基于AMESIM的EPB盾構刀盤液壓驅動系統的仿真研究

張魏友，黃曉華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

EPB盾構機是一種隧道掘進的專用工程機械，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，現已廣泛應用于地鐵、鐵路、市政、水電隧道工程［1］。刀盤驅動是盾構機能耗最大的動力系統，目前國內外盾構機刀盤驅動方式主要有3種:變頻電動機驅動、液壓驅動、定速電動機驅動。液壓驅動較其他倆種方式具有功率密度高、驅動部件尺寸小、占用空間少，同時還具備啟動力矩小、同步性強、操作可靠等優勢，加上電子計算機控制技術的快速發展，液壓驅動已越來越成為各型盾構機的首選方式。

本文首先介紹6.4 m土壓平衡盾構機刀盤液壓驅動工作原理，并在AMEsim環境下利用Signal，Control，Mechanical，Hydraulic，Hydraulic Component Design 模塊，以EPB土壓平衡盾構機刀盤液壓驅動系統為對象，建立整個系統的簡化模型，用實際參數對刀盤驅動調速性能和在負載波動情況下進行動態仿真分析，分析結果。

1 刀盤驅動液壓系統工作原理

刀盤驅動液壓系統由3個大功率液控雙向比例變量泵和8個變量液壓馬達組成的閉式容積調速系統，系統主要由變量泵回路、馬達回路、補油回路、恒功率控制回路、制動回路等組成。主回路中選用德國Rexrot公司的A4VSG750HD1/22R軸向變量柱塞泵和A6VM500HA1T/63W的無極變速高壓液控變量馬達，補油系統中采用SNS940ER46型定量螺桿泵，對主回路進行補油置換出熱油并對變量泵殼沖洗降溫，采用A10VO28DFLR 1/31R伺服變量泵和可調節的調速閥對主泵提供先導控制油。系統采用多泵集中液控的方式，在控制回路中當壓力為達到功率限制閥的開啟壓力時調節比例溢流閥調節控制壓力從而調節主變量泵的排量，當電控溢流閥達到極限后，功率限制閥起作用，對3個主變量泵實現恒功率控制;通過壓力閥和2位3通換向閥可以改變變量馬達的排量，實現對刀盤轉速的高、低兩檔控制，不過刀盤的轉速主要還是通過改變變量泵的排量來實現;泵控模塊中在功率限制閥兩控制口壓力并聯連接壓力順序閥、減壓閥，通過手動換向閥可以設置高低檔不同的安全壓力，此壓力即為高低兩檔時的脫困壓力。圖1所示為刀盤液壓驅動系統原理圖。

圖1 刀盤驅動系統液壓原理圖

圖2 EPB盾構機刀盤調速控制流程圖

針對盾構施工條件復雜、狀態多變的情況，要求盾構刀盤轉速易于控制，盾構刀盤控制流程圖如圖2所示。盾構機施工過程中，當洞壁對盾體的摩擦力矩不夠大時，盾體將會出現滾動，對后續拖車造成很大破壞。為了能夠糾正這種滾動，必須改變刀盤的旋轉方向，可以通過改變刀盤驅動泵變量機構的工作象限來解決，從而達到改變旋轉方向的目的。在粘性土壤中掘進時，因為土壤對盾體的粘性摩擦力矩大，所以切換在低檔轉速運行，這是通過改變變量馬達的排量來實現的;硬巖層切換到高檔，這些操作可通過操作面板的旋鈕來進行，見圖3刀盤轉速控制面板。旋轉控制面板上的電位器時，電液比例溢流閥21的調節壓力相應改變，從而改變變量泵的斜盤角度，改變泵的排量，電位器的電平值與泵的排量成線性關系。系統的恒功率控制是由恒功率控制閥22來調節的，系統的負載壓力通過梭閥4反饋給功率限制閥，當反饋壓力高于功率閥設定壓力值時，雙向變量泵組的控制油壓降低，泵的排量減小，從而改變變量泵出口的流量，保持泵恒功率輸出。

圖3 刀盤轉速控制面板

2 刀盤驅動液壓系統AMEsim建模

AMESim在自身的單一平臺上可以實現多學科領域的系統工程的建模和仿真，比如機械、液壓、電動機等物理領域［2］。AMESim使得用戶從繁瑣的數學建模中解放出來從而專注于物理系統本身的設計。基本元素的概念，即從所有模型中提取出的構成工程系統的最小單元使得用戶可以在模型中描述所有系統和零部件的功能，而不需要書寫任何程序代碼。現具有的應用庫有:機械庫、信號控制庫、液壓庫、液壓元件設計庫（HCD）、動力傳動庫等等［3］。

