φ1.22 m微型土壓平衡盾構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究

郭京波， 張海東， 陳曉陽， 張 潮， 周慶祥

(石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，對地下空間建設(shè)的需求也在不斷提高[1]。目前，我國市政管道建設(shè)多采用頂管施工技術(shù)，但隨著施工距離延長，會出現(xiàn)頂進推力不足、頂進方向易失控等問題[2]。微型盾構(gòu)施工可以將管道推進力集成于盾體內(nèi)部，克服了長距離頂管施工的問題，在國外已得到廣泛應(yīng)用，但在我國發(fā)展緩慢，成為我國市政管路施工技術(shù)的一大缺口。因此，微型盾構(gòu)的自主研發(fā)顯得尤為必要。而液壓系統(tǒng)設(shè)計是微型盾構(gòu)研究的難點與關(guān)鍵，是我國自主研發(fā)微型盾構(gòu)亟待解決的問題。

微型盾構(gòu)需求量逐年增加，英國、德國和日本等國家已對其進行了深入研究，并廣泛應(yīng)用于市政管道建設(shè)，能夠適應(yīng)不同地質(zhì)和工程規(guī)模。早在2001年，日本就設(shè)計制造出緊湊型盾構(gòu)，用于污水管道建設(shè)[3]。目前，國內(nèi)對微型盾構(gòu)也開展了一些研究工作： 周鴻彬等[4]設(shè)計了開挖直徑為1.2 m的縮尺盾構(gòu)試驗機，但由于推進液壓缸與反力擋板連接，最大掘進深度僅1.5 m；同時，設(shè)計了盾構(gòu)液壓系統(tǒng)，刀盤轉(zhuǎn)速及掘進速度均可實時調(diào)節(jié)，能夠滿足試驗要求。李周男[5]設(shè)計了微型土壓平衡盾構(gòu)液壓系統(tǒng)，并給出液壓元件的參數(shù)設(shè)計及選型，但并未對微型盾構(gòu)引出的液壓技術(shù)問題進行深入研究。胡雄玉等[6]研制了φ800 mm土壓平衡盾構(gòu)試驗機，其液壓系統(tǒng)采用3臺電機，分別為刀盤、推進液壓缸和螺旋輸送機提供動力。朱北斗[7]設(shè)計了φ610 mm土壓平衡盾構(gòu)模擬系統(tǒng)，并基于掘進試驗功能要求設(shè)計了配套液壓系統(tǒng)，將所有閥集成于一個閥組上，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工困難。胡國良[8]和邢彤[9]設(shè)計了φ1.8 m盾構(gòu)試驗機液壓系統(tǒng)，其刀盤液壓泵站采用串列式布局放置于盾體內(nèi)部，可適應(yīng)有限內(nèi)部空間，但液壓泵站整體結(jié)構(gòu)較長，降低了盾構(gòu)靈敏度。周如林[10]對盾構(gòu)模擬掘進試驗機液壓系統(tǒng)進行了集成化設(shè)計。

綜上可見，國內(nèi)學(xué)者多針對盾構(gòu)試驗機的功能要求來設(shè)計微型盾構(gòu)液壓系統(tǒng)，較少對用于實際工程的微型盾構(gòu)進行液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究。本文從市政管道施工要求出發(fā)，設(shè)計并制造了φ1.22 m微型土壓平衡盾構(gòu)，重點分析微型盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的控制要求、功能特性、工作原理并進行計算，研究微型盾構(gòu)引出的液壓系統(tǒng)技術(shù)問題及相應(yīng)解決方案，并基于AMESim軟件對刀盤系統(tǒng)和推進系統(tǒng)進行仿真分析。

1 總體方案

設(shè)計制造微型盾構(gòu)如圖1所示，盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)包括刀盤、盾體、推進系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)和螺旋輸送機等，并配有始發(fā)架和渣土車。

該微型盾構(gòu)針對我國市政管道工程設(shè)計，為土壓平衡盾構(gòu)，開挖直徑為1.22 m，適用于粉質(zhì)黏土層、砂土層以及粒徑小于30 mm的卵石層，要求施工隧道覆土厚度不小于1.5 m。

盾體分為前盾、中盾和尾盾，直徑為1.2 m，總長2.32 m。微型盾構(gòu)長徑比大于1.5，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎操作，提高靈敏度，采用被動鉸接系統(tǒng)連接中盾與尾盾。為防止拉力過載，每個鉸接液壓缸均設(shè)置一個限位桿，可有效防止鉸接液壓缸破壞。推進液壓缸活塞桿前端配有撐靴塊，為使作用在管片上的推進反力均勻分布，避免應(yīng)力集中，撐靴塊表面還配有尼龍墊板，以保護管片。推進鉸接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 實物圖

(b) 設(shè)計圖

圖2 推進鉸接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of thrusting system and hinging system

