盾构液压推进系统关键技术研究.doc

1、盾构液压推进系统关键技术研究摘要：盾构液压推进系统承担着整个盾构机的顶进，换向及姿态调整等一系列复杂任务，液压系统性能的好坏对盾构施工控制的多个方面均会产生直接影响。本文主要分析了盾构液压推进系统中所运用到的压力流量复合控制技术、分区、分组联合控制技术、二通插装技术、负载敏感技术等。对几种技术的发展现状与前景进行分析，进而为液压技术在盾构推进系统中的广泛应用提供一定的理论指导。 关键词：盾构；推进液压系统；关键技术 中图分类号：U455 文献标识码： A 盾构的运用技术在我国的发展日渐成熟，其运用以及十分普遍了，它是国家基础建设和资源开发的重大技术装备，采用盾构掘进技术的隧道施工方法在我国将有

2、非常广阔的应用前景，推进系统作为盾构掘进机的重要组成部分。承担着整个盾构机的顶进、换向、姿态调整等任务。因此研究盾构液压推进系统是掌握盾构整体性能的前提，对推动我国装备制造水平具有重要意义。 一、推进系统简介 盾构液压推进系统是一种典型的集机、电、液技术于一体的复杂、非线性、时变系统。在工程实际中，由于土层地质条件的复杂性及施工过程中诸多不可预见因素的影响，使盾构推进控制变得非常复杂。推进控制不当会引发地面沉降，造成周围建筑物开裂甚至倒塌，以及邻近管线断裂破损等环境灾，因此，推进系统需要实现推进速度，压力的无级调节和分组油缸间的动态协调控制。进而实现盾构姿态，方向的精确控制。 为了实现它的控制

3、需求，在实际系统中运用了分组联合控制技术，压力流量复合控制技术，负载敏感技术，二通插装阀技术等一系列关键技术。下文将从技术原理、控制特点及运用现状等多个方面对盾构液压推进系统中所运用的关键控制技术进行分析研。 推进系统是盾构的关键系统, 它主要承担着盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。 二、关键技术原理分析 分区、分组联合控制技术 盾构液压推进系统按照控制方式可将其分为被动自调节模式和主动控制模式。 压力流量复合控制技术 在实际盾构施工过程中，由于地层具有复杂多变性，而不同地层的阻力、挖掘反推力和水土压力又各不相同，进而造成了掘进阻力随机变化。另一

4、方面为了保持掌子面的土压平衡，推进系统必须针对水土压力的变化及时调整推进油缸的供油压力，因此推进系统的推进压力必须实时可控。在盾构掘进过程中，推进系统既要满足推进力的要求又要实现对推进速度的控制，而单纯的力控制系统或速度控制系统均无法满足要求， 通常我们需将两种控制方案结合起来以实现盾构掘进系统的控制需求。 盾构液压推进系统采用分组联合控制，各组分别进行压力、流量的复合控制，在独立分组中采用节流控制方式，通过比例溢流阀和比例调速阀来实现每个液压缸的压力、流量的复合控制，从而提高系统的控制精度和动态响应特性。各分组中均采用压力流量复合控制技术，分组液压系统工作原理及压力流量复合控制原理简图如图

5、1 所示。 分组油路中设有专门的压力传感器和位移传感器，可实时检测推进油缸的推进压力及运动位移，并与分组中的比例溢流阀和比例调速阀构成双闭环控制系统，即压力控制环和速度控制环，进而实现了压力与流量的复合控制。 与单独的压力控制和速度控制回路相比较，采用压力流量复合控制技术的推进系统在理论上能够实现推进速度与推进压力互不影响。当负载变化时，在调速阀中定差减压阀的作用下，能够保证节流阀两端的压差恒定，根据 得，压差不变时，流量只随阀芯开度的变化而改变，而不收负载变化的影响，即速度的调节与负载变化无关。 当流量（或推进速度）变化时，根据知，流量变化只会引起液压缸活塞速度的变化，而对推进压力无影响，即

