摘要：推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。本文闡述了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的原理。利用AMESim仿真工具對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明常規(guī)壓力控制會(huì)引起流量的劇烈波動(dòng)，常規(guī)流量控制又會(huì)引起壓力波動(dòng)，而壓力流量復(fù)合控制方式既可以進(jìn)行壓力閉環(huán)控制又可是進(jìn)行流量閉環(huán)控制，從而減小壓力和流量的波動(dòng)，達(dá)到對(duì)推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的實(shí)時(shí)控制的目的。
　　關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)，推進(jìn)液壓系統(tǒng)，壓力流量復(fù)合控制；AMESim仿真1.前言
　　盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種用于地下隧道工程開(kāi)挖的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，具有開(kāi)控切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。具有開(kāi)挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、安全性高、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，比之傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有著良好的綜合效益。
　　推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)機(jī)械的頂進(jìn)任務(wù)，要求完成盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運(yùn)動(dòng)，使得盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能沿著事先設(shè)定好的路線前進(jìn)，是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。
　　考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)具有大功率、變負(fù)載和動(dòng)力遠(yuǎn)距離傳遞及控制特點(diǎn)，其推進(jìn)系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞、分配及控制。
　　本文針對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的工況要求采用AMESim仿真工具進(jìn)行了系統(tǒng)的相關(guān)分析研究。仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。
　　2推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理介紹
　　盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。比例溢流閥3調(diào)節(jié)液壓缸壓力，達(dá)到壓力控制；比例調(diào)速閥14來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量，達(dá)到速度控制；三位四通電磁閥12實(shí)現(xiàn)推進(jìn)缸的推進(jìn)、后退和停止?fàn)顟B(tài)；插裝閥1可以為推進(jìn)油缸的快速運(yùn)動(dòng)時(shí)提供快速流通通道，減少液壓油進(jìn)入液壓缸的沿程壓力損失。插裝13可以實(shí)現(xiàn)為推進(jìn)缸快速退回提供快速流通通道，減小液壓油回程阻力。溢流閥10可以對(duì)系統(tǒng)起緩沖作用，當(dāng)液壓缸進(jìn)行推進(jìn)的瞬間進(jìn)油口會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的過(guò)載，這樣溢流閥就會(huì)立即開(kāi)啟形成短路，使進(jìn)、回油路自循環(huán)，過(guò)載油液得到緩沖；二位二通閥7通電可以對(duì)故障中液壓缸進(jìn)行卸載檢修，減小卸載中的壓力沖擊。阻尼孔用來(lái)調(diào)節(jié)插裝閥的開(kāi)啟速度，改變插裝閥的靜動(dòng)特性和減小液壓沖擊，同時(shí)可防止二位二通閥7卸載時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊。阻尼孔的直徑范圍一般為0.8～2.5mm。

　　3推進(jìn)液壓系統(tǒng)仿真分析
　　3.1仿真模型
　　盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)的插裝閥1處于關(guān)閉狀態(tài)，三位四通閥12置于右位，液壓油通過(guò)比例調(diào)速閥14和三位四通閥12流入液壓缸無(wú)桿腔，有桿腔液壓油通過(guò)三位四通閥12和比例溢流閥1流回油箱。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，插裝閥1打開(kāi)，三位四通閥12置于左位，液壓油流入液壓缸有桿腔，使油缸回退。通過(guò)比例液流閥和比例調(diào)速閥來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的壓力和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度。為簡(jiǎn)化分析且便于仿真的進(jìn)行可以省略插裝閥1，插裝閥13和三位四通閥12，得到簡(jiǎn)化原理圖如圖2所示。

　　利用AMESim建立系統(tǒng)簡(jiǎn)化的仿真原理模型圖如圖3所示。液壓輸入取恒壓輸入模型PRSEC，作為執(zhí)行元件的液壓缸選用系統(tǒng)模型HJ010，管道選用系統(tǒng)HL000[5]。由于AMESim軟件自身沒(méi)有帶比例調(diào)速模型閥和比例壓力閥模型，故利用HCD（液壓元件設(shè)計(jì)模塊）建立其HCD模型如圖3所示。

　　仿真時(shí)壓力達(dá)到設(shè)定8.5Mpa時(shí)，負(fù)載速度從0載速度上升到0.001mm/s，負(fù)載力設(shè)定為常數(shù)：12361N。
　　3.1.1推進(jìn)壓力開(kāi)環(huán)控制仿真
　　流量閥的流量設(shè)定為11.4L/min，壓力閥為10.5Mpa，當(dāng)液壓缸壓力達(dá)到8.5Mpa時(shí)負(fù)載速度從0上升到0.001m/s。壓力閥在100s時(shí)調(diào)節(jié)為10.5Mpa，200s時(shí)調(diào)節(jié)到9.0Mpa。圖4為調(diào)整壓力時(shí)液壓缸壓力圖和流量曲線圖。其中1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。

　　壓力上調(diào)時(shí)，液壓缸速度出現(xiàn)上升的較大波動(dòng)，直到壓力達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定的新壓力值。壓力下調(diào)時(shí)，液壓缸速度出現(xiàn)下降較大的波動(dòng)直到壓力達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定的新壓力值。因此，液壓缸調(diào)節(jié)壓力時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止缸速度變化太大。
　　3.1.2推進(jìn)流量開(kāi)環(huán)控制仿真
　　流量閥的流量設(shè)定為11.4L/min，壓力閥為10.5Mpa，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值8.5Mpa后負(fù)載速度從0上升到0.001m/s。流量閥在100s時(shí)調(diào)節(jié)為11.4L/min，200s時(shí)調(diào)節(jié)到5.7L/min。負(fù)載速度在100s時(shí)調(diào)節(jié)為0.0005m/s，200s時(shí)調(diào)節(jié)為0.001m/s。圖5為調(diào)整流量時(shí)液壓缸壓力和流量曲線圖。其中1＃曲線為液壓缸壓力變化曲線，2＃曲線為液壓缸流量變化曲線。

　　上調(diào)流量時(shí)，液壓缸速度上升波動(dòng)，壓力有微小變化。下調(diào)流量時(shí)，液壓缸速度下降波動(dòng)，壓力已有微小變化。液壓缸壓力微小變化取決于比例溢流閥溢流量的變化。
　　從圖4和圖5的仿真結(jié)果可以看到，單純的壓力控制會(huì)引起流量波動(dòng)，單純的流量控制又會(huì)引起壓力的波動(dòng)，兩者都不能達(dá)到很好的控制效果。
3.2壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制方式
　　為了實(shí)現(xiàn)壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制，采用以下控制原理。分別對(duì)液壓缸的壓力流量信號(hào)進(jìn)行采集反饋，比例壓力閥作為壓力流量復(fù)合控制的主要執(zhí)行元件，比例流量閥實(shí)