1、盾构电液控制系统关键技术分析【摘要】盾构是一种集机械、电气、液压测量和控制等多学科技术于一体专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。推进液压系统中推进力和推进位移复合控制技术作为盾构电液控制系统的一个关键技术，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。基于此，本文对推进系统进行了研究。 【关键词】盾构 电液控制系统推进液压系统 Abstract:Shield is a collection of mechanical, electrical, hydraulic multidisciplinary technolog
2、y such as measurement and control in a body specialized in underground tunnel excavation .The technology intensive major engineering equipment. Propulsion thrust hydraulic system and to promote the displacement compound control technology as a shield electro-hydraulic control system is one of the ke
3、y technology of propulsion system is the key to the shield system, it mainly bear the shield cap into the task, request to shield turn curve of attitude control and synchronous movement, and other functions. Based on this, in this paper, the propulsion system is studied. Keywords:ShieldElectro-hydra
4、ulic control system Thrust hydraulic system 中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号： 盾构是一种集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。在地质条件复杂、地下水位高、埋深大的土质地层及以土质为主的地质地层隧道施工中，较好的施工方法就是采用盾构施工。推进液压系统中推进力和推进位移复合控制技术作为盾构电液控制系统的一个关键技术，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
5、行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。推进系统的控制目标是在克服盾构推进过程中遇到推进阻力的前提下，根据所处的不同施工地层土质及其土压力的变化，对推进速度及推进压力进行无级协调调节， 从而有效地控制地表沉降，减少地表变形，避免不必要的超挖和欠挖。 一、盾构推进液压系统设计 推进液压系统原理 盾构推进液压系统一般由主驱动泵、液压控制阀、推进液压缸及液压管路等组成。推进液压缸安装在密封仓隔板后部，沿盾体周向均匀分布，是推进系统的执行机构。推进系统由安放在盾尾的主驱动泵提供高压油，通过各类液压阀的控制来实现各种功能。 盾构推进系统结构简图如下图所示，采用 6 个液压缸作为推进系统的执行机构，左右对
6、称分布。每个液压缸均内置有一个磁致伸缩式位移传感器，可实时测量液压缸的推进位移。 每个液压缸内置有一个磁致伸缩式位移传感器，测量该区液压缸行程，各个区的液压缸压力根据需要可以调节，改变液压缸的速度和行程来达到控制盾构的掘进方向。其主油路原理图下图所示。 推进液压系统在主油路上采用变量泵实现压力自适应控制；对于 6 个执行元件液压缸，则模拟实际盾构的控制方式，将其分为 6 组，进行分组控制。各个分组中的控制模块都相同，均由比例溢流阀、比例调速阀、电磁换向阀、辅助阀及相关检测元件等组成。下图为推进液压系统的工作原理简图。 盾构推进时，二位四通电磁换向阀 10 得电，二位二通电磁换向阀 1 断电，系