6、推进压力的调节与流量或速度的变化无关。实际情况下，当外负载或推进速度变化时，推进压力与推进速度也能够维持在一个动态平衡状态。 1：比例调速阀 2-9：二位二通电磁换向阀 3：比例溢流阀 4：压力传感器 5：液压缸 6：位移传感器 7：液控单向阀 8：溢流阀 10：三位四通电磁换向阀 a:推进系统单个分组液压原理图 图一推进系统分组油路工作原理及控制原理简图 负载敏感技术 在近几年中，在工程机械领域中负载敏感系统等到了广泛的应用，可以实时检测流量需求和系统压力，而且只提供系统所需压力的液压回路和流量，它通过传感器实时检测负载变化信号，经 PLC 控制程序反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构,

7、使主控阀进出口两端压差(压差由负载敏感阀的弹簧调定)保持不变,即泵出口压力总是等于负载压力与主控阀两端压差之和,液压系统推进压力与负载压力相适应,消除了系统压力过剩、通过负载敏感装置控制变量泵的变量调节机构，使变量泵的流量始终与负载所需流量相适应，即系统不会产生过剩流量。 负载敏感技术按发展历程可分为两类：机液负载敏感技术和电液负载敏感技术。盾构液压推进系统主油路中采用电液负载敏感技术，其液压原理简图如图 2 所示。 在负载敏感泵上集成有负载敏感阀 4 及恒压阀 3（最高压力限定阀）恒压阀 3 用于限定泵的最高工作压力。 1：变量缸弹簧腔 2：变量缸敏感腔 3：恒压阀 4：负载敏感阀 5：+比

8、例溢流阀 图 2 电液负载敏感系统液压原理简图 二通插装阀技术 推进系统的主要功能是推动盾构向前运动， 及保证管片的准确定位。按照盾构液压推进系统的工作状态可将其分为两种工作模式， 推进模式和管片拼装模式，管片拼装模式下，推进系统需满足液压缸的快速退回，为管片提供拼装足够空间。采用插装技术不仅能实现推进缸的快速退回需求，还能减少建设成本，提高工作效率及系统安全性能，推进系统单个分组液压原理如图 3 所示。 图 3 推进系统单个分组液压原理图 快退时，二位三通换向阀 2.4 均处于右位，插装阀 1.13 导通，采用大流量供油和出油，三位四通电磁换向阀 12 处于左位，向液压缸有杆腔供油。插装阀

9、1 可以为推进油缸的快速运动时提供快速进油通道，减少液压油进入液压缸的沿程压力损失、插装阀 13 可以实现为推进缸快速退回提供快速回油通道，减小液压油回程阻力，插装阀 1.13 同时开启，实现推进缸的快速退回。 总而言之，盾构已成为国家基础建设和资源开发的重大技术装备，采用盾构掘进技术的隧道施工方法在我国将有非常广阔的应用前景，液压控制技术作为盾构关键控制技术之一，其性能的好坏直接影响到盾构施工控制的方方面面，而多年以来，它一直是制约我国盾构施工控制技术快速发展的瓶颈之一。在今后几十年里，盾构掘进机械的快速发展是毋庸置疑的，这给液压行业带来难得机遇的同时，也要求我们将盾构领域的液压控制技术的发展推上一个新的台阶，逐步赶上、甚至超越发达国家的步伐。相信在盾构施工和液压技术等多领域科研人员的共同努力下，在不久的将来，一定能够实现液压技术与盾构施工控制的完美结合。参考文献 1庄欠伟,龚国芳,杨华勇. 盾构机推进系统分析J. 液压与气动,2004,04:11 2庄欠伟,龚国芳,杨华勇,周华. 盾构液压推进系统结构设计J. 工程机械,2005,03:23 3冯欢欢,王助锋,张合沛. 盾构实验台液压推进系统的设计与研究J. 液压气动与密封,2012,12:14 4冯欢欢,李凤远,王助锋. 盾构液压技术现状与发展趋势J. 建筑机械化,2012,05:15