基于AMESIM的盾構機液壓推進系統仿真分析

殷佳洪，黃曉華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

盾構機是一種用于隧道開挖的專用工程機械，具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點，已經成為城市隧道建設的首選設備。

盾構液壓推進系統是盾構機的主要系統之一，整個盾構機的前進推力是靠液壓缸提供的，其前進方向和姿態調整也是靠液壓缸之間的協調控制實現的正確控制液壓缸動作是整個液壓推進系統的技術難點。由于推進系統既要滿足盾構機整體的推進力要求，同時也要滿足盾構機的推進速度和方向的要求，單純的壓力控制系統或者流量控制系統很難滿足其運行要求，必須把兩者結合起來，形成壓力流量復合控制來實現盾構機液壓推進系統的控制任務。因此，通過AMESIM對盾構機液壓推進系統進行分析、建模，研究其動態性能，就成為實現盾構機推進系統控制的首要任務。

1 盾構機液壓推進系統

盾構機液壓推進系統承載著整個盾構機的頂進任務，主要實現盾構機的正常掘進管片的拼裝曲線行進以及姿態糾偏等功能。

1.1 推進系統組成

現以在德國海瑞克盾構機的基礎上進行國產化設計的盾構機為對象，進行研究分析。其推進系統主要由推進油缸、恒壓變量泵站、比例溢流閥、比例調速閥、電磁換向閥以及相關檢測元件等組成。整個系統由32個推進油缸組成，分為16對（圖1）。

圖1 推進油缸分布圖

推進系統推進油缸數量較多，如果要對每個液壓缸都單獨進行控制，不僅使得整個推進系統很復雜，而且控制難度也很大，成本也會大大提高。所以文中盾構機推進系統采用的是分區控制方式，從圖1可知，該推進系統分為A，B，C，D四個分區，每個區裝有一個位移傳感器，然后對每個區進行單獨控制，這樣不僅減小了控制難度也減小了成本，并且滿足控制要求。由于地下工作環境復雜，加上盾構機自身重力以及運行過程中土壓和水壓的作用，盾構機下部在運行過程中受到的摩擦力最大，并且為了防止盾構機產生低頭現象，所以在四個分區中C區有5對推進油缸，A區3對，B和D區都為四對。每對推進油缸都裝有比例溢流閥和比例調速閥，分別進行推進油缸的壓力控制和速度控制。

1.2 推進系統工作原理

盾構機液壓推進系統4組16對油缸組成，每一對油缸的工作原理基本相同，所以以其中一對推進油缸來進行分析研究，其工作原理如圖2所示。

圖2 液壓推進系統圖

盾構機運行時分為兩種工作模式:正常推進模式和管片拼裝模式。正常推進模式下，液壓油流經恒壓變量泵口、過濾器12、壓力計11、比例調速閥10、三位四通閥8右位進入推進油缸無桿腔，推動盾構機前進，推進速度由比例調速閥10控制，推進壓力由比例溢流閥2控制;管片拼裝模式下，壓力油經恒壓變量泵出口、插裝閥13、三位四通閥8左位進入推進油缸有桿腔控制液壓缸縮回，無桿腔液壓油經插裝閥9回到油箱，其中系統壓力由比例溢流閥2控制，插裝閥9、13為液壓油提供了快速流通通道，使得推進油缸能夠快速縮回。溢流閥7起到開啟緩沖和過載保護作用，當液壓缸剛開始推進的瞬間進油口會有一個瞬間的高壓（和過載相似），溢流閥7就會開啟，起到保護作用。二位二通閥6的作用是在推進油缸需要檢修時，斷開推進油缸油路，使得液壓油直接返回油箱，提供一個安全的檢修環境。

2 液壓推進系統仿真模型的建立

本文對液壓推進系統的仿真分析主要是研究該系統壓力和速度的控制特性，即對比例溢流閥、比例調速閥、推進油缸以及負載的動態特性進行分析。由于系統中的一些液壓元件如插裝閥、過濾器以及起過載保護的溢流閥對仿真結果的影響不大，為了便于仿真，對液壓推進系統進行了簡化，簡化模型如圖3所示，其中負載本文采用的是線性粘彈性模型以模擬盾構機在地下挖掘過程中所受到的各種阻力。

