基于AMESIM的EPB盾构刀盘液压驱动系统的仿真研究

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EPB盾构机是-种隧道掘进的专用工程机械，具有开挖切削土体 、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，现已广泛应用 于地铁、铁路、市政、水 电隧道 工程 。刀盘驱动是盾构机能耗最大的动力系统 ，目前国内外盾构机刀盘驱动方式主要有 3种 ：变频电动机驱动、液压驱动、定速电动机驱动。液压驱动较其他俩种方式具有功率密度高、驱动部件尺寸孝占用空间少 ，同时还具备启动力矩孝同步性强、操作可靠等优势，加上电子计算机控制技术的快速发展，液压驱动已越来越成为各型盾构机的首选方式。

本文首先介绍 6.4 in土压平衡盾构机刀盘液压驱动工作原理，并在 AMEsim环境下利用 Signal，Control，Me-chanical，Hydraulic，Hydraulic Component Design拈 ，以EPB土压平衡盾构机刀盘液压驱动系统为对象，建立整个系统的简化模型，用实际参数对刀盘驱动调速性能和在负载波动情况下进行动态仿真分析，分析结果。

1 刀盘驱动液压系统工作原理刀盘驱动液压系统由 3个大功率液控双向比例变量泵和 8个变量液压马达组成的闭式容积调速系统，系统主要由变量泵回路、马达回路、补油回路、恒功率控制回路 、制动回路等组成。主回路中选用德国 Rexrot公司的A4VSG750HD1/22R轴向变量柱塞泵和 A6VM500HAIT/63W 的无极变速高压液控变量马达，补油系统 中采用SNS940ER46型定量螺杆泵 ，对主回路进行补油置换 出热油并对变量泵壳冲洗降温，采用A10VO28DFLR 1/31R伺服变量泵和可调节的调速阀对主泵提供先导控制油。

系统采用多泵集中液控的方式，在控制回路中当压力为达到功率限制阀的开启压力时调节比例溢流阀调节控制压力从而调节主变量泵的排量 ，当电控溢流阀达到极限后，功率限制阀起作用，对3个主变量泵实现恒功率控制；通过压力阀和 2位 3通换向阀可以改变变量马达的排量，实现对刀盘转速的高、低两档控制，不过刀盘 的转速主要还是通过改变变量泵的排量来实现；泵控拈中在功率限制阀两控制 口压力并联连接压力顺序阀、减压阀，通过手动换向阀可以设置高低档不同的安全压力，此压力即为高低两档时的脱困压力。图 1所示为刀盘液压驱动系统原理图。

作者简介：张魏友(1988-)，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为机械制造及其 自动化。

· 112· htp：/ZZHD.chinouma1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与 自动化》· 信息技术 · 张魏友，等 ·基于AMESIM的 EPB盾构刀盘液压驱动系统的仿真研究2 刀盘驱动液压系统AMEsim建模AMESim在自身的单-平台上可以实现多学科领域的系统工程的建模和仿真，比如机械、液压、电动机等物理领域 。AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计。基本元素的概念，即从所有模型中提取出的构成工程系统的最小单元使得用户可以在模型中描述所有系统和零部件的功能，而不需要书写任何程序代码。现具有的应用库有：机械库、信号控制库、液压库、液压元件设计库(HCD)、动力传动库等等 J。

在不影响分析刀盘液压驱动系统动态特性的前提下，为了简化建模和分析，现对系统进行几个方面假设，并利用 AMESim元件库中成熟液压拈来建立仿真模型，1)所有连接管路都认定为短且粗，不考虑管道内部的压损；2)油液温度与油液体积模量都认为常数；3)系统假定处在粘性土壤施工条件下，马达为满排量。刀盘驱动系统仿真模型见图 4，部分元件仿真参数如表 1所示。