刀盤是盾構(gòu)核心部件，刀盤實物如圖3所示。為適應(yīng)粉質(zhì)黏土、砂土及小顆粒卵石等軟土地層，刀盤邊緣突出前盾，設(shè)置切刀、邊刮刀及中心魚尾刀3種刀具。為方便刀具更換，所有刀具均采用螺栓固定方式安裝。切刀、邊刮刀是盾構(gòu)切削掌子面土體的主刀具，由于刀盤需要正反轉(zhuǎn)，故切刀、邊刮刀在正反方向均有布置。因刀盤中心無法布置切刀，為改善中心部位的切削和攪拌效果，提高開挖效率，布置1把中心魚尾刀。刀盤縱斷面形狀呈凸芯形，可較好地控制盾構(gòu)掘進方向，且易通過泡沫閥將泡沫劑與開挖土體混合，改善土體塑流性。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

微型土壓平衡盾構(gòu)液壓系統(tǒng)主要由刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進鉸接系統(tǒng)和螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)3部分組成。液壓泵站實物如圖4所示，液壓系統(tǒng)3部分組成集成于液壓泵站。

圖3 盾構(gòu)刀盤Fig. 3 Shield cutterhead

圖4 液壓泵站Fig. 4 Hydraulic pump station

2.1 控制要求

微型盾構(gòu)具體控制要求見表1。

表1 微型盾構(gòu)控制要求Table 1 Control requirements of miniature shield

2.2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與選型

2.2.1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖5所示，為泵控負載敏感系統(tǒng)。采用負載敏感泵4控制定量液壓馬達9，驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。刀盤控制閥組7主要由卸荷閥7.1、安全閥7.2和比例電磁換向閥7.3等組成。泵4中的恒壓閥4.3可限定系統(tǒng)最高工作壓力。閥組7通過測壓口Ls將負載變化信號反饋到泵4的控制口，驅(qū)動負載敏感閥閥芯移動，改變泵4的斜盤傾角，從而改變壓力和流量。無論負載如何變化、比例電磁換向閥7.3閥芯開口面積如何調(diào)節(jié)，負載敏感泵4的輸出流量始終與通過比例電磁換向閥7.3的負載流量相等，即刀盤轉(zhuǎn)速僅與閥芯開口面積有關(guān)；負載敏感泵4的輸出壓力始終高于負載壓力一個恒定值，實現(xiàn)按需供壓。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的調(diào)速、節(jié)能特性。

刀盤最大設(shè)計轉(zhuǎn)速為5 r/min，刀盤系統(tǒng)通過刀盤控制閥組7控制液壓馬達9的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)與正反轉(zhuǎn)控制。當(dāng)比例電磁換向閥7.3左位打開，刀盤正轉(zhuǎn)；反之，刀盤反轉(zhuǎn)。通過電位器旋鈕及電液比例控制器可以調(diào)節(jié)輸入比例電磁換向閥7.3的電流，改變閥芯開口面積，從而控制流量，調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速[11]。

1—油箱； 2—截止閥； 3—電機； 4—負載敏感泵； 4.1—變量缸彈簧腔； 4.2—變量缸敏感腔； 4.3—恒壓閥； 4.4—負載敏感閥； 5—壓力管路過濾器； 6—壓力表； 7—刀盤控制閥組； 7.1—卸荷閥； 7.2—安全閥； 7.3—比例電磁換向閥； 8—壓力變送器； 9—液壓馬達； 10—風(fēng)冷卻器； 11—空氣過濾器。

圖5刀盤液壓系統(tǒng)原理圖
Fig. 5 Working principle of cutterhead hydraulic system

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of cutterhead driving system

2.2.2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)選型計算

1)液壓馬達最高轉(zhuǎn)速

nmdmax=ndpmax×i1=5×320 r/min=1 600 r/min。

式中：ndpmax為刀盤的最高轉(zhuǎn)速；i1為傳動比。

2)液壓馬達最大輸出轉(zhuǎn)矩

式中:Tdmax為刀盤最大轉(zhuǎn)矩；ηj1為減速器的機械效率，取0.97。

3)液壓馬達排量

式中：p1為刀盤系統(tǒng)工作壓力，為16 MPa；ηmm1為刀盤液壓馬達的機械效率，取0.95。

4)泵的排量

式中：nE1為電機轉(zhuǎn)速，為1 500 r/min；ηpv1為泵的容積效率，取0.95；ηmv1為馬達的容積效率，取0.95。

5)電機額定功率

式中：Nm1為馬達的額定功率；ηpm1為泵的機械效率，取0.95。

2.3 推進鉸接及螺旋輸送機系統(tǒng)的設(shè)計與選型

2.3.1 推進鉸接及螺旋輸送機系統(tǒng)設(shè)計

推進液壓缸和鉸接液壓缸布置方式如圖6所示。采用6個推進液壓缸(①—⑥)共同推進，按順序依次安裝，均勻分布在盾體環(huán)面上，液壓缸行程為400 mm。為調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，完成糾偏操作，設(shè)置A、B、C、D共4個壓力控制區(qū)，可單獨控制各分區(qū)最大推進力。4個鉸接液壓缸(⑦—⑩)分別布置于四角。