圖3 液壓系統簡化模型

2.1 比例溢流閥和比例調速閥模型

比例溢流閥是通過比例電磁鐵直接產生推力，推動閥芯，由于作用在比例電磁鐵上的電壓是可以連續變化的，所以可以產生大小不同的推力，從而產生連續變化的液壓壓力。

比例調速閥是通過比例電磁鐵作用在閥芯上，帶動閥心動作，通過改變閥芯開口的大小來改變液阻，從而控制流量的大小。本文采用的比例調速閥是由比例節流閥和定值減壓閥串聯而成的，在比例節流閥前面串聯一個定值減壓閥可以讓油液先經過減壓閥閥芯產生一次壓降，利用減壓閥閥芯的自動調節功能，可以使得比例節流閥兩端壓差基本保持不變，從而實現了通過輸入電壓對流量的線性控制。

由于AMESIM軟件本身是不帶比例溢流閥和比例調速閥模型，所以利用其自帶的液壓元件設計模塊（HCD）自行設計了比例溢流閥和比例調速閥的HCD模型如圖4所示，圖4（a）為比例溢流閥，圖4（b）為比例調速閥。

圖4 比例閥HCD模型

2.2 液壓推進系統仿真模型

利用AMESIM建立的液壓推進系統仿真模型圖如圖5所示，該推進系統采用的是恒壓變量泵，所以仿真模型圖中輸入采用的是恒壓輸入模型PRESC，推進油缸采用的是帯質量塊的液壓缸模型HJ000，加上比例溢流閥和比例調速閥的HCD模型以及電磁換向閥形成完整的仿真模型圖。

圖5 推進系統仿真模型

3 仿真分析

3.1 開環壓力控制仿真

推進系統開環壓力控制仿真時，三位四通電磁閥輸入負信號處于右位，負載設為10 kN，比例調速閥流量設定為20 L/min，比例溢流閥壓力先設定為3.5 MPa，10 s后設定為3 MPa，再過10 s后設定為3.5 MPa。

壓力調整時，液壓缸的壓力流量變化如圖6所示，從圖6可以看出，當壓力下調時，液壓缸流量會出現快速下滑并來回波動現象（由于下滑太大未能在一個圖中全部表示出來）。所以在進行液壓缸的壓力調整時，需注意緩慢進行。

3.2 開環流量控制仿真

推進系統開環流量控制仿真時，三位四通電磁閥輸入負信號處于右位，負載設為10 kN，比例溢流閥壓力設定為7.5 MPa，比例調速閥流量先設定為10 L/min，10 s后設定為42 L/min，再過10 s后設定為10 L/min。

流量調整時，液壓缸的壓力流量變化如圖7所示，流量上調時，壓力會有一個小的波動，流量下降時，壓力會有一個比較大的波動。

從上面兩幅仿真圖可以看到，壓力的變化會引起流量的波動，流量的變化又會引起壓力的波動，所以單純的壓力控制或者流量控制都滿足不了系統的控制要求。

3.3 閉環控制仿真

本文采用常規的PID控制器來實現壓力和流量的復合閉環控制，通過將推進油缸的壓力信號反饋給比例溢流閥速度信號反饋給比例調速閥，從而控制整個推進系統的壓力和流量，保證系統的正常運行。

閉環控制仿真系統如圖8所示，為了看圖方便，通過AMESIM中的超級元件模塊，把比例溢流閥和比例調速閥簡化為如圖所示圖標，加上位移傳感器和壓力傳感器以及控制部分形成了完整的壓力流量復合控制的推進系統。

圖8 推進系統壓力流量復合控制仿真模型

系統閉環復合控制仿真時，三位四通電磁閥輸入負信號處于右位，負載設為10 kN，比例溢流閥壓力設定為7.5 MPa，比例調速閥流量先設定為21 L/min，10 s后設定為42 L/min，再過10 s后設定為21 L/min。

圖9所示為壓力流量復合控制下推進油缸的壓力和流量曲線圖。該圖說明采用閉環復合控制可以較好的進行壓力和流量調節。當流量改變時，壓力會經過短暫的震蕩后達到穩定，振蕩幅度小。與單獨的壓力控制或者流量控制相比，復合控制超調量小，調節時間短，具有較好的控制效果。

圖9 復合控制下液壓缸的液壓流量曲線圖

4 結語

通過AMESIM仿真可以看出采用壓力流量復合控制方式能夠更好的保證盾構機運行時的精確度，與傳統的壓力控制或者流量控制相比，可以明顯減小壓力和流量的波動，更好地實現盾構機的控制要求，具有很好的運用前景。

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