图4 刀盘液压驱动系统AMESIM 仿真模型表 1 刀盘液压驱动部分仿真参数3 仿真分析3.1 刀盘驱动负载特性EPB盾构施工作业时，由于地形条件复杂多变，刀盘所受负载变化很大，具有很大的非线性 ，因此需要刀盘液压系统输出的扭矩能够实时跟随负载的变化，做到动态响应稳、准、快。

以刀盘在粘性土壤中作业进行仿真，设定刀盘在初始时给定-个大小为 1 500 kN.m的阶跃负载，持续 10 S后 ，负载升至 3 000 kN.In，持续 20 s，在 30-40 S内保持2 100 kN·in不变，则液压系统输 出扭矩及其系统压力曲线如图5，图6所示。

· 114 ·×106 l--粘土层刀盘扭矩[N·m]t/s图 5 粘土层刀盘扭矩图 6 系统压力曲线从图中可知，刀盘扭矩在各压力值下，液压系统压力具有很好的跟随性，能够实时随着负载的变化而变化。

3.2 刀盘调速特性刀盘液压驱动系统采用变量泵变量马达闭环传动方式 ，可以通过改变泵和马达的排量来调节刀盘的转速 ，在黏土中施工作业时系统处于低速大扭矩档，马达为满排量( 500 cc/r)，泵的排量主要由电磁比例溢流阀和功率限制阀共 同决定。低速大扭矩档刀盘转速在 0-2.762 r/min之间无极调节。比例变量泵的电磁溢流 阀的调节信号如图7所示。

htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.CD E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.cn《机械制造与自动化》6 4 2 O 8 6 4 2 O O 5 O 5 0 3 2 2 1 1 · 信息技术 · 张魏友，等 ·基于 AMESIM的 EPB盾构刀盘液压驱动 系统的仿真研究1.OHDO.80O.60O.40O200.00 // I--调速信号百分比r/s图 7 电磁溢流阀调速信号百分比0-30 s，控制信号线性升至最大，相应控制电流为0-200 mA，30-40 s保持最大不变。负载最大动态库伦摩擦力矩设定最大值为 5×10。N·m，分别将负载信号设置为0.2，0.4，0.6，0.8，1，也即负载力矩稳态值为 1×10 N·m，2×10。N ·m，3x10。N ·m，4×10。N ·m，5×10。N ·m，负载扰动值采用 PRBS2模拟，随机值范围为 0～1，最大扰动值为 4×10 N·m。仿真时间设置为 40 s，采样间隔为 0.1 s。

仿真结束绘制刀盘扭矩曲线、各种扭矩下刀盘转速特性曲线、及系统功率曲线如图 8-图 10所示。

t/s图8 刀盘负载曲线- - 刀盘扭矩nIrpm- - 刀盘扭矩n2[rpm]- - L I - - - - 刀盘扭矩n3[rpm1- - 刀盘扭矩n4rpm! -- - / . - - - - - - -： l --。-。---。--。

lll - - IlI图 1O 系统功率曲线从图 9仿真曲线可以知道，在未达到功率限制阀的调定压力时，功率限制阀不起作用，刀盘转速能按照调节信号比例变化，当系统压力达到功率控制阀设定压力时，控制油从功率控制阀处卸油，控制油压降低 ，负载恒定时排量恒定 ，刀盘转速也不发生改变。图 1O液压系统功率曲线显示功率适应性好，系统轻载时，所耗功率小 ；系统重载时，所耗功率大。具有很好的节能意义。

4 结语通过对 EPB盾构刀盘液压驱动系统的仿真分析，可以得知仿真结果与实际工程施工现象基本吻合 ，在低速大扭矩工况下 ，刀盘转速在 0-2.762 r/min之间，符合设计要求，满足工程施工的需要；刀盘转速与电磁溢流阀调控信号成线性比例关系，当达到功率限制阀设定压力时，将保持恒功率不变；采用功率限制阀集中控制的变量泵变量马达闭环容积调速系统根据不同的地质环境需要提供适当的功率，比较于阀控型方式具有很好的节能效益。