微型土壓平衡盾構機液壓系統故障分析

郭京波，劉宇豪，劉文棟，韓夢澤

(1.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050000;2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000)

引言

盾構機是集機、電、液、光及信息等多領域先進技術于一體的隧道施工裝備，具有掘進速度快、綜合效益高等特點，近年來廣泛應用于城市軌道交通、鐵路及公路隧道工程、引水隧洞工程及軍事防護工程施工等領域。隨著城市現代化建設的不斷加快，城市地下綜合管廊的建設越來越多，施工時遇到的問題也隨之而來。目前我國市政管道建設多采用頂管施工技術, 但隨著施工距離延長,會出現頂進推力不足、頂進方向易失控等問題[1]，且隨著現代化進程的加快，市政施工時管道受周圍環境和施工條件制約的因素也在不斷增加，頂管施工越來越不能滿足現代施工的技術要求，因此從實際出發，設計并制造了微型土壓平衡盾構機，為市政施工開辟了新的路徑。

相比于大型盾構機，微型盾構機雖然體積小，但技術含量并不低，能完成開挖土體、向前掘進、排泄渣土、拼裝管片等工作，具有安全、快速、高效、不受氣候影響等特點，但也引發了一些新的問題和挑戰。最典型的就是空氣進入推進液壓系統所帶來的不利影響。盾構機推進系統主要承擔盾構機的推進任務，能夠實現盾構機的轉彎、曲線行進、姿態控制、糾偏以及同步運動等功能[2]。在推進過程中，混雜在液壓系統中的空氣不僅會在壓力的作用下發生破裂反應，還會導致液壓油混濁，降低液壓系統的動力作用，影響掘進質量，且不利于盾構機的穩定掘進[3]。

本研究通過理論計算，并運用計算機仿真技術對液壓系統進行故障仿真，分析系統故障現象及可能原因，了解系統工作狀況[4]，深入分析含氣量對液壓系統穩定推進的影響，分析結果對排除推進液壓系統中的空氣，實現推進系統穩定工作有重要的理論指導意義。

1 推進系統

系統的原理圖如圖1所示。油箱中的液壓油經進油管路、主泵、過濾器、控制閥塊流入液壓控制閥塊口，控制閥塊可以通過控制高、低壓溢流閥來實現盾構機掘進和管片拼裝2種作業模式的轉換。在掘進模式下，通過推進控制閥塊中換向閥的換向，液壓油進入油缸無桿腔，活塞桿伸出，有桿腔中液壓油從回油管回到油箱；在管片拼裝模式下,通過推進控制閥塊中換向閥的換向，液壓油進入油缸有桿腔，活塞桿縮回，無桿腔中液壓油從回油管回到油箱。液控單向閥可以鎖死液壓缸，避免盾構機后退，防止掘進面坍塌。過濾器可以過濾掉壓力油的雜質，防止雜質刮傷活塞和缸筒[5]，該微型盾構機實物圖如圖2所示。

圖1 液壓原理圖

圖2 微型土壓平衡盾構機實物

2 液壓系統建模

液壓系統作為盾構機向前掘進時的重要執行端，其穩定性和位移特性直接影響了整個盾構機在施工時的安全。在實際中常常會有氣體進入系統，導致液壓系統出現隨機振動、壓力值波動、液壓元件動作不穩定、執行部件產生爬行、換向沖擊、定位不準或動作錯亂等現象[6]，因此對含有空氣時的系統進行特性研究是非常必要的。

2.1 油液黏度

當液壓油中的空氣溶解量達到當前工況下的溶解飽和值時，液壓油可以看作是由油液和氣體兩部分組成的，氣體以氣泡形式懸浮于油液中[7]。以氣泡形式存在的氣體對油液的黏度和可壓縮性都有較大的影響，而且混入的空氣會隨著溫度、壓力等參數的變化而變化，并以該參數下的溶解度達到動態平衡[8]。

