隧道管片拼装机变负载拼装技术探讨

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随着城市交通压力的增大，城市地下工程飞速发展 ，盾构机作为地铁施工的主要工程机械，其效率直接影响施T进度。减少管片机的拼装故障和提高管片拼装机的性能也是缩短施工工期的主要因素。影响管片机性能的主要环节是旋转机构，如图1所示。

图 1 管片拼装机结构 图旋转机构要求实现管片机旋转的精、准、快。由于管片机在抓取管片后在旋转过程中的负载是实时变化，其负载变化如图2所示。

管片拼装机旋转过程的负载扭矩T GR l sinal式中，G为管片的等效重量；R为片拼装机的等效回转半径；为管片拼装机的旋转角度。

当管片拼装机向上旋转时产生-个向下的扭矩，当管片拼装机向下旋转时扭矩的方向还是向下，管片拼装机的液压马达必须要平衡负向负载，因此在管片拼装机旋转液压马达油路上安装平衡阀，其原理如图3所示。由于液压平衡阀的性能与液压马达之问的匹收稿 日期：2013-叭-13作者简介：张志国(1978 )，男，工程师。研究方向为工程机械设计制浩配问题，经常会造成管片拼装机在旋转过程中出现抖动现象，这主要与平衡阀的性能有直接的关系。本文探索如何合理匹配平衡阀。

乞 -. 9020.0a R ：。旋 - ； 矗。 . ，u 转埔艘F t图2 管片拼装机旋转负载变化 - 叶 ， ， )-Al Bl 2、 、 ； i- A B图3 拼装机液压旋转原理l 基于AMESim的仿真模型AMESim是法国IMAGING公司推出的-种高级系统建模、仿真、及动态性能分析的软件，它提供了-个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在-个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。通过AMESim中的机械、控制、液压应用库、HCD库中液压元件模型库作2013年5月 张志国，等：隧道管片拼装机变负载拼装技术探讨 第 51页为构建的基础，建立土压平衡盾构机的管片拼装机的旋转部分液压回路的AMESim模型，如图4所示。基于仿真模型，分析研究管片机旋转平衡阀的先导节流孑L对平衡阀在变负载时稳定性的影响。

仿真模型中的主要参数设置如下：油液密度为890 kg/m ，油液的运动粘度40 mm/s，油液体积弹性模量为 1 000 MPa；泵的排量为 50 mL/r，电动机的转速为 l 500 r/min，溢流阀的压为20 MPa；液压马达排量为80 mL/r，减速机的减速比150。改变单向节流阀的阻尼孔的大小验证管片机旋转过程中的转速稳定性。

4l-电机；2.液压泵；3-溢流阀；4-平衡阀主阀芯；5-单向节流阀6-液压马达；7-减速机 ；8-负载信号；9-换向阀图4 拼装机液压旋转仿真模型2 仿真模型的验证及结果分析仿真开始设定仿真的步长为0.001 S，仿真的时间为4 S。给定电磁换向阀的比例电流信号 ，如图5所示。这样相当于实际操作过程中操作管片拼装机的无线邑器的摇杆，现场操作过程中电流在0 s～1 S内从零升到最大，之后稳定旋转。首先设定单向节流阀的阻尼为 1 mm的节流孑L进行仿真，仿真结果如图6所示。从结果可以看出，在管片机起动过程中出现转速的不稳定性，最终造成的结果是管片机的频繁抖动，这主要是由于管片机在旋转过程中负载是随着旋转角度的变化而变化，这样液压系统的压力波动对平衡阀的稳定造成破坏，平衡阀的主阀芯在不断地调整阀芯的开度，从而引起流量的不断波动，这主要是阀芯对负载的响应速度过快造成的。

如何改变平衡阀的频率响应是解决波动问题的关键，改变响应的速度就要改变平衡阀先导 口节流孔的大小，增减节流孔的阻尼，降低频率响应。改变仿真模型中单向节流阀的节流孔的大小为0.7 mm，仿真结果如图7所示。从图7中可以看出，减汹流孔后，管片拼装机在启动和平稳运行过程中转速波动较小，基本上消除了启动低频波动的现象。

从以上的仿真模型的仿真结果可以得知：平衡阀的先导部分的的节流孔对平衡阀的稳定性影响非常大，先导阻尼孑L太大，平衡阀的稳定性变差，微小的压力或负载波动就会造成平衡阀流量的不稳定，影响平衡阀的性能；先导阻尼孔太小平衡阀的响应时间加长，平衡阀性能变坏，甚至将难起平衡作用。因此在选取平衡阀先导节流孔时既不能太大也不能太小 ，根据平衡阀的基本特性-般选取在0.6 mm左右的节流孔作为平衡阀的先导阻尼孔。

O- 1曲 2蜒 -3-4. 5- 6时I、n]/s图5 换向阀的输入信号O/ 厂- --～～～--～。· -T - - 百- 百- 0时间/s图6 平衡阀的节流孔直径为 1 mm时的转速的曲线图时间/sO图7平衡阀的节流子L直径为0.7 mm时的转速曲线图3 实验验证结果根据仿真结果分析，实际现场采用-系列不同大小的节流塞进行调换，调换后进行管片拼装测试。现场-共更换了6组不同直径的节流塞，实验结果如表1所示第52页 溢体钴幼 揎纠 2013年第3期根据实验结果最终选定0.8 mil的节流孔，因为节流孔过小对油液的清洁度要求较高，在满足使用要求的同时尽量选融流孔较大的阻尼孔作为先导阻尼，防止在使用过程中出现先导口的堵塞问题。

表 1 实验数据及结果衡管片拼装的旋转回路建模仿真，为生产中-些关键参数的设定提供参考依据 ，以便于理论指导生产 ，生产实验验证理论的正确性。由仿真结果可知，平衡阀先导阻尼孔的大小影响马达变负载旋转过程的稳定性，阻尼孔过大或者过小都会在使用过程中出现问题，合理的选择阻尼对于平衡阀的稳定性非常重要，否则就会出现平衡阀流量的波动，表现在管片机上就是旋转的抖动现象。