盾构电液控制系统实验平台液压系统设计与研究

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电液控制系统占据了盾构施工控制系统总数量的基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)：2012CB724308收稿 日期：2012-07-24作者简介：陈馈(1963-)，男，湖南新化人 ，工程师，学士，现从事盾构掘进技术研究。

[1213[14[15]161[17[18[19- 半以上，其控制性能的好坏直接影响到盾构施工的效率、安全等各个方面 -2]。目前，盾构电液控制技术的研究群体主要集 中在欧美和 日本等少数发达国家 ，如Herenkneeht、Wirth、Robbins、Kawasaki等，我国还处于引进、消化阶段p卅。盾构电液控制系统实验平台是开展盾构电液控制关键元器件测试和系统技术试验的重要车修来。马家莹.电厂锅炉灰渣气力输送系统设计及其效果[J.冶金动力，2006，(6)。

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37液压 气动 与密封/2013年 第 02期仪器设备，不仅可用于检测盾构电液控制系统的推进比例控制阀及其集成、刀盘驱动控制比例控制阀及其集成、管片拼装比例控制阀及其集成、同步注浆泵、液压泵/马达、液压缸等的性能，还可以进行关键液压控制元器件的寿命试验等。该实验台能够模拟不同掘进工况条件下推进系统、刀盘驱动、管片拼装和同步注浆等的功能实验，并可对各自的控制性能进行测试与评估。基于实验平台，可开展盾构掘进工作参数优化、系统控制规律、新型单元技术开发、电液控制系统故障再现和分析等研究工作。盾构电液控制系统实验平台对自主开发盾构电液控制技术、核心元器件和系统具有重要意义。

1 实验平台简介盾构电液控制系统实验平台主要 由液压控制系统 、数据采集及控制系统和控制系统软件三部分组成 ，为便于安装和固定各种被测元件及实现元件之问快速连接，该实验台采用平台式结构。实验平台配置了压力传感器、位移传感器、温度传感器、流量传感器等，能实现各种信号的实时采集。推力、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、以及液压系统状态等参数的实时监测、控制及数据分析可通过多点数据采集及处理系统来实现5。工控机和PLC组成的控制系统可将各参数的实际值与设定值进行比较，产生控制信号，与电液控制阀共同组成闭环控制系统。实验平台的液压系统主要包括：刀盘/管片拼装机/螺旋输送机负载模拟、驱动及控制系统；推进负载模拟、驱动及控制系统；多 自由度管片拼装定位控制系统等。

2 液压系统设计2.1 刀盘管拼装机 螺旋输送机负载模拟和驱动实验单元刀盘 管片拼装机螺旋输送机负载模拟和驱动实验系统采用闭式控制回路嘲，主要由驱动和负载模拟两部分组成，其液压原理如图 1所示。

驱动部分采用变量泵驱动变量马达形式，同时回路中包含比例方向流量阀，系统可以在泵控和阀控之问切换，以满足不同系统模拟实验要求。为满足不同系统负载模拟的要求，负载模拟部分由闭式系统和开式系统组成。各子系统具体工作方式如下：(1)刀盘驱动系统：当进行刀盘驱动模拟实验时，两位三通换 向阀 2和阀 l2电磁铁得 电.两位三通换 向阀4电磁铁失电，此时左侧驱动部分组成变量泵控马达系统，通过改变变量泵的排量可以改变刀盘转速，进行刀盘调速实验。在负载模拟部分中，刀盘的惯性负载主要是通过 实验台中的 固定惯性轮和 活动惯性轮模拟，液压泵 7用于对刀盘驱动部分进行加载，刀盘驱动马达通过减速机驱动液压泵 7，主要模拟盾构掘进时刀盘切削土体和克服摩擦的扭矩。在右侧负载模拟部分，两位三通换向阀 8和 11电磁铁失电，负载扭矩的控制可以通过比例溢流阀 10调整加载系统压力实现。另外，可以通过设定阀 10的输入信号控制加载扭矩形式.从而满足变载荷及不同负载条件下刀盘调速、系统节能及突变载荷适应性等实验要求。在加载泵和液压马达连接轴上装有力矩转速测试仪，可以实时检测马达输出扭矩。在整个实验过程中，两位三通阀 l3电磁铁得电，补油泵 l4同时向左右两个闭式回路进行补油。

