一种盾构推进系统模拟平台设计与研究

冯欢欢，陈馈，龚国芳，李凤远，王助锋

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州450001;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310027)

掘进方向的精确控制是盾构顺利施工的前提，而地质条件的多变性，经常易引起盾构掘进姿态发生变化［1－2］。盾构液压推进系统通过多组液压缸的协调推进，来实现对盾构掘进姿态和隧道轴线的控制，其控制性能的好坏直接影响隧道成型质量，因此研究盾构液压推进系统的控制特性是掌握盾构施工技术的必要前提［3－5］。2004 年，庄欠伟等［6］论述了盾构推进液压缸采用分组控制的可行性，并指出可采用负载传感控制技术以达到节能目的。2006年，孙继亮［7］运用MATLAB工具对盾构液压推进控制系统进行了仿真研究，得出采用分组联合控制技术能实现对盾构掘进姿态的良好控制。同年，杨扬等人［8］引入模糊自整定PID的复合控制方法，设计了模拟盾构试验平台推进液压系统，仿真结果表明其控制性能达到了模拟试验对推进系统的要求。2008年，施虎等人［9］将压力流量复合控制技术引入盾构液压推进系统中，并通过仿真分析和实验研究验证了其可行性。研制盾构液压推进系统实验平台能够为研究盾构推进系统提供可靠的技术支撑。

1 机械结构设计

盾构推进系统模拟平台 (图1)中一共设有4组液压缸，采用每组液压缸压力与流量分别独立控制，可以实现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。加载液压缸的高压腔压力通过比例溢流阀调节，因此推进液压缸的负载可以通过改变加载回路比例溢流阀的输入信号实时调整。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，该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。

图1 推进模拟单元结构示意图

2 控制方案设计

针对推进系统控制要求，采用压力流量复合控制技术，来实现对4组液压缸压力与流量的单独控制，在保证控制性能的基础上，精简了液压系统。图2给出一组推进液压缸及负载液压缸的液压控制原理简图。

图2 推进模拟系统单组液压原理图

如图2所示，推进液压缸20与加载液压缸23采用对顶配置，通过调节溢流阀25来模拟推进系统外负载，推进缸通过克服负载缸所施加载荷来模拟实际盾构液压推进系统的工作过程。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12实现两种不同控制模式的切换，可以完成两种典型推进系统性能对比试验与两种推进模式切换扰动规律试验研究，克服了以往只能模拟单一控制模式的不足。另外，实验平台还能开展推进系统负载顺应性实验、不同负载及变负载条件下推进液压缸同步协调推进实验、盾构推进系统姿态调整实验等。

3 液压系统设计

推进液压系统主要设计参数如表1所示。

表1 推进液压系统主要设计参数表

3.1 确定推进载荷

设计土压平衡盾构机时，需要计算盾构掘进机推进力，目前采用较广泛的是基于施工经验的估算公式。则该盾构样机的设计推进力为:

式中:β为根据施工经验获得的系数，可看作是单位面积上的等效作用力，其取值范围取500～1 200 kN/m2;

D为该模拟盾构样机外径，1.7 m。

3.2 液压缸选型设计

盾构推进系统模拟平台采用4个推进液压缸，取系统工作压力为31.5 MPa，则推进液压缸缸筒内径为:

则根据液压缸标准，将直径圆整为125 mm。活塞杆直径根据受力情况和工作压力选取。因系统工作压力p＞7 MPa，则可取d=0.7D，因此:

圆整后取d=90 mm。

推进液压缸的规格为φ125/90～1 200 mm，加载液压缸与推进液压缸采用同样规格。为了进行模拟盾构姿态调整试验，在空间共布置4个推进液压缸。选用某厂GHF1系列高压液压缸，型号为GHF-125/90，该液压缸内置位移传感器。

3.3 液压泵选型设计

考虑系统的先进性和可扩展性，系统的最大推进速度设定为0～200 mm/min，则4个液压缸所需最大流量为:

考虑比例溢流阀稳定工作流量为qr=1 L/min，则泵的输出流量为:

