?1.2 m微型盾构试验机液压系统设计及仿真

?1.2 m微型盾构试验机液压系统设计及仿真

郭京波， 陈晓阳， 李 杰

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北 石家庄 050043)

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。

关键词：微型盾构；掘进参数；液压系统；仿真分析

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。

1 刀盘液压系统设计及其选型

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

图1 刀盘液压系统组成

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。

2 推进液压系统设计及选型

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。

图2 推进液压系统工作原理图

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。

3 螺旋输送机液压系统设计及选型

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。

图3 螺旋输送机液压系统原理图

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 系统仿真和分析

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。

图4 比例电磁换向阀控制的刀盘转速仿真

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。

图5 比例电磁换向阀控制油缸的推进速度

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。

5 结论

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。

图6 比例电磁换向阀控制螺旋机的转速

参考文献

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On the Design and Simulation of the Hydraulic System for the ?1.2 m Test Mini-Shield Machine

GUO Jingbo, CHEN Xiaoyang, LI Jie

(Department of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Abstract：In order to study the different effects of various strata on the tunneling parameters for a shield,and further determine the corresponding suitable work parameters,a mini test-shield machine is designed and developed.Focused on in the paper is the introduction to the hydraulic system of the mini-shield,which is made up of a cutter head system,a thrust system,and a screw conveyor system.Besides, the working principles of the various hydraulic systems and their type-choice calculations are dealt with in detail.Finally,the software of AMEsim is used to model and simulate the three hydraulic systems.The results of the simulation show that the rotating speed of the cutter,the tunneling speed of the simulation shield machine,and the rotating speed of the screw conveyor can all be controlled constantly, meeting the requirements of the tests.

Key words：mini-shield;tunneling parameters;hydraulic system;simulation and analysis

收稿日期：2016-09-20

基金项目：国家自然科学基金(51275321)

第一作者简介：郭京波(1966—)，男，教授，主要从事盾构及TBM施工技术方面的研究工作。

通信作者简介：陈晓阳(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为盾构施工技术。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.01.08

中图分类号：U455.39

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2017)01-0029-05