Φ1.2m微型盾构试验机液压系统设计及仿真

Φ1.2m微型盾构试验机液压系统设计及仿真
郭京波;陈晓阳;李杰
【摘要】为研究不同地层条件对盾构掘进参数的影响,进而确定相适应的工作参数,设计开发了微型盾构试验机.主要介绍微型盾构试验机的液压系统,其由刀盘、推进
及螺旋输送机液压系统组成,并详细说明了各部分液压系统的工作原理及选型计算;
最后利用AMEsim软件对这三个液压系统进行建模及仿真分析.仿真结果显示,微型盾构试验机的刀盘转速、推进速度及螺旋输送机转速都可以实时控制,满足试验需要.
【期刊名称】《国防交通工程与技术》
【年(卷),期】2017(015)001
【总页数】5页(P29-33)
【关键词】微型盾构;掘进参数;液压系统;仿真分析
【作者】郭京波;陈晓阳;李杰
【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学
机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043
【正文语种】中文
【中图分类】U455.39
盾构是挖掘大截面长距离隧道的专用工程装备。

它集电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体，具有施工速度快、自动化程度高、隧道一次成型、环境
污染少和劳动强度低等特点。

作为一种大型工程机械，盾构需要针对不同地质条件专门设计，同时对电液控制系统有特别高的要求[1-5]。

所以，构建盾构模拟试验平台，并进行相关的试验，可以为我国盾构的设计、制造和发展提供理论支持。

采用微型盾构进行试验，容易获得实际盾构掘进过程中难以测量的数据，并且可以降低试验成本，增强灵活性和适应性[6]。

本文所研究的微型盾构试验机(以下简称试验机)主要适于在砂层、小卵石层、软土层工作。

试验机的主体结构，主要由盾体、刀盘驱动系统、推进系统、螺旋输送机系统等组成。

试验机的刀盘直径为1.2 m，盾体总长约2.7 m，最大掘进深度为5 m。

根据它的结构特点，有针对性地设计了试验机的液压系统。

液压系统由刀盘驱动、油缸推进和螺旋输送机液压系统组成，并且液压系统采用了性能优良的负载敏感液压回路，使试验机具有施工适应性强、施工效率高、能耗少、发热少等技术性能。

其工作原理为刀盘在单个液压马达的驱动下连续转动，6根液压油缸推动试验机向前移动，被开挖下来的渣土进入土仓，通过螺旋输送机传送到运泥车上，再由运泥车运到井口。

试验机掘进一个行程停机后，交错拼装管片，使隧道一次成型，即盾构机掘进、管片拼装(试验机临时停机)循环交替进行。

在整个施工过程中，需要电气控制系统实时调整试验机的刀盘转速、推进速度和螺旋输送机的转速，控制试验机的土仓压力和掘进姿态，保证试验机平稳的施工。

与大型模拟试验平台[7]相比，本文所设计的试验机不仅具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，而且具有结构简单稳定、控制方便可靠等优点。

刀盘驱动液压系统主要由液压泵站、阀块组、管路、液压马达、减速器等组成。

液压系统如图1所示。

刀盘的最大设计转速5 r/min，采用定量马达方式驱动刀盘旋转，两个三位四通比例电磁换向阀控制刀盘转向，并可无极调节刀盘转速。

刀盘驱动液压系统的压力为16 MPa，由恒压变量泵供油。

三位四通比例电磁换向阀主要控制刀盘的正反转及转速，当2个三位四通比例电磁换向阀左位同时得电时，液
压油通过换向阀的左位驱动刀盘正转；当比例电磁换向阀右位得电时，刀盘反转。

根据输入比例电磁换向阀电流的大小控制刀盘的转速[8]。

马达的排量为：
式中：T1为刀盘输出最大扭矩时，马达所需要输出的最大扭矩，T1= Td/iηj；Td 为刀盘最大输出扭矩，取42 kN·m；i为减速箱减速比，取320；ηj为减
速器效率，取0.97；P1为系统工作压力，取16 MPa；ηmm为液压马达的机械
效率，取0.95。

泵的排量为：
式中：Qm为马达的实际流量，Qm=qm1nmmax/ηmv；ηpv为泵的容积效率，取0.95；nE为四级电机转速,1 500 r/min；nmmax为刀盘最高转速时马达所需
的最高转速，取1 600 r/min；ηmv为马达容积效率，取0.95。

电机的额定功率为：
NE1式中: Nm为马达的额定功率，；ηpm为泵的机械效率，取0.95。

所以，通过理论计算，系统液压马达选用力士乐柱塞马达A2FM56/61W-
VAB020，额定排量56 mL/r，容积及机械效率分别为0.95、0.97；机液压泵选用力士乐的恒压变量泵ALA10VO71DFLR/31R-VSC42N00，额定排量为71 mL/r，容积及机械效率为0.95、0.96；三位四通比例电磁换向阀选用力士乐的
4WRE10W1-50-2X/G24K4/F1V，阀的压差为10 bar(1 bar=0.1 MPa)时，公称流量为50 L/min。