混入氣體后的油液黏度為[9]：

B=Bfluid(1+μα)

(1)

式中,B—— 液壓油混入氣體后的動力黏度

Bfluid—— 純液壓油動力黏度

μ—— 參考系數，一般取0.015

α—— 油液含氣量

2.2 油液有效體積彈性模量

研究表明，低壓時油液彈性模量值受壓力變化影響很大，在壓力增大后，液壓油中氣體體積被壓縮，當壓力增大到一定值時，氣體體積會被壓縮的非常小，此時液壓油有效體積彈性模量接近于純油有效體積彈性模量；油液受含氣量變化影響很大，隨著含氣量的增大，彈性模量顯著減小[10]。綜合上述因素的影響，通過數值仿真分析得出在不同初始含氣量、油溫等條件下彈性模量的近似計算公式：

(2)

式中，βe—— 混入空氣后油液體積彈性模量

ps—— 實際工作壓力

βl—— 純油體積彈性模量

δ0—— 本生系數，一般取9.5%

2.3 液壓缸非線性建模

液壓缸是液壓系統中的關鍵元件[11]，其模型如圖3所示。其中，m為活塞等效質量；FL為外負載力；A1為液壓缸無桿腔面積；A2為液壓缸有桿腔面積；q1為無桿腔的流量；q2為有桿腔的流量；xv為閥芯位移，當活塞桿伸出時，xv>0，當活塞桿縮回時，xv<0;y為活塞桿位移；w為閥芯面積梯度，w3=w4,w1=w2=w5=w6。

圖3 液壓缸模型圖

1) 活塞桿伸出時

(1) 節流口流量方程：

(3)

(4)

式中，p1—— 無桿腔壓力

p2—— 有桿腔壓力

cd—— 滑閥流量系數

ρ—— 油液密度

(2) 液壓缸流量連續性方程[12]：

(5)

(6)

式中，ci—— 液壓缸內泄漏系數

ce—— 液壓缸外泄漏系數

V10—— 無桿腔有效容積

V20—— 有桿腔有效容積

(3) 活塞桿力平衡方程:

(7)

2) 活塞桿縮回時

(1) 節流口流量方程：

(8)

(9)

(2) 液壓缸流量連續性方程：

(10)

(11)

(3) 活塞桿力平衡方程：

(12)

聯立式(3)～式(12)，建立統一的流量方程：

q1=sign[(1+sign(ui))ps/2]-p1sign(ui)}×

(13)

q2=sign{[(1-sign(ui))ps/2]+p2sign(ui)}×

(14)

式中，當活塞桿伸出時，ui>0；當活塞桿縮回時，ui<0。

2.4 精確線性化控制器

為準確研究混入空氣后油缸的非線性動態特性，對液壓系統采用反饋精確線性化方法來分析。該方法不同于使用拉普拉斯變換省略高階項，而是采用非線性狀態反饋和局部或全局的坐標變換，在一定條件下能將一個仿射非線性系統進行精確線性化，線性化后的系統是線性且可控的[13]。

(15)

式中，

u=xv

(16)

g1(x)=sign{[(1+sign(ui))ps/2]-sign(ui)x3}×

(17)

g2(x)=-sign{[(1-sign(ui))ps/2]+sign(ui)x4}×

(18)

V1=V10/βe

(19)

V2=V20/βe

(20)

根據相對階定義，當x0∈U時，如果存在正整數γ，使得:

(21)

進行如下坐標變換：

(22)

式中，η應滿足：

g(x)=[0 0g1(x)g2(x)]

(24)

在新的坐標系下建立狀態方程：

(25)

(26)

(27)

令V=Ud-K1Z1-K2Z2-K3Z3，式中K1，K2，K3可由極點配置法獲得，則由式(25)可得：

(28)

(29)

