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引言：

        盾構是一種集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型工程裝備。它具有開挖速度快、質量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環境影響小等優點。 

摘要：闡述了盾構推進液壓系統工作原理。采用AMESim 和MA TLAB 仿真軟件對推進液壓系統同步協調控制進行了仿真分析,同時采用PLC 編譯了主從式同步PID 控制程序,并在盾構模擬試驗臺上進行了同步推進試驗研究,比較了兩種不同負載下的同步試驗情況。仿真和試驗結果表明:采用主從式同步PID 控制策略能夠達到很好的同步效果,同步精度可達±3mm ,能較好地滿足盾構在不同地質情況下同步推進控制的基本要求。
關鍵詞：盾構;推進液壓系統;同步控制;AMESim

         盾構是一種集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型工程裝備。它具有開挖速度快、質量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環境影響小等優點[ 1 ] 。

         推進系統是盾構的關鍵組成部分,主要承擔著整個盾構的頂進任務。它應能完成盾構的轉彎、曲線行進、姿態控制、糾偏以及同步運動等。

         目前,國外先進的盾構推進系統一般采用分組分區控制,每一區由6～10 個液壓缸組成,通過協調每區的推進壓力和推進速度對盾構姿態和方向進行控制,但對同步協調控制很少涉及[2 ] 。由于盾構工作的特殊性,盾構刀盤開挖面前方的負載經常發生變化,在直線推進的情況下,如果不采取必要的同步措施,推進過程中盾構將偏離設定的軌跡,引起不必要的超挖或欠挖,甚至會造成盾構設備失效或損壞。因此在變負載情況下,盾構這種多缸機構設備的同步控制十分重要。基于此,本文在所設計的推進液壓系統基礎上,對其同步協調控制進行相關仿真和試驗分析。

1 推進液壓系統的工作原理

         盾構推進液壓系統的特點是變負載、大功率、小流量。本系統中,執行元件由左右對稱的6 個液壓缸組成,用以模擬實際盾構的控制方式,將其分為6 組,進行分組控制。各個分組中的控制模塊都相同,均由比例溢流閥、比例調速閥、電磁換向閥、輔助閥及相關檢測元件等組成,可完成全推進、單個前進或后退、雙個前進或后退等動作。圖1 為推進液壓系統的工作原理簡圖。
 
         1. 二位二通電磁換向閥 2. 比例調速閥 3. 比例溢流閥 4. 平衡閥 5. 壓力傳感器 6. 液壓缸 7. 位移傳感器 8. 液壓鎖 9. 三位四通電磁換向閥 10. 二位四通電磁換向閥

圖1 推進液壓系統工作原理簡圖

         盾構推進時,二位二通電磁換向閥1 斷電,系統壓力油經比例調速閥2 流出,此時三位四通電磁換向閥9 切換到工作狀態(B 位置) ,液壓缸6的活塞桿向前運動。推進過程中,液壓缸6 中的內置式位移傳感器7 實時檢測推進位移,轉換成電信號反饋到比例調速閥2 的比例電磁鐵上,控制比例調速閥2 中節流口的開度,從而實現推進速度的實時控制,此時系統中多余的壓力油可從比例溢流閥3 中流出。為了實現姿態調整,還必須實時控制推進壓力,此時可由壓力傳感器5 檢測液壓缸6 的推進壓力, 并將其轉換成電信號反饋到比例溢流閥3 的比例電磁鐵上,控制比例溢流閥3 的節流口開度。分組中的比例溢流閥3 、比例調速閥2 、壓力傳感器5 和位移傳感器7 一起構成壓力流量復合控制,可實時控制推進系統的推進壓力和推進速度,滿足盾構推進過程中隨時變化的推進壓力和推進速度的要求[3 ] 。

         多個液壓缸同時動作時,二位四通電磁換向閥10 斷電,主油路暫時斷開,待多個液壓缸控制信號到位后,再使二位四通電磁換向閥10 得電,主油路導通,從而使得多個液壓缸同時工作。