7、统经比例调速阀 2 供油，此时三位四通电磁换向阀 9 切换到工作状态 B 位置，液压缸 6 的活塞杆向前运动。推进过程中，液压缸 6 中的内置式位移传感器 7 实时检测推进位移，转换成电信号反馈到比例调速阀 2 的比例电磁铁上，控制比例调速阀 2 中节流口的开度，从而实现推进速度的实时控制，此时系统中多余的流量可从比例溢流阀 3 中流出。为了实现姿态调整，还必须实时控制推进压力，此时可由压力传感器 5 检测液压缸 6 的推进压力，转换成电信号反馈到比例溢流阀 3 的比例电磁铁上，控制比例溢流阀 3 的节流口开度来实现。分组中的比例溢流阀3 和比例调速阀 2 与压力传感器 5 和位移传感器 7
8、一起构成压力流量复合控制，可实时控制推进系统的推进压力和推进速度，满足盾构推进过程中随时变化的推进压力和推进速度的要求。快速回退时，二位二通电磁换向阀 1 得电，短路比例调速阀 2，系统采用大流量供油，此时三位四通电磁换向阀 9 切换到工作状态 A 位置，液压缸 6 的活塞杆快速回退，以满足管片拼装的要求。液压锁 8 与具有 Y 型中位机能的三位四通电磁换向阀 9 组合在一起成为锁紧回路，中位停止时可很好地防止液压油的泄漏。液压缸回退时，平衡阀 4 能起到使运动平稳的作用。多个液压缸同时动作时，二位四通电磁换向阀 10 断电，主油路暂时断开，待多个液压缸控制信号到位后，再使二位四通电磁换向阀
9、10 得电，主油路导通，从而使得多个液压缸同时工作。 2、液压系统设计 刀盘 管拼装机 螺旋输送机负载模拟和驱动实验单元 刀盘 管片拼装机 螺旋输送机负载模拟和驱动实验系统采用闭式控制回路，主要由驱动和负载模拟两部分组成，其液压原理如下图所示。驱动部分采用变量泵驱动变量马达形式， 同时回路中包含比例方向流量阀， 系统可以在泵控和阀控之间切换，以满足不同系统模拟实验要求。为满足不同系统负载模拟的要求， 负载模拟部分由闭式系统和开式系统组成。各子系统具体工作方式如下： （1）刀盘驱动系统：当进行刀盘驱动模拟实验时，两位三通换向阀2 和阀 12 电磁铁得电，两位三通换向阀 4 电磁铁失电， 此时左侧
10、驱动部分组成变量泵控马达系统，通过改变变量泵的排量可以改变刀盘转速，进行刀盘调速实验。在负载模拟部分中，刀盘的惯性负载主要是通过实验台中的固定惯性轮和活动惯性轮模拟，液压泵 7 用于对刀盘驱动部分进行加载，刀盘驱动马达通过减速机驱动液压泵 7，主要模拟盾构掘进时刀盘切削土体和克服摩擦的扭矩。在右侧负载模拟部分，两位三通换向阀 8 和 11 电磁铁失电，负载扭矩的控制可以通过比例溢流阀 10 调整加载系统压力实现。另外， 可以通过设定阀 10 的输入信号控制加载扭矩形式，从而满足变载荷及不同负载条件下刀盘调速、系统节能及突变载荷适应性等实验要求。在加载泵和液压马达连接轴上装有力矩转速测试仪， 可
11、以实时检测马达输出扭矩。在整个实验过程中，两位三通阀 13 电磁铁得电， 补油泵 14 同时向左右两个闭式回路进行补 油。 管片拼装系统：当进行管片拼装旋转自由度驱动控制实验时，因为实际系统为阀控马达系统，所以各个阀的工作状态与刀盘实验中不同。首先，在左侧驱动系统中，阀 2、阀 4 和阀 12 电磁铁失电，液压泵和液压马达的输入信号为定值（此时相当于定量泵和定量马达） ，系统仍为闭式回路，马达转速和方向控制可以通过改变电液比例换向阀 3 的输入信号实现， 该回路中在马达的进出油口均装有平衡阀， 以保证马达在超越负载作用下管片定位的准确性和稳定性。在负载模拟部分，系统惯性负载仍通过惯性轮模拟，由
12、于管片拼装机承受的外负载与刀盘系统不同，因此右侧载荷模拟系统的工作方式与左侧不同。此时，阀 8 和 11 电磁铁均得电，使得加载系统变为开式回路，减压阀用于控制回路输入液压油的压力，通过改变减压阀的输入信号，可以模拟管片拼装机在不同转角下受到不同扭矩的实际工况，阀 9 用于改变载荷扭矩方向。由于负载回路为开式回路，阀 13 电磁铁失电，补油泵 14 仅向左侧驱动回路进行补油。 总结 盾构电液控制系统是盾构关键系统之一，也是国外先进盾构的保密技术。为缩短国内外盾构的差距，尽量加快盾构国产化的步伐，有必要对盾构电液控制系统的科学共性关键技术所涉及问题为对象开展深入研究。建立自主的盾构电液控制系统涉及和集成理论，并在共性关键技术方面取得创新性成果，从而为我国高性能盾构电液控制系统的发展机构理论基础。 参考文献 1 刘宣宇，邵诚，刘任喜。 盾构掘进土压控制模型的建立及仿真J. 煤炭学报. 2010(04) 2 上官子昌，李守巨，孙伟，栾茂田，刘博。 土压平衡盾构机密封舱土压力控制方法J. 煤炭学报. 2010(03)