考虑到实验台后期功能的扩展需求 (盾构比例溢流阀、推进阀块性能测试等)，系统流量应根据盾构实际工况适当增加。实际盾构单个推进阀块通常控制一组液压缸，每组通常包含6～10个推进液压缸，液压缸直径为200 mm偏上，即进行阀块测试时所需的流量为:

考虑比例溢流阀稳定工作流量为qr=5 L/min，则泵的输出流量为:

因此，为同时兼顾推进模拟实验和后期扩展阀块测试模块，主油路选用变量泵，泵的排量为:

式中:ηv为泵容积效率。

根据系统的最大工作压力和所需排量，以及系统的工作特性要求，选用某厂A7V系列电控变量泵(原理图见图3)，型号为A7V55EP1LZFOO(带压力切断，单独订购底板和顺序阀)，该系列泵的额定压力为35 MPa，最高压力40 MPa。

图3 变量泵液压原理图

选用该变量泵的主要目的是为了满足推进系统模拟与姿态调整试验和阀块测试试验不同流量的需求。该泵除了实现压力控制功能外，借助于负载 (如节流孔)上的压差改变泵的流量，仅提供执行机构所需的实际流量，实现负载敏感控制。推进模拟及阀块测试系统可实际提供最大流量为:

从而可以满足各型号盾构推进系统阀块测试要求。

3.4 电机选型

取系统正常推进时的工作压力为p=31.5 MPa，最大输出流量为78.4 L/min，则泵的实际输出功率为:

电机的输出功率为:

式中:ηm为泵的机械效率，取0.95;ηv为泵的容积效率，取0.95。

因此选用额定功率为45 kW电机，选用WEG公司三相异步电机，额定转速为1 475 r/min，225S/M。

4 实验验证

按照设计方案完成了盾构推进系统模拟平台(图4)的制造，实验台控制系统使用LabVIEW2010编程语言编制，具有友好的人机操作界面，能实现对系统的实时控制，同时能对仪器的测试数据进行自动采集。

图4 盾构推进系统模拟平台

为验证设计方案的合理性和实验台的控制性能，以下从最大推进速度、最大回退速度、最大推进力、液压缸同步性能4个方面展开实验研究，得到关系曲线如图5所示。

图5 实验关系曲线

由图5得出，盾构推进系统模拟平台的最大推进速度、最大回退速度及最大推进力分别达到了4.7 mm/s、7.1 mm/s、1 600 kN，满足了预期的设计要求，且系统具有良好的动态响应特性。同时，在均匀载荷作用条件下，4个液压缸的推进速度之间存在一定的误差，但在预期范围内。

5 结论

设计了一种盾构推进系统模拟实验平台，通过实验验证了设计方案的正确性和实验台控制性能的可靠性，整体上达到了预期目标。虽然液压缸同步推进时，各自之间的速度存在一定误差，但通过引进PID闭环控制技术、模糊控制技术及其他先进控制策略可进一步减小速度误差，进而提高液压缸协调同步推进性能。

【1】陈馈，洪开荣，吴学松．盾构施工技术［M］．北京:人民交通出版社，2009．

【2】侯典清，龚国芳，施虎，等．盾构推进系统突变载荷顺应特性研究［J］．浙江大学学报:工学版，2013(3):1－6．

【3】房猛．盾构推进机构电液控制系统的研究［D］．杭州:浙江大学，2003．

【4】龚国芳，胡国良，杨华勇．盾构推进液压系统控制分析［J］．中国机械工程，2007(12):1391 －1395．

【5】冯欢欢．盾构实验台液压推进系统的设计与控制理论研究［D］．成都:西南交通大学，2012．

【6】庄欠伟，龚国芳，杨华勇．盾构机推进系统分析［J］．液压与气动，2004(4):11－13．

【7】孙继亮．盾构液压推进系统的控制仿真研究［D］．淮南:安徽理工大学，2006．

【8】杨扬，龚国芳，胡国良，等．模拟盾构试验平台推进电液控制系统的研究［J］．液压与气动，2006(1):3－5．

【9】施虎，龚国芳，杨华勇．土压平衡盾构推进电液控制系统仿真及试验研究［J］．机床与液压，2008，36(4):42－45．