盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開(kāi)挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。它需要針對(duì)不同地層地質(zhì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，而目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有合適的設(shè)計(jì)理論和方法來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)，也沒(méi)有掌握相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論，所以有必要搭建盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，用來(lái)模擬不同類型的盾構(gòu)機(jī)在不同地層中的掘進(jìn)過(guò)程，開(kāi)展土壓平衡盾構(gòu)在典型地質(zhì)條件下的控制策略、設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法的研究。這將有利于提高我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平，擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)率。盾構(gòu)模擬試

2、驗(yàn)平臺(tái)中，盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)是其關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。 論文以盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，模擬實(shí)際盾構(gòu)施工過(guò)程中的工況要求，采用電液比例控制技術(shù)對(duì)盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種基于壓力流量復(fù)合控制的盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的控制以及同步協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了分析研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用壓力流量復(fù)合控制技術(shù)可實(shí)時(shí)控制推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度，滿足推進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)變化的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的要求

3、；同時(shí)采用主從式同步PID控制可使液壓缸的同步精度范圍控制在士3 mm之間，滿足掘進(jìn)要求。對(duì)土壓平衡的控制機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)密封倉(cāng)內(nèi)土倉(cāng)壓力的實(shí)時(shí)反饋來(lái)控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，可控制土壓力在設(shè)定范圍，基本實(shí)現(xiàn)土壓平衡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粘土層中的土倉(cāng)壓力值一般控制在20 KPa。論文還推導(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)總推力和刀盤扭矩的計(jì)算公式，對(duì)盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)與土體的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在土壓平衡的情況下，刀盤扭矩和盾構(gòu)總推力有良好的線性關(guān)系，

4、并且盾構(gòu)總推力隨著推進(jìn)距離的增加而緩慢地增加。本文的研究成果為實(shí)際盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了相關(guān)參考依據(jù)。 論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章，闡述了盾構(gòu)機(jī)以及盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀，論述了盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。提出了本課題的研究?jī)?nèi)容以及完成論文所要進(jìn)行的研究工作。 第二章，在對(duì)實(shí)際盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中的工況要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用電液比例控制技術(shù)對(duì)盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)電液控制系統(tǒng)進(jìn)行了原理

5、設(shè)計(jì)。包括基于壓力流量復(fù)合控制技術(shù)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)；采用電比例反饋控制技術(shù)的螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)以及采用全局功率自適應(yīng)技術(shù)的刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。 第三章，介紹了盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的控制功能，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了PLC控制設(shè)計(jì)；采用組態(tài)王對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓監(jiān)控系統(tǒng)界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。 第四章，采用AMESim和MATLAB仿真軟件建立了推進(jìn)電液控制系統(tǒng)

6、的仿真模型。對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的壓力控制特性和速度控制特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明采用壓力流量復(fù)合控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的控制。文中同時(shí)采用主從式同步PID控制策略對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的多缸同步協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明推進(jìn)系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)誤差精度可滿足設(shè)計(jì)要求。 第五章，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度的控制特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用壓力流量復(fù)合控制策略能實(shí)時(shí)控制推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度。同

7、時(shí)對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的多缸同步協(xié)調(diào)控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明液壓缸的同步精度可控制在±3 min之間。 第六章，根據(jù)密封倉(cāng)內(nèi)土壓力的變化，對(duì)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而較好地實(shí)現(xiàn)土壓平衡，有效控制地表沉降，減少地表變形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粘土層中的土倉(cāng)壓力值一般控制在20 KPa。針對(duì)三種典型的土層，在模擬試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行大型掘進(jìn)試驗(yàn)，推導(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)總推力的計(jì)算公式，分析了盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)的相互關(guān)系以及變化規(guī)律，為實(shí)際土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工