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摘要: 盾构是一种集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。推进系统是盾构的关键系统, 它主要承担着盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。采用电液比例控制技术设计了一种压力—流量复合控制的盾构推进液压系统, 详细阐述了其工作原理及系统组成。在盾构模拟试验台上对推进液压系统的推进压力和推进速度的控制进行了试验研究, 试验结果表明所设计的推进液压系统能实时控制推进压力和推进速度, 满足盾构在不同地质条件下的工作需要。
盾构是一种集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。在地质条件复杂、地下水位高、埋深大的土质地层及以土质为主的地质地层隧道施工中, 较好的施工方法就是采用盾构施工[1]。
推进系统是盾构的关键系统, 它主要承担着盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。
推进系统的控制目标是在克服盾构推进过程中遇到推进阻力的前提下, 根据所处的不同施工地层土质及其土压力的变化, 对推进速度及推进压力进行无级协调调节, 从而有效地控制地表沉降, 减少地表变形, 避免不必要的超挖和欠挖。国外盾构推进系统的控制技术一般来说都比较先进, 但对关键技术是保密的, 国内对引进的或自行开发的盾构推进系统的控制还有所争议, 一般以采用力控制系统为主,也有的以采用速度控制系统为主。但由于单一的压力控制会引起流量波动, 导致盾构推进速度不稳定;单一的流量控制又会引起压力振荡, 使得液压缸推进压力不一致, 从而加剧土体扰动, 增加地表变形[2, 3]。因此单一的压力控制或流量控制很难同时满足盾构在非线性变负载工况下对推进压力和推进速度的复合控制要求。基于此, 我们设计出了一种基于压力—流量复合控制的推进液压系统, 并对其进行了相关试验分析。
1 盾构推进液压系统设计
盾构的动力传递及控制系统具有传递功率大、负载多变、运动复杂、可靠性要求高、安装空间小及作业环境恶劣等特点。液压传动及控制系统固有的特点恰好能满足盾构的这种需求。
1.1 推进液压系统原理
盾构推进液压系统一般由主驱动泵、液压控制阀、推进液压缸及液压管路等组成。推进液压缸安装在密封仓隔板后部, 沿盾体周向均匀分布, 是推进系统的执行机构。推进系统由安放在盾尾的主驱动泵提供高压油, 通过各类液压阀的控制来实现各种功能。
盾构推进系统结构简图如图1 所示, 采用6 个液压缸作为推进系统的执行机构, 左右对称分布。每个液压缸均内置有一个磁致伸缩式位移传感器, 可实时测量液压缸的推进位移。 （图片） 推进液压系统在主油路上采用变量泵实现压力自适应控制; 对于6 个执行元件液压缸, 则模拟实际盾构的控制方式, 将其分为6 组, 进行分组控制。各个分组中的控制模块都相同, 均由比例溢流阀、比例调速阀、电磁换向阀、辅助阀及相关检测元件等组成。图2 为推进液压系统的工作原理简图。（图片） 盾构推进时, 二位四通电磁换向阀10 得电, 二位二通电磁换向阀1 断电, 系统经比例调速阀2 供油, 此时三位四通电磁换向阀9 切换到工作状态B位置, 液压缸6 的活塞杆向前运动。推进过程中, 液压缸6 中的内置式位移传感器7 实时检测推进位移, 转换成电信号反馈到比例调速阀2 的比例电磁铁上, 控制比例调速阀2 中节流口的开度, 从而实现推进速度的实时控制, 此时系统中多余的流量可从比例溢流阀3 中流出。为了实现姿态调整, 还必须实时控制推进压力, 此时可由压力传感器5 检测液压缸6 的推进压力, 转换成电信号反馈到比例溢流阀3 的比例电磁铁上, 控制比例溢流阀3 的节流口开度来实现。分组中的比例溢流阀3 和比例调速阀2与压力传感器5 和位移传感器7 一起构成压力—流量复合控制, 可实时控制推进系统的推进压力和推进速度, 满足盾构推进过程中随时变化的推进压力
和推进速度的要求[4]。
快速回退时, 二位二通电磁换向阀1 得电, 短路比例调速阀2, 系统采用大流量供油, 此时三位四通电磁换向阀9 切换到工作状态A 位置, 液压缸6 的活塞杆快速回退, 以满足管片拼装的要求。
液压锁8 与具有Y 型中位机能的三位四通电磁换向阀9 组合在一起成为锁紧回路, 中位停止时可很好地防止液压油的泄漏。液压缸回退时, 平衡阀4 能起到使运动平稳的作用。
多个液压缸同时动作时, 二位四通电磁换向阀10 断电, 主油路暂时断开, 待多个液压缸控制信号到位后, 再使二位四通电磁换向阀10 得电, 主油路导通, 从而使得多个液压缸同时工作。
1.2 推进液压系统泵站集成
根据液压动力泵站不同的结构形式和冷却方式, 推进液压系统采用风冷立式装配结构, 将风冷却器、电机和主驱动泵安装在油箱下方, 这样既有利于系统的散热, 又使泵站油箱单元结构紧凑, 节省了安装空间。图3 为推进液压系统泵站。考虑到推进系统中的6 个液压缸是左右对称分布的, 设计时采用集成阀块将分组中的控制液压阀集成在一起。各个分组的集成阀块就近分布, 安装在推进系统后端, 靠近液压缸无杆腔。图4 为推进液压系统各个分组的集成阀块分布图, 两侧6 个分组的集成阀块进出油管路通过分油阀块汇集成进油管路和回油管路连接回推进系统泵站。（图片） 2 推进控制试验分析