(2)管片拼装系统：当进行管片拼装旋转 自由度驱动控制实验时，因为实际系统为阀控马达系统 ，所以各个阀的工作状态与刀盘实验中不同。首先，在左侧驱动系统 中.阀 2、阀 4和阀 12电磁铁失 电，液压泵和液压图 1 刀盘管拼装机旋转螺旋输送机驱动模拟实验系统液压原理简图Hvdraulics Pneumatics& Seals/No.02.201 3马达的输入信号为定值 (此时相当于定量泵和定量马达)，系统仍为闭式回路，马达转速和方向控制可以通过改变电液比例换向阀3的输入信号实现，该回路中在马达的进出油口均装有平衡阀，以保证马达在超越负载作用下管片定位的准确性和稳定性。在负载模拟部分.系统惯性负载仍通过惯性轮模拟 。由于管片拼装机承受的外负载与刀盘系统不同，因此右侧载荷模拟系统的工作方式与左侧不同。此时，阀 8和 11电磁铁均得电。使得加载系统变为开式回路，减压阀用于控制回路输入液压油的压力，通过改变减压阀的输入信号，可以模拟管片拼装机在不同转角下受到不同扭矩的实际工况，阀9用于改变载荷扭矩方向。由于负载回路为开式回路。阀 l3电磁铁失电.补油泵 l4仅向左侧驱动回路进行补油。

(3)螺旋输送系统：当进行螺旋输送机驱动控制实验时.两位三通换向阀 2和阀 12电磁铁得电，两位三通换向阀 4电磁铁失电，此时左侧驱动部分组成变量泵控马达系统.通过改变变量泵的排量可以改变螺旋输送机转速，进行调速实验。另外-种新型的螺旋输送机系统的闸门液压缸和马达为单泵供油，因此可以通过控制阀4得电或失电决定系统是否引入液压缸运动的干扰，当引人干扰时可以验证采用流量补偿控制策略的单泵供油系统的有效性，即能否消除液压缸运动扰动而准确的调整马达转速。负载回路各阀的工作状态与刀盘驱动实验时相同。

液压控制系统采用拈化设计，可以通过各阀工作状态的切换使系统能够模拟盾构刀盘 管拼装机旋转 螺旋输送机驱动实验，在保证实验符合盾构实际工作状态的条件下，最大程度上简化了实验系统结构，降低了成本。此外，拈化的另-方面意义是可以对系统中的某些拈进行替换 .以满足不同类型盾构系统测试的要求，具有可扩展性。

2-2 模拟推进控制系统针对推进控制技术和控制阀组测试的要求，图 2给出-组推进液压缸及控制阀组测试液压系统液压原理简图。如该图所示，推进液压缸与加载液压缸采用对顶配置I71：推进液压缸输出力和推进速度有两种控制模式：比例减压阀模式和比例溢流阀比例调速阀模式，可以通过两位三通换向阀实现两种不同控制模式的切换。因此，可以完成两种典型推进系统性能对比实验与两种推进模式切换扰动规律实验研究。整个系统中-共设有四组液压缸，采用每组液压缸压力与流量分别独立控制[81∩以对推进系统在不均匀负载条件下多缸同步控制性能进行研究。通过对各缸单独控制，可以实现模拟盾构姿态调整过程。另外每个推进液压缸活塞杆端装有力传感器，用于直接测量各个液压缸的负载；系统主油路装有流量传感器，可以实时监测泵的输出流量.以便获得压力-流量特性曲线。

州 髓 l画! I-图 2 推进模拟及多路阀测试单兀液压原理 图盾构的等效直径设定为 1700mm，推进力可由传统经验公式计算而得：2 2530x1.7l 532kN式中 经验系数，定义为单位面积上的等效作用力.范围为500～l2O0kN/m ；D--设计推进系统的等效直径。

假定系统压力为 31.5MPa，推进液压缸的内径为：D：、/ ：、/4x1532-123.97mm V4rp V 47rp根据液压缸标准.将缸径取为 125mm。当工作压力高于7MPa，活塞杆的直径为：d0.7D-0.7x12587.5mm，将液压缸活塞杆直径取为 90ram。

2.3 多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统用于模拟盾构管片拼装机液压缸运动控制的系统原理如图3所示。系统主要由两个竖直提升液压缸和- 个水平移动液压缸以及控制他们的比例方向阀组成。通过比例方向阀控制进入液压缸的流量以及方向可以实现液压缸运动速度和方向的控制，同时每个液压缸上均装有位移传感器，可以实时监测液压缸位移，将测得的位移信号反馈给控制器与比例方向阀共同完成液压缸位移的闭环控制。竖直提升回路中的平衡阀主要用于平衡管片的重力，以实现管片在垂直于主轴方向上的定位运动更加平稳；水平运动回路中装有液控单向阀，可以保证管片在水平方向上准确定位。系统由推进系统的变量泵提供液压油。