基于SimulationX的盾构机推进系统建模仿真

基于SimulationX的盾构机推进系统建模仿真

周鹏方保江李帅远

（郑州大学机械工程学院,河南郑州450001）

摘要：盾构机在基建行业发挥着越来越重要的作用，是隧道开挖工程机械的理想选择。利用多领域仿真分析软件SimulationX对该型盾构机的推进系统进行建模仿真。通过仿真，盾构机推进系统的控制方式采用压力与流量复合控制策略是最好的选择，这有助于保证液压缸推进的稳定性，降低了液压油缸压力波动过大的可能性。

关键词：液压推进系统；SimulationX建模仿真；压力流量复合控制

ABSTRACT:Shieldmachineisplayinganincreasinglyimportantroleintheinfrastructureindustry,Thisishelpfultoensurethestabilityofthehydrauliccylinderpropulsion,reducethepossibilityofexcessivepressurefluctuationinhydrauliccylinder,improvetheperformanceofthepropulsionsystemandensurethequalityofthetunnelconstructionbetter.

Keywords:Hydraulicpropulsionsystem;SimulationbasedonSimulationX;Compoundcontrolofpressureandflow

引言

盾构机在隧道建设中扮演着十分重要的角色，它具有安全、高效、对周围环境扰动小的优点而备受青睐。盾构机推进系统由众多液压缸按一定规则组合而成，通过顶着上一工序已安装好的管片来向前掘进。在实际工况条件下，推进系统也会出现各种问题，例如油缸动作不协调，伸缩长度不同，以及推进时绵软无力的情况，这就会导致盾构机轴线与隧道设计轴线发生偏离，严重影响了隧道的质量；而且还会导致盾构机掘进效率减小，严重时可能会延误整条隧道的工期。所以保证盾构机有一个稳定的推进系统十分重要。

1盾构机推进系统简介

本文以土压平衡式盾构机为例，进行研究分析。推进系统主要由推进油缸、恒压变量泵站、比例溢流阀、比例调速阀、电液换向阀、电磁球阀、单向阀以及相关元件组成。整个系统由22个推进油缸组成，呈16组分布，如图1所示：

图1推进油缸布置图

从图1可以看出，将推进油缸分成了A,B,C,D四个区。A,C两个分区的推进油缸数目和分布规则完全相同，都为6个推进油缸，这两个分区的作用是提供前进推力和实现盾构机的转向功能。考虑到盾构机头重脚轻的普遍现象，在掘进时可能会发生载头现象，为了应对可能出现的盾构机姿态问题，一般B区的推进油缸数目要多于D区，即B区为6个，D区为4个。整个推进系统中的ABCD四个分区都装有起总控作用的比例溢流阀和比例调速阀，实现对推进油缸的压力和速度控制。每个推进油缸供油系统都配有溢流阀与压力传感器，实时传送压力数据，保证运行安全。

2液压推进系统建模

简化后的原理图如图2所示。

图2简化原理图

搭建好的模型如图3所示，其中液压源采用的是恒压变量泵，因推进过程行程较长，工作环境恶劣，所以液压缸采用的是差动型式的液压缸。分析时在柱塞杆头部装了阻尼弹簧，主要是为了起到缓冲防震的作用。

图3推进系统模型

3推进系统仿真分析

压力流量复合闭环控制仿真模型如图4所示。

图4压力流量复合闭环控制仿真模型

在压力流量复合闭环控制仿真时，使三位四通电液换向阀输入负信号而处于右位，负载设为12kN；比例溢流阀压力在０ｓ～５ｓ为51bar，在５ｓ～１０ｓ为78bar。则在压力流量复合控制条件下推进系统压力和流量变化曲线如图5所示，液压缸压力缓慢增大，１ｓ后会达到稳定状态，５ｓ时液压缸压力从51bar升至７８bar，液压缸流量有小的超调，并很快达到稳定，超调量为５.8％。

图5闭环控制时液压缸压力、流量变化曲线

综上分析可知，该控制效果好。由仿真结果可知：开环控制时，压力（流量）改变时，流量（压力）会随着发生大的波动；闭环控制时，压力和流量之间的相互影响作用被大大削弱。因此，我们得出压力流量双闭环控制可以更好地满足推进系统的控制要求。

参考文献

[1]《盾构机推进液压系统仿真分析》龚国芳,余佑官,胡国良.机电工程

[2]《基于AMESIM的盾构机液压推进系统仿真分析》殷佳洪,黄晓华.《机械制造与自动化

[3]《盾构机推进系统仿真分析》黄凡,李强,李景轩等机械工程与自动化

[4]《盾构机推进液压系统设计与仿真分析》谢群,张俊辉,司宝玉等.机械工程与自动化

[5]《液压与气压传动》马胜刚机械工业出版社

[6]《液压阀原理、使用与维护》张利平化学工业出版社

[7]《SimulationX精解与实例》刘艳芳机械工业出版社