(shí)控制推進(jìn)壓力, 此時(shí)可由壓力傳感器5 檢測(cè)液壓缸6 的推進(jìn)壓力, 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋到比例溢流閥3的比例電磁鐵上, 控制比例溢流閥3的節(jié)流口開度來實(shí)現(xiàn)。分組中的比例溢流閥3和比例調(diào)速閥2與壓力傳感器5和位移傳感器7一起構(gòu)成壓力流量復(fù)合控制, 可實(shí)時(shí)控制推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度和推進(jìn)壓力。
快速回退時(shí), 二位二通電磁換向閥1得電, 短路比例調(diào)速閥2, 系統(tǒng)采用大流量供油, 此時(shí)三位四通電磁換向閥9切換到工作狀態(tài)A位置, 液壓缸6的活塞桿快速回退, 以滿足管片拼裝的要求。
各個(gè)分組中, 液壓鎖8 與具有Y型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥9組成在一起成為鎖緊回路, 中位停止時(shí)可很好的防止液壓油的泄漏。液壓缸退回時(shí), 平衡閥4能起到運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的作用。
2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸仿真分析
多缸機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)動(dòng)十分重要, 特別是在變負(fù)載的盾構(gòu)設(shè)備中顯得更為突出。由于盾構(gòu)工作的特殊性, 盾構(gòu)刀盤開挖面前方的負(fù)載經(jīng)常發(fā)生變化, 在直線推進(jìn)的情況下, 如果不采取必要的同步措施, 推進(jìn)過程中盾構(gòu)將偏離設(shè)定的軌道, 引起不必要的超挖或欠挖, 甚至?xí)斐啥軜?gòu)設(shè)備性能低劣、失效或損壞。
造成推進(jìn)系統(tǒng)中各個(gè)分組液壓缸不同步的原因有很多種, 主要有以下幾個(gè)方面:
(1) 由于流量增益不同、起始工作電流不同、線性工作區(qū)有差異, 使得在某一開度時(shí)流過比例調(diào)速閥的流量不相等, 從而導(dǎo)致液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)不同步。
(2) 液壓缸承受負(fù)載不同, 掘進(jìn)過程中盾構(gòu)刀盤工作面的水土壓力都是隨機(jī)變化的, 因此各個(gè)分組中的液壓缸承受的負(fù)載大小也不同, 承載大的液壓缸較承載小的液壓缸運(yùn)行慢。
(3) 液壓缸的制造精度有誤差, 導(dǎo)致液壓缸運(yùn)動(dòng)副摩擦力也不同; 另外, 安裝時(shí)運(yùn)動(dòng)副的配合間隙不同, 使得運(yùn)動(dòng)副摩擦力也不相等。摩擦力大的液壓缸運(yùn)行相對(duì)慢。
(4) 液壓系統(tǒng)安裝時(shí)油管長度和彎頭數(shù)目的不同也會(huì)造成液壓缸沿程阻力不相等; 此外, 長時(shí)間運(yùn)行也會(huì)使得液壓缸的工作特性發(fā)生變化, 這些因素也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)分組中的液壓缸推進(jìn)時(shí)不同步[ 5 - 6 ]?；诖? 首先對(duì)沒有采取同步控制措施的左右對(duì)稱的2#和5#推進(jìn)液壓缸進(jìn)行仿真分析。模擬實(shí)際推進(jìn)過程中分區(qū)液壓缸所受負(fù)載不同以及液壓缸所受內(nèi)摩擦力的不同。仿真中把2#液壓缸的粘性摩擦系數(shù)設(shè)為1 ×104N /m / s, 負(fù)載中的彈簧剛度設(shè)為1 ×1010 N /m;而5#液壓缸的粘性摩擦系數(shù)則設(shè)為1 ×103N /m / s, 負(fù)載中的彈簧剛度設(shè)為5 ×109N /m。圖2為采用AMESim仿真軟件搭建的推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸仿真模型圖。
圖2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸仿真模型
