模拟盾构试验平台推进电液控制系统的研究

　　1　前言

　　盾构掘进机是集电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体的、专用于地下隧道工程开挖的大型高科技综合施工设备。盾构掘进机适用范围广,从软土、淤泥到硬岩都可应用,开挖速度快,施工质量高,人员劳动强度小,安全性高,可控制地面沉降,施工时不影响面上建筑和交通,与传统的隧道施工方法相比,具有明显的优势[1]。

　　作为一种特殊的超大型工程机械,盾构掘进机需要针对不同隧道的地质条件进行专门设计。而我国幅员辽阔,地质情况复杂,即使采用进口盾构也急需研究适用的电液系统设计理论和方法。

　　模拟盾构可以模拟不同地层地质条件下的掘进试验。其中,推进系统在整个模拟盾构当中承担着盾构机械的顶进任务。受系统时变非线性、运行工况和大量不确定环境因素的影响,确保模拟盾构推进系统的协调动作,能够让盾构掘进机保持合适的姿态,并使其沿着设计路线方向准确向前推进,是模拟试验平台的一个关键[2]。本文主要讨论模拟盾构试验平台推进系统的液压、电气结构设计以及系统的复合控制。

　　2　液压系统设计

　　模拟盾构的推进动力传递和控制系统具有大功率、变负载、空间狭窄、环境恶劣等特点,一般都采用液压系统,由推进液压缸、液压泵、液压阀件及液压管路等组成[3]。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,由设在模拟盾构后部的液压泵提供高压油,通过各类液压阀的控制实现各种功能。

　　模拟盾构掘进机采用6个液压缸作为推进液压系统的执行机构,轴向对称分布,模拟实际盾构6个分区。每个液压缸内置有一个磁致伸缩式位移传感器,测量该区液压缸行程,各个区的液压缸压力根据需要可以调节,改变液压缸的速度和行程来达到控制盾构的掘进方向。其主油路原理图如图1所示。

　　推进液压系统采用变量泵2实现负载传感功能,主油路上设置了一个二位四通换向阀7,可使每个分组液压缸在推进时先切换其三位四通电磁换向阀,从而保证其同步推进,并使整个系统具有单个液压缸分别退回的功能。

　　对于每个独立分组,根据其内置式的位移传感器以及压力传感器实时检测推进压力及位移,采用节流控制方式,来调节比例溢流阀和比例调速阀,以调整盾构掘进机的推进速度和推进压力,从而提高系统的控制精度和动态响应。推进液压系统分组工作原理如图2所示。

　　当三位四通电磁换向阀4处于a位置,此时进油路上的二位二通换向阀1导通,短路比例调速阀2,系统向液压缸有杆腔大量供油,从而使推进液压缸快速推回。液压锁5与具有Y型中位机能的三位四通电磁换向阀4组成在一起成为锁紧回路,可保证在停止时推进油缸能很好地锁定,并防止泄漏。液压缸单独退回时,平衡阀6能起到运动平稳的作用。