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盾構推進液壓系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)控制仿真分析
胡國良
摘要: 設計了一種基于壓力流量復合控制的盾構推進液壓系統(tǒng)。采用AMESIM和MATLAB仿真軟件對推進液壓系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)控制進行了仿真比較分析。仿真結果表明采用主從式同步控制策略能夠達到很好的同步效果, 同步精度達到±1mm,為實際盾構同步推進提供了參考依據(jù)
關鍵詞: 盾構；推進液壓系統(tǒng)；同步控制；仿真。
盾構是一種集機械、電器、液壓、測量和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重大工程裝備。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點, 與傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工相比更具有明顯的優(yōu)勢, 尤其在地質(zhì)條件復雜、地下水位高而隧道埋深較大時, 只能依賴盾構。推進系統(tǒng)是盾構的關鍵系統(tǒng)之一, 主要承擔著整個盾構的頂進任務, 要求完成盾構的轉(zhuǎn)彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運動等。推進系統(tǒng)的控制目標是在克服盾構推進過程中遇到的推進阻力的前提下, 根據(jù)掘進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速度及推進壓力進行無級協(xié)調(diào)調(diào)節(jié), 使得盾構在掘進過程中盡可能達到同步推進, 避免不必要的超挖和欠挖。為
了達到控制要求, 推進液壓系統(tǒng)要求能夠在非線性變負載工況下實現(xiàn)壓力和流量的實時控制, 并要求具有高的可靠性。基于此, 本文對推進液壓系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制作了相關仿真分析研究。
1 推進液壓系統(tǒng)集成設計
盾構推進液壓系統(tǒng)比較復雜, 屬于變負載、大功率、小流量的應用場合。本系統(tǒng)在主油路上采用變量泵實現(xiàn)負載敏感控制; 對于6個執(zhí)行元件液壓缸, 將其分為6組, 進行分組控制, 以完成全推進、單個前進或后退、雙個前進或后退等動作。各個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、輔助閥及相關檢測元件等組成。圖1為推進液壓系統(tǒng)單個分組的工作原理圖。盾構推進時,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 的活塞桿向前運動。推進過程中, 液壓缸6 中的內(nèi)置式位移傳感器7 實時檢測推進位移, 轉(zhuǎn)換成電信號反饋到比例調(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, 從而實現(xiàn)推進速度的實時控制, 此時系統(tǒng)中多余的流量可從比例溢流閥3中流出。為了實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)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, 轉(zhuǎn)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(jié)流口開度來實現(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7一起構成壓力流量復合控制, 可實時控制推進系統(tǒng)的推進速度和推進壓力。
快速回退時, 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。
各個分組中, 液壓鎖8 與具有Y型中位機能的三位四通電磁換向閥9組成在一起成為鎖緊回路, 中位停止時可很好的防止液壓油的泄漏。液壓缸退回時, 平衡閥4能起到運動平穩(wěn)的作用。
2 推進液壓系統(tǒng)多缸仿真分析
多缸機構的同步運動十分重要, 特別是在變負載的盾構設備中顯得更為突出。由于盾構工作的特殊性, 盾構刀盤開挖面前方的負載經(jīng)常發(fā)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道, 引起不必要的超挖或欠挖, 甚至會造成盾構設備性能低劣、失效或損壞。
造成推進系統(tǒng)中各個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, 使得在某一開度時流過比例調(diào)速閥的流量不相等, 從而導致液壓缸運動時不同步。
(2) 液壓缸承受負載不同, 掘進過程中盾構刀盤工作面的水土壓力都是隨機變化的, 因此各個分組中的液壓缸承受的負載大小也不同, 承載大的液壓缸較承載小的液壓缸運行慢。
(3) 液壓缸的制造精度有誤差, 導致液壓缸運動副摩擦力也不同; 另外, 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。
(4) 液壓系統(tǒng)安裝時油管長度和彎頭數(shù)目的不同也會造成液壓缸沿程阻力不相等; 此外, 長時間運行也會使得液壓缸的工作特性發(fā)生變化, 這些因素也會導致各個分組中的液壓缸推進時不同步[ 5 - 6 ]?；诖? 首先對沒有采取同步控制措施的左右對稱的2#和5#推進液壓缸進行仿真分析。模擬實際推進過程中分區(qū)液壓缸所受負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)設為1 ×104N /m / s, 負載中的彈簧剛度設為1 ×1010 N /m;而5#液壓缸的粘性摩擦系數(shù)則設為1 ×103N /m / s, 負載中的彈簧剛度設為5 ×109N /m。圖2為采用AMESim仿真軟件搭建的推進液壓系統(tǒng)多缸仿真模型圖。
圖2 推進液壓系統(tǒng)多缸仿真模型
仿真時兩個液壓缸的調(diào)速輸入設為相同。圖3和圖4為兩個左右對稱液壓缸的推進壓力和推進速度仿真圖。從圖中可以看出, 由于兩個液壓缸所受負載不同, 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)大的液壓缸推進速度要慢些,從圖4推進速度仿真曲線可以看出, 此時2#缸穩(wěn)定后的推進速度為36mm /min, 而5#缸穩(wěn)定后的推進速度約為39mm /min。
圖5和圖6為兩個液壓缸的位移仿真曲線和位移差仿真曲線圖。由于2#液壓缸的推進速度比5#液壓缸的推進速度要小, 隨著時間的增大, 兩個液壓缸的位移差也越來越大。從圖6可以看出, 在推進時間到達50 s時, 兩個液壓缸的推進位移差達到215mm。也就是說, 每推進1min, 就有約3mm的誤差, 這樣很容易導致實際掘進過程中盾構偏離預先設定的軌線,因此有必要采取同步控制策略。
3 推進液壓系統(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(huán)控制系統(tǒng), 采用這種閉環(huán)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到同步驅(qū)動。
圖7為推進液壓系統(tǒng)多缸同步仿真AMESim 模型, 圖8則為采用Simulink構建的推進液壓系統(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相同, 并且兩個液壓缸的調(diào)速輸入均相同。由于設定中所受負載以及液壓缸的粘性摩擦系數(shù)不同, 導致推進過程中液壓缸的推進速度和推進位移不同。此時, 把2# 和5# 兩個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中搭建控制模型進行仿真。仿真中把兩缸的位移差與設定的位移進行比較, 所得的位移差信號反饋到調(diào)速設定值上, 進行補償來達到同步控制。
圖9和圖10為采用同步控制的液壓缸推進壓力和推進速度仿真曲線圖。從圖中可以看出, 兩個液壓缸所受壓力與圖3沒有采用同步控制措施的推進壓力曲線相比, 兩者沒有發(fā)生變化。但從圖10可以看出,此時主從兩個液壓缸的推進速度基本重合, 穩(wěn)定后的推進速度均為36mm /min。
圖11和圖12為兩個液壓缸的位移仿真曲線和位移差仿真曲線圖。由于2#液壓缸的推進速度和5#液壓缸的推進速度相同, 因此兩個液壓缸的推進位移很接近。從圖12可以看出, 兩個液壓缸的推進位移差只有01025mm, 完全滿足控制要求。
4 結論
本文對推進液壓系統(tǒng)的多缸推進進行了仿真分析, 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果。仿真結果表明采用主從式同步控制策略能較好地實現(xiàn)推進系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)運動, 液壓缸的同步精度可控制在±1mm之間, 為實際盾構同步推進提供了參考依據(jù)。