仿真時(shí)兩個(gè)液壓缸的調(diào)速輸入設(shè)為相同。圖3和圖4為兩個(gè)左右對(duì)稱液壓缸的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度仿真圖。從圖中可以看出, 由于兩個(gè)液壓缸所受負(fù)載不同, 2#液壓缸所受壓力比5#液壓缸所受壓力約大2MPa。另外, 2#液壓缸的粘性摩擦系數(shù)比5#液壓缸的粘性摩擦系數(shù)也要大, 反映在速度上也有所不同,受力大、粘性摩擦系數(shù)大的液壓缸推進(jìn)速度要慢些,從圖4推進(jìn)速度仿真曲線可以看出, 此時(shí)2#缸穩(wěn)定后的推進(jìn)速度為36mm /min, 而5#缸穩(wěn)定后的推進(jìn)速度約為39mm /min。
圖5和圖6為兩個(gè)液壓缸的位移仿真曲線和位移差仿真曲線圖。由于2#液壓缸的推進(jìn)速度比5#液壓缸的推進(jìn)速度要小, 隨著時(shí)間的增大, 兩個(gè)液壓缸的位移差也越來越大。從圖6可以看出, 在推進(jìn)時(shí)間到達(dá)50 s時(shí), 兩個(gè)液壓缸的推進(jìn)位移差達(dá)到215mm。也就是說, 每推進(jìn)1min, 就有約3mm的誤差, 這樣很容易導(dǎo)致實(shí)際掘進(jìn)過程中盾構(gòu)偏離預(yù)先設(shè)定的軌線,因此有必要采取同步控制策略。
3 推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸同步控制仿真分析
目前常采用的液壓同步控制方法主要有兩種。一種是開環(huán)式的控制方法, 即用分流集流閥、同步缸、同步馬達(dá)等組成同步液壓回路, 其特點(diǎn)是原理簡單,成本低, 但精度也較低。第二種方法是用電液伺服閥或電液比例閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng), 采用這種閉環(huán)控制方法時(shí), “同等方式”和“主從方式”是通常采用的兩種控制策略, 采用這種控制策略有望獲得高精度的同步控制要求[ 7 ]。仿真中采用主從式同步控制, 把2#液壓缸作為主液壓缸, 5#液壓缸作為從液壓缸。以2#液壓缸的輸出為理想輸出, 5#液壓缸受到控制來跟蹤這一選定的理想輸出并達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)。
圖7為推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸同步仿真AMESim 模型, 圖8則為采用Simulink構(gòu)建的推進(jìn)液壓系統(tǒng)多缸同步仿真控制模型。仿真中所取參數(shù)與沒有采取同步控制時(shí)相同, 并且兩個(gè)液壓缸的調(diào)速輸入均相同。由于設(shè)定中所受負(fù)載以及液壓缸的粘性摩擦系數(shù)不同, 導(dǎo)致推進(jìn)過程中液壓缸的推進(jìn)速度和推進(jìn)位移不同。此時(shí), 把2# 和5# 兩個(gè)液壓缸的位移輸入到AMESim的S函數(shù)中, 然后通過輸出接口在Simulink中搭建控制模型進(jìn)行仿真。仿真中把兩缸的位移差與設(shè)定的位移進(jìn)行比較, 所得的位移差信號(hào)反饋到調(diào)速設(shè)定值上, 進(jìn)行補(bǔ)償來達(dá)到同步控制。
圖9和圖10為采用同步控制的液壓缸推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度仿真曲線圖。從圖中可以看出, 兩個(gè)液壓缸所受壓力與圖3沒有采用同步控制措施的推進(jìn)壓力曲線相比, 兩者沒有發(fā)生變化。但從圖10可以看出,此時(shí)主從兩個(gè)液壓缸的推進(jìn)速度基本重合, 穩(wěn)定后的推進(jìn)速度均為36mm /min。
圖11和圖12為兩個(gè)液壓缸的位移仿真曲線和位移差仿真曲線圖。由于2#液壓缸的推進(jìn)速度和5#液壓缸的推進(jìn)速度相同, 因此兩個(gè)液壓缸的推進(jìn)位移很接近。從圖12可以看出, 兩個(gè)液壓缸的推進(jìn)位移差只有01025mm, 完全滿足控制要求。
4 結(jié)論
本文對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的多缸推進(jìn)進(jìn)行了仿真分析, 比較了沒有采用同步控制和采用了同步控制這兩種情況下的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明采用主從式同步控制策略能較好地實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng), 液壓缸的同步精度可控制在±1mm之間, 為實(shí)際盾構(gòu)同步推進(jìn)提供了參考依據(jù)。