在不影響分析刀盤液壓驅動系統動態特性的前提下，為了簡化建模和分析，現對系統進行幾個方面假設，并利用AMESim元件庫中成熟液壓模塊來建立仿真模型，1）所有連接管路都認定為短且粗，不考慮管道內部的壓損;2）油液溫度與油液體積模量都認為常數;3）系統假定處在粘性土壤施工條件下，馬達為滿排量。刀盤驅動系統仿真模型見圖4，部分元件仿真參數如表1所示。

圖4 刀盤液壓驅動系統AMESIM仿真模型

表1 刀盤液壓驅動部分仿真參數

3 仿真分析

3.1 刀盤驅動負載特性

EPB盾構施工作業時，由于地形條件復雜多變，刀盤所受負載變化很大，具有很大的非線性，因此需要刀盤液壓系統輸出的扭矩能夠實時跟隨負載的變化，做到動態響應穩、準、快。

以刀盤在粘性土壤中作業進行仿真，設定刀盤在初始時給定一個大小為1 500 kN.m的階躍負載，持續10 s后，負載升至 3 000 kN.m，持續20 s，在30～40 s內保持2 100 kN·m不變，則液壓系統輸出扭矩及其系統壓力曲線如圖5，圖6所示。

圖5 粘土層刀盤扭矩

圖6 系統壓力曲線

從圖中可知，刀盤扭矩在各壓力值下，液壓系統壓力具有很好的跟隨性，能夠實時隨著負載的變化而變化。

3.2 刀盤調速特性

刀盤液壓驅動系統采用變量泵變量馬達閉環傳動方式，可以通過改變泵和馬達的排量來調節刀盤的轉速，在黏土中施工作業時系統處于低速大扭矩檔，馬達為滿排量（Vm=500 cc/r），泵的排量主要由電磁比例溢流閥和功率限制閥共同決定。低速大扭矩檔刀盤轉速在0～2.762 r/min之間無極調節。比例變量泵的電磁溢流閥的調節信號如圖7所示。

圖7 電磁溢流閥調速信號百分比

0～30 s，控制信號線性升至最大，相應控制電流為0～200 mA，30～40 s保持最大不變。負載最大動態庫倫摩擦力矩設定最大值為5×106N·m，分別將負載信號設置為 0.2，0.4，0.6，0.8，1，也即負載力矩穩態值為 1 × 106N·m，2×106N·m，3×106N·m，4×106N·m，5×106N·m，負載擾動值采用PRBS2模擬，隨機值范圍為0～1，最大擾動值為4×105N·m。仿真時間設置為40 s，采樣間隔為0.1 s。仿真結束繪制刀盤扭矩曲線、各種扭矩下刀盤轉速特性曲線、及系統功率曲線如圖8－圖10所示。

圖10 系統功率曲線

從圖9仿真曲線可以知道，在未達到功率限制閥的調定壓力時，功率限制閥不起作用，刀盤轉速能按照調節信號比例變化，當系統壓力達到功率控制閥設定壓力時，控制油從功率控制閥處卸油，控制油壓降低，負載恒定時排量恒定，刀盤轉速也不發生改變。圖10液壓系統功率曲線顯示功率適應性好，系統輕載時，所耗功率小;系統重載時，所耗功率大。具有很好的節能意義。

4 結語

通過對EPB盾構刀盤液壓驅動系統的仿真分析，可以得知仿真結果與實際工程施工現象基本吻合，在低速大扭矩工況下，刀盤轉速在0-2.762 r/min之間，符合設計要求，滿足工程施工的需要;刀盤轉速與電磁溢流閥調控信號成線性比例關系，當達到功率限制閥設定壓力時，將保持恒功率不變;采用功率限制閥集中控制的變量泵變量馬達閉環容積調速系統根據不同的地質環境需要提供適當的功率，比較于閥控型方式具有很好的節能效益。

［1］陳饋，洪開榮.盾構施工技術［M］.北 京:人民交通出版社，2009.

［2］付永領，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［3］劉海麗.基于AMESim的液壓系統建模與仿真研究［D］.甘肅:西北工業大學，2006:54-56.