电机选用SIEMENS公司的四级电机，功率为45 kW，转速为
1 475 r/min。

通过液压系统性能验算，上述选型符合设计要求。

油缸推进液压系统主要由液压泵站、阀块组、管路、液压油缸等组成，系统压力为20MPa。

液压系统如图2所示。

推进系统由6根液压油缸组成，从刀盘左上侧1
号油缸顺时针依次安装，均匀分布在刀盘上，采用一个定量泵供油。

由于盾构经常通过软硬不一的地层，易造成刀盘受力不均，盾构姿态产生偏转。

为了纠正盾构的
姿态，将6根油缸分成4个区，1、2号油缸组成A区，分布在刀盘的上半侧；4、5号油缸组成B区，分布在刀盘的下半侧；6号油缸为C区，分布在刀盘的左半侧；3号油缸为D区，分布在刀盘的右半侧，并且每个分区都有1根油缸配置位移传
感器。

试验机掘进时，电磁球阀关闭，由进油联控制系统压力不超过20 MPa。

带负载敏感功能的比例电磁换向阀左位得电，根据输入比例电磁换向阀电流的大小控制液压油缸的推进速度。

6个电磁换向阀的左位同时得电，控制6根油缸同时伸出。

4个比例减压阀可单独调节推进系统4个分区的压力，控制每个分区推进力的大小，在试验机掘进姿态调整上，起着重要的作用。

试验机完成掘进时，液控单向阀会锁死油缸，防止盾构后退，避免开挖面塌陷[9]。

管片拼装时，电磁球阀打开，低压
溢流阀调节系统压力不超过8 MPa，防止油缸伸出时，冲击载荷过大，损坏管片。

推进系统主要设计参数为：推进及管片拼装系统压力20 MPa、8 MPa；总推力
F=1 356 kN；推进油缸个数，6根；推进速度v1=60 mm/min;油缸行程,400 mm。

单根液压缸所需的外载荷F1为：
式中：F为系统总推力；n为推进油缸的根数。

推进液压缸的缸径为：
取标准值D=125 mm，当工作压力P2 >7 MPa时，活塞杆直径取为
d=0.7D=87.5 mm，取标准值d=90 mm。

P2为液压系统的工作压力，取20 MPa。

液压泵的的排量为：
式中:Qp为6根油缸同时推进时所需要的最大流量；nE为四级电机的转速，取1 500 r/min；ηpv为定量泵的容积效率，取0.9；v1为液压油缸的最大推进速度，取60 mm/min;A1为液压油缸无杆腔面积。

电机的额定功率为：
式中:Np为泵的额定输出功率，Np=P2Qp；ηpm为定量泵的机械效率，取0.9。

通过以上理论计算，系统液压泵选用力士乐外啮合齿轮泵AZPF-
11004RCB20MB18009，额定排量4 mL/r，容积及机械效率分别为0.91、0.92；三位四通比例电磁换向阀选用力士乐的4WRE10W1-08-2X/G24-K4/F1V，阀的
压差为10 bar时，公称流量为8 L/min。

电机选用SIEMENS公司的四级电机，
功率为4 kW，转速为1 475 r/min。

通过液压系统性能验算，上述选型符合设计
要求。

试验机所选的螺旋输送机长度为4.3 m，叶片直径为120 mm，中心轴直径为45 mm，叶片厚度为15 mm，螺距为120 mm，螺旋机倾角为12°，最大出渣量为
8 m3/h。

由于试验机内部空间小，螺旋输送机无倾斜角度及伸缩量调整。

螺旋输
送机液压系统主要由液压泵站、阀块组、管路、液压马达、减速器等组成。

液压系统如图3所示。

螺旋输送机液压系统采用带负载敏感功能的比例电磁换向阀控制
定量马达的方式驱动螺旋机旋转。

系统压力为16 MPa，螺旋输送机的最大设计转速为60 r/min，通过三位四通比例电磁换向阀控制马达的转速和转向。

三位四通
电磁换向阀控制螺旋输送机后闸门的开闭。

螺旋输送机液压系统主要设计参数为：螺旋输送机转速，0～60 r/min；螺旋输送机扭矩，1 200 N·m；减速箱减速比，8；系统压力，16 MPa；液压马达数量，1个；闸门油缸数量，1个。

系统液压原理图如图3所示。

马达的排量为：
式中：T3为马达的输出扭矩，T3=TL/iηj；ηmm为马达的机械效率，取0.9；P3为系统工作压力，取16 MPa；TL为螺旋机设计扭矩，取1 200 N·m；i为减速器传动比，取8；ηj为减速器的机械效率，取0.97。

泵的排量：
式中:Qm为马达的实际流量，Qm=qm3n3/ηmv，其中n3=i×nL，为马达的输出
转速；ηpv为泵的容积效率，取0.9；ηmv为马达的容积效率，取0.9；ηL为螺旋输送机的最高转速，取60 r/min；nE为四级电机的转速，取1 500 r/min。