         推進液壓系統在主油路上采用恒壓變量泵實現壓力自適應控制,其控制框圖如圖2 所示。恒壓變量泵與6 個分組中的比例調速閥組成容積節流調速回路,變量泵根據比例調速閥的設定值自動適應系統需要的流量。6 個分組中的推進液壓缸壓力pA 、pB 、pC 、pD 、pE 、pF 通過壓力傳感器進入一個比較環節, 其最大值為驅動負載所需的最高壓力pmax 。在推進模式下,變量泵輸出壓力p =pmax +Δp ,其中,Δp 是保證比例調速閥穩定工作時所需的壓力差,該壓力差為設定值。變量泵的輸出壓力p 跟隨負載變化,壓力變化是階段性的。這種反饋控制一定程度上相當于壓力自適應, 可減少系統壓力損失,降低能耗[4 ] 。
 

圖2 推進液壓系統主油路壓力自適應控制框圖

2 推進液壓系統同步仿真分析造成推進系統中分組液壓缸不同步的原因有很多種,主要有以下幾個方面:

         (1) 由于流量增益和起始工作電流的不同以及線性工作區的差異, 某一開度時通過比例調速閥的流量不相等,從而導致液壓缸運動不同步。

         (2) 液壓缸負載不同。掘進過程中, 盾構刀盤開挖面的水土壓力都是隨機變化的, 因此各個分組中的液壓缸的負載大小也不同, 承載大的液壓缸較承載小的液壓缸運行慢。

         (3) 液壓缸的制造精誤差導致液壓缸運動副摩擦力的不同,安裝時運動副的配合間隙不同,使得運動副摩擦力也不相等。摩擦力大的液壓缸運行相對慢[5 ] 。

         目前常采用的液壓同步控制方法主要有兩種:一種是開環式的控制方法, 即用分流集流閥、同步缸、同步馬達等組成同步液壓回路,其特點是原理簡單、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控制系統,采用這種閉環控制方法時,“同等方式”和“主從方式”是通常采用的兩種控制策略, 采用這兩種控制策略有望獲得高精度的同步控制[6 ] 。仿真中采用主從式同步PID 控制, 控制對象選取左右對稱的2 號液壓缸和5 號液壓缸。把2 號液壓缸作為主液壓缸,5 號液壓缸作為從液壓缸。以2 號液壓缸的輸出為理想輸出,5 號液壓缸受到控制來跟蹤這一選定的理想輸出并達到同步驅動。

         模擬實際盾構推進過程中分組液壓缸所受負載以及內摩擦力不同, 仿真中把2 號液壓缸的黏性摩擦因數設為1 ×104 N/ (m ·s) , 負載中的彈簧剛度設為1 ×1010N/ m;把5 號液壓缸的黏性摩擦因數設為1 ×103 N/ (m ·s) , 負載中的彈簧剛度設為5 ×109N/ m。圖3 為采用AMESim 仿真軟件搭建的推進液壓系統多缸同步仿真模型圖。圖4 則為采用Simulink 構建的推進液壓系統多缸同步仿真控制模型圖。仿真時兩個液壓缸的調速輸入設為相同,把2 號液壓缸和5 號液壓缸的位移輸入到AMESim 的S 函數中,然后通過輸出接口在Simulink 中搭建控制模型進行仿真。仿真中把兩缸的位移差與設定值進行比較,所得的位移差信號反饋到5 號液壓缸的調速設定值上,進行補償來達到同步控制。

         圖5 和圖6 為2 號液壓缸和5 號液壓缸的壓力和速度仿真曲線圖。從圖5 可以看出,由于兩個液壓缸所受負載不同,2 號液壓缸所受壓力比5號液壓缸所受壓力約大2MPa 。仿真中設定的2號液壓缸的黏性摩擦因數比5 號液壓缸的黏性摩擦因數要大,反映在速度上應有所不同,受力大、黏性摩擦因數大的液壓缸速度要慢些。但從圖6可以看出,此時兩個液壓缸的速度基本相同,穩定后的速度均為36mm/ min , 這是采用主從同步PID 控制策略后速度補償的結果。

         圖7 和圖8 為兩個液壓缸的位移仿真曲線圖和位移差仿真曲線圖。由于2 號液壓缸的速度和5 號液壓缸的速度相同,因此兩個液壓缸的位移幾乎相等。從圖8 可以看出,兩個液壓缸的位移差只有01025mm ,完全滿足控制要求。