盾构推进系统同步控制仿真与试验研究

　　盾构是一种集机械、电气、液压、测量、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[ 1 ] 。

　　推进系统是盾构的关键组成部分,主要承担着整个盾构的顶进任务。它应能完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等。

　　目前,国外先进的盾构推进系统一般采用分组分区控制,每一区由6～10 个液压缸组成,通过协调每区的推进压力和推进速度对盾构姿态和方向进行控制,但对同步协调控制很少涉及[2 ] 。由于盾构工作的特殊性,盾构刀盘开挖面前方的负载经常发生变化,在直线推进的情况下,如果不采取必要的同步措施,推进过程中盾构将偏离设定的轨迹,引起不必要的超挖或欠挖,甚至会造成盾构设备失效或损坏。因此在变负载情况下,盾构这种多缸机构设备的同步控制十分重要。基于此,本文在所设计的推进液压系统基础上,对其同步协调控制进行相关仿真和试验分析。

　　1 推进液压系统的工作原理

　　盾构推进液压系统的特点是变负载、大功率、小流量。本系统中,执行元件由左右对称的6 个液压缸组成,用以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,可完成全推进、单个前进或后退、双个前进或后退等动作。图1 为推进液压系统的工作原理简图。

　　1. 二位二通电磁换向阀 2. 比例调速阀 3. 比例溢流阀 4. 平衡阀 5. 压力传感器 6. 液压缸 7. 位移传感器 8. 液压锁 9. 三位四通电磁换向阀 10. 二位四通电磁换向阀

　　图1 推进液压系统工作原理简图

盾构推进时,二位二通电磁换向阀1 断电,系统压力油经比例调速阀2 流出,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,此时系统中多余的压力油可从比例溢流阀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, 并将其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。分组中的比例溢流阀3 、比例调速阀2 、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[3 ] 。