本次试验是在盾构模拟试验台上进行的, 该模拟试验台由一个直径为1.8 m 的盾构和一个长8.6m 的模拟土箱组成。盾构由推进液压系统驱动向前推进; 模拟土箱则采用囊袋加压的方法来模拟地下10 m 深处的掘进情况。试验时在黏土典型土质地层中推进的总距离为240 cm, 根据试验时间选取了80～140 cm 和140～240 cm 这两个区间段对推进压力和推进速度进行了相关试验分析。（图片） 图5 和图6 是调速时单个分组液压缸的推进速度和推进压力曲线图。试验是在推进距离80～140cm 这个区间进行的, 选择的是4 号液压缸, 试验刚开始时调节控制面板上的调速旋钮, 将推进速度调节到30 mm/min, 200 s 后继续逆时针方向调节速度旋钮, 将速度调节到42 mm/min。
（图片） 从图5 可知, 盾构推进速度从0 到30 mm/min的调节过程中, 速度有一个超调, 在10 s 左右速度最大达到40 mm/min。这是因为推进过程中前方负载为软土层土体, 若把土体假定为一个黏弹性系统的话, 其刚度和黏性都比较大, 这是影响推进速度的一个重要因素;另外盾构运动部分质量大, 惯性大,因此反应也稍慢些。在200 s 进行调速时, 推进速度由原来的速度30 mm/min 变为42 mm/min, 实现了速度的调节, 但由于诸多不可预见的影响因素, 推进速度还会在一定范围内波动。
图6为液压缸推进压力曲线图, 盾构开始掘进时压力比较大, 然后有一个减小再逐渐稳定的过程,这是由于盾构开始掘进时, 需要克服盾构前进的静摩擦力, 并且需要克服盾构运动部分的惯性, 开始掘进后, 系统只有动摩擦力, 这时盾构惯性系统的速度超过设定速度, 液压缸压力因此减小, 最终达到稳定。在200 s 进行推进速度调节时, 推进速度能很好地跟随调节信号运行, 然而此时推进压力出现波动,波动均值比调节前大, 这是由于推进速度要上升, 必须由液压缸提供更大的推力, 只有更大的推力, 才能提高盾构加速度, 使盾构速度增大, 当速度达到设定值后压力下降, 最终稳定在一定范围内。
图7 和图8 是调压时单个分组中液压缸的推进压力和推进速度曲线图。试验也是在推进距离80～140 cm 这个区间进行的, 选择的是3 号液压缸。试验刚开始时调节控制面板上的调压旋钮, 100 s 后开始进行调压试验, 根据加载情况将3 号液压缸的推进压力从4 MPa 调节到7.5 MPa。从图7 可以看出,推进系统在100 s 进行调压时, 压力有个超调, 大约在170 s 后推进压力逐渐达到稳定状态。在100 s 进行压力调节时, 推进压力基本上能跟随调节信号变化, 此时液压缸推进速度有个瞬间增大的过程。这是由于推进压力要上升, 必须由系统提供更大的流量,使推进系统加速度增大, 当压力达到设定值后推进速度逐渐下降, 最终稳定在某一小的范围内。（图片） 图9 和图10 是调压时两个左右对称分组中液压缸的推进压力和推进速度曲线图。试验是在推进距离140～240 cm 这个区间进行的, 选择的是2 号和5 号两个液压缸, 在50 s 开始进行调压试验。从图9 的推进压力试验曲线可以看出, 由于盾构响应速度比较慢, 推进压力大约在120 s 左右达到稳定状态; 另外由于模拟土箱内对囊袋加压不均, 刀盘开挖面正前方土体的应力水平也不同, 此时2 号缸的压力稳定在5.5 MPa 左右, 而5 号缸的压力则稳定在6.5 MPa 左右。从图10 的推进速度试验曲线可以看出, 系统进行压力调节时, 液压缸的推进速度波动并不大, 依然保持原有设定速度推进。
3 结论
采用电液比例控制技术设计的压力—流量复合控制的盾构推进液压系统是可靠的, 能够满足盾构掘进时的工作需要。
根据盾构掘进要求, 采用压力—流量复合控制策略可以很好地控制推进系统的推进压力和推进速度。对推进速度进行调节时, 推进速度能根据调节信号很好地进行变化, 而推进压力没有受到影响; 反之, 对推进压力进行调节时, 推进压力也能根据调节信号很好地进行变化, 而推进速度没有多大波动。
参考文献
[1] 杨华勇, 龚国芳. 盾构掘进机及其液压技术的应用[J]. 液压气动与密封, 2004( 1) : 27- 29.
[2] 刘东亮. 电液比例技术在盾构推进系统中的应用[J].建筑机械, 2005(8): 93- 95.
[3] 阳军生, 刘宝琛. 城市隧道施工引起地表移动及变形[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.
[4] 胡国良, 龚国芳, 杨华勇, 等. 盾构掘进机推进液压系统压力流量复合控制分析[J]. 煤炭学报, 2006, 31(1):125- 128.
7/15/2009
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