电机的额定功率：
式中:ηpm为泵的机械效率，取0.9；Qp为泵的实际流量，Qp=nEqp3ηpv。

通过以上理论计算，系统液压泵选用力士乐外啮合齿轮泵AZPG-22-
032RCB20MB18009，额定排量32 mL/r，容积及机械效率分别为0.91、0.94；系统液压马达选用伊顿摆线马达M0205H04J45B00，排量为80 mL/r，容积及机械效率为0.9、0.93；三位四通比例电磁换向阀选用力士乐的4WRE10W1-050-2X/G24-K4/F1V，阀的压差为10 bar时，公称流量为50 L/min。

电机选用SIEMENS公司的四级电机，功率为15 kW，转速为1 475 r/min。

通过液压系统性能验算，上述选型符合设计要求。

4.1 刀盘转速控制仿真
在AMEsim软件中建立刀盘液压系统模型，对刀盘系统的转速进行仿真，研究所设计刀盘驱动液压系统的转速调节特性。

在刀盘转速仿真中，通过改变输入比例电磁换向阀信号端的电流大小来控制刀盘的转速，用于模拟试验机在平稳掘进过程中实时改变刀盘转速的工况。

本系统中，设定刀盘负载扭矩为10 kN·m，电机的转速为1 475 r/min，泵的排量为71 r/mL，马达的排量为56 mL/r，安全阀的压力为16 MPa，仿真时间为50 s。

在0～10 s，设置输入比例电磁换向阀的电流为12 mA；在 10～30 s，输入比例电磁换向阀的电流为16 mA；在30～50 s，输入比例电磁换向阀的电流为20 mA。

仿真结果如图4所示，从图中可以看出系统的响应比较快，经过1 s左右，刀盘的转速基本达到稳定，并且随着输入电流信号的增大，刀盘的转速也在增加，所以刀盘的转速可以由比例电磁换向阀快速灵活的控制。

4.2 试验机掘进速度控制及掘进姿态调整仿真
在AMEsim软件中建立油缸推进液压系统模型，对试验机的掘进速度及掘进姿态
调整性能进行仿真。

本系统中，设定电机的转速为1 475 r/min，泵的排量为4
r/min，油缸的缸径为125 mm，杆径为90 mm，行程为400 mm，安全阀的压力为200 bar，A区的两根油缸分别施加190 kN的负载，其余油缸分别施加226.08 kN的负载，电磁球阀关闭。

仿真时间为40 s，在0～20 s，设置输入比
例电磁换向阀的电流为20 mA，对应A、B、C、D四个分区的比例减压阀，输入电流分别为600 mA、700 mA、700 mA、700 mA。

启动4 s后，输入比例减压阀的电流分别为570 mA、700 mA、700 mA、700 mA。

20～40 s，输入比例
电磁换向阀的电流为19 mA;在22～40 s，输入比例减压阀的电流分别为564 mA、700 mA、700 mA、700 mA。

仿真结果如图5所示，从图中可以看出，试验机
在刀盘受力不均启动时，各分区油缸的推进速度波动浮动比较大，4 s后，调整A 区比例减压阀，各分区推进油缸的速度逐步平稳。

20 s后，减小输入比例电磁换
向阀的电流，各分区油缸伸出速度减小，并有轻微波动，22 s后调整A区比例减
压阀，使各分区油缸伸出速度再次达到平稳。

所以油缸的推进速度可由比例电磁换向阀实时控制，试验机的掘进姿态可由比例减压阀实时调整。

4.3 螺旋输送机速度仿真
在AMEsim软件中建立螺旋输送机液压系统仿真模型，对螺旋输送机的速度进行
仿真。

在螺旋输送机系统仿真中，设定电机转速为1 475 r/min，螺旋机负载扭矩为1 200 N·m，泵的排量为32 mL/r，马达的排量为80 mL/r，安全阀压力为
160 bar，仿真时间设定为50 s。

在0～10 s，设置输入比例电磁换向阀的电流为12 mA；在 10～40 s,输入比例电磁换向阀的电流为15 mA；在40～50 s，输入
比例电磁换向阀的电流为20 mA。

从图6中可以看出，在一定工作负载下，系统
经过约4 s的响应时间后，螺旋机转速即可稳定，且没有超调量。

随着输入比例电磁换向阀的电流增大，螺旋机转速也在不断增加，所以螺旋输送机的转速可以由比
例电磁换向阀灵活的控制。

本文详细介绍了试验机的液压系统原理和计算选型过程，并且将负载敏感技术应用到液压回路中，使液压系统具有高效、节能、适应性强等特点；然后采用AMEsim软件进行液压系统建模及仿真分析。

结果显示：试验机的刀盘和螺旋输送机转速可以实时调控，推进系统的推进速度也可以实时调控，并且系统响应时间快，操作简单，满足试验的需要。

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