通過文獻[15]可知，當ui>0和ui<0時，內部狀態η是指數漸進穩定的。

3 液壓系統仿真及試驗

3.1 仿真分析

分別對含氣量為1%，5%，10%的液壓系統精確線性化控制器進行仿真,系統仿真參數值見表1。x1，x2，x3，x4的初始值分別為0 mm，0 mm/s，6 MPa，0.5 MPa，外部負載為0，輸入信號Ud=0.01sin(πt)，仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 活塞桿位移響應曲線

圖5 活塞桿速度響應曲線

表1 系統參數值

由于推進系統使用的液壓缸是不對稱的，油缸的有桿腔有效面積小于無桿腔的有效面積，導致活塞桿正方向運動位移大于負方向運動位移，活塞桿正方向運動速度大于負方向運動速度。

位移響應分析：含氣量為1%時，到達正半周期最大位移響應時間為0.232 s，到達負半周期最大位移響應時間為0.491 s； 含氣量為5%時，到達正半周期最大位移響應時間為0.241 s，到達負半周期最大位移響應時間為0.508 s；含氣量為10%時，到達正半周期最大位移響應時間為0.253 s，到達負半周期最大位移響應時間為0.600 s，即隨著系統含氣量的增加，活塞桿運動到最大位移處所用時間延長，液壓缸反應遲鈍。

速度響應分析：含氣量為1%時，到達正半周期最大速度響應時間為0.177 s，到達負半周期最大速度響應時間為0.449 s；含氣量為5%時，到達正半周期最大速度響應時間為0.182 s，到達負半周期最大速度響應時間為0.453 s，在0.260，0.750 s左右出現振蕩；含氣量為10%時，到達正半周期最大速度響應時間為0.189 s，到達負半周期最大速度響應時間為0.462 s，在0.270，0.780 s左右出現振蕩。出現振蕩的原因是由于缸內存有空氣，活塞桿的運動導致空氣被壓縮，當壓縮到一定量時釋放能量，推動活塞桿加速運動，氣泡隨著壓力的增大產生破裂，出現氣蝕現象，可能對液壓元件造成損壞[16]。且隨著含氣量的增大，活塞運動速度變慢，最終造成整個液壓系統反應遲鈍。

3.2 試驗

該微型盾構機在進行調試前曾停用2年時間，且在調試初期發現2號油缸回油口處有漏油現象，推進油缸運動速度緩慢，在縮回過程中出現活塞桿爬行、振動現象，液壓缸平均運行速度約為50 mm/min，其中5號油缸運動速度最慢，為39 mm/min，嚴重低于最初設計的運行速度。

根據液壓系統調試規范和上述推進系統理論分析，首先對系統進行排氣，在液壓缸活塞桿完全伸出或縮回后，打開換向閥有(無)桿腔進油口和推進控制閥塊總回油口進行排氣，如圖6所示。液壓缸在排氣后卡頓現象逐漸減弱，液壓缸振動現象逐漸消減。將設備進行多次排氣、循環運轉后，液壓缸運行平均速度為140 mm/s,通過分別記錄盾構機控制臺上顯示屏的各組油缸每分鐘的行程，如圖7所示。計算得到排除摻混空氣前、后的液壓油缸推進行程s對比，如圖8所示，達到了機器設計的正常運行速度，驗證了仿真分析的準確性，避免了在工作時液壓系統內摻混氣體。

圖6 油缸有(無)桿腔進油口

圖7 盾構機控制臺上顯示屏

圖8 排除摻混空氣前、后液壓缸推進行程對比圖

4 結論

本研究以微型盾構機推進液壓系統為研究對象，對推進液壓系統的液壓缸出現卡頓、爬行的問題進行原理分析，使用仿真軟件建立閥控液壓缸數學模型，得到了系統在不同含氣量情況下的位移響應和速度響應，為解決液壓系統存在的空氣導致液壓缸運動遲滯提供了理論基礎，最后通過現場實驗排除了系統內的摻混空氣，驗證了分析結果的準確性，保證了整個液壓系統的穩定性和可靠性[17]。