推進鉸接系統(tǒng)及螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)液壓原理圖如圖7所示，均為閥控負載敏感系統(tǒng)，由雙聯(lián)泵4供油。推進鉸接控制閥組12由進油聯(lián)12.1、推進比例電磁換向閥12.2和鉸接電磁換向閥12.3組成，進油聯(lián)由高壓溢流閥、低壓安全閥、電磁球閥和卸荷閥等元件組成。

閥組12可實現(xiàn)高低壓2種狀態(tài)供油。高壓狀態(tài)用于掘進模式，進油聯(lián)控制系統(tǒng)壓力不超過20 MPa；當(dāng)帶有負載敏感特性的推進比例電磁換向閥12.2左位得電， 6個推進液壓缸14伸出，可控制整體推進速度。低壓狀態(tài)用于管片拼裝模式，降低了推進液壓缸14通過撐靴接觸管片時的沖擊力，防止管片破損； 低壓安全閥控制系統(tǒng)壓力不超過8 MPa。

推進閥組13由4個比例減壓閥13.1、 6個電磁換向閥13.2、 6個液控單向閥13.3和4個壓力傳感器13.4組成，完成分區(qū)壓力控制及實現(xiàn)液壓缸伸縮功能[12]。液控單向閥13.3可以鎖死液壓缸，避免盾構(gòu)后退以防止掌子面坍塌。

圖6 推進液壓缸和鉸接液壓缸布置方式

Fig. 6 Layout of hydraulic cylinders hinging cylinders system

在推進鉸接控制閥組12中，鉸接電磁換向閥12.3僅在初次給鉸接液壓缸15供油或者長時間工作后鉸接液壓缸15油液不足時，左位得電給液壓缸供油。通過平衡閥16實現(xiàn)4個鉸接液壓缸15伸縮狀態(tài)被動調(diào)整。

螺旋輸送機由定量液壓馬達9驅(qū)動，液壓馬達9的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向以及閘門液壓缸11的伸縮功能均由螺旋輸送機控制閥組7完成。閥組7由帶有負載敏感特性的比例電磁換向閥7.1、進油聯(lián)7.2和電磁換向閥7.3組成，進油聯(lián)7.2包括換向閥、安全閥和卸荷閥等液壓元件。

推進鉸接系統(tǒng)及螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表3。

2.3.2 推進鉸接及螺旋輸機系統(tǒng)選型計算

1)單個推進液壓缸所需推進力

式中：F為總推力；n為推進液壓缸個數(shù)，取6。

2)推進液壓缸內(nèi)徑

式中p2為推進系統(tǒng)工作壓力。

1—油箱； 2—截止閥； 3—電機； 4—雙聯(lián)泵； 5—壓力管路過濾器； 6—壓力表； 7—螺旋輸送機控制閥組； 7.1—比例電磁換向閥； 7.2—進油聯(lián)； 7.3—電磁換向閥； 8—壓力傳感器； 9—液壓馬達； 10—液壓鎖； 11—閘門液壓缸； 12—推進鉸接控制閥組； 12.1—進油聯(lián)； 12.2—推進比例電磁換向閥； 12.3—鉸接電磁換向閥； 13—推進閥組； 13.1—比例減壓閥； 13.2—電磁換向閥； 13.3—液控單向閥； 13.4—壓力傳感器； 14—推進液壓缸； 15—鉸接液壓缸； 16—平衡閥； 17—風(fēng)冷卻器； 18—空氣過濾器。

圖7推進鉸接及螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)原理圖
Fig. 7 Working principle of thrusting and hinging system and screw conveyor system

表3推進鉸接系統(tǒng)及螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

Table 3 Design parameters of thrusting and hinging system and screw conveyor system

參數(shù)參數(shù)值推進系統(tǒng)壓力/MPa20管片拼裝系統(tǒng)壓力/MPa8總推力/kN1 356推進速度/(mm/min)0～80螺旋輸送機轉(zhuǎn)速/(r/min)0～60螺旋輸送機轉(zhuǎn)矩/(N·m)1 400螺旋輸送機系統(tǒng)壓力/MPa16傳動比8

因此，取推進液壓缸內(nèi)徑為標(biāo)準(zhǔn)值D標(biāo)=125 mm。

活塞桿直徑d=0.7D標(biāo)=87.5 mm。因此，取活塞桿直徑為標(biāo)準(zhǔn)值d標(biāo)=90 mm。

3)推進系統(tǒng)液壓泵的排量

心肺耐力與大肌肉群參與的、動力性中等到較大強度的長時間運動能力相關(guān)，與呼吸、心血管、骨骼肌的生理和功能狀態(tài)相關(guān)。心肺耐力水平低者其早期全因死亡風(fēng)險明顯增加，特別是死于心血管疾病者增多，提高心肺耐力可以降低全因死亡率。峰值攝氧量是衡量心肺耐力的標(biāo)準(zhǔn)，可以客觀評價慢性疾病和健康問題人群的心肺耐力。

式中：Qp2為6個液壓缸同時推進所需要的最大流量，Qp2=nv1A1(其中，v1為推進液壓缸的最大速度；A1為液壓缸無桿腔面積);nE2為電機轉(zhuǎn)速，取1 500 r/min；ηpv2為定量泵的容積效率，取0.9。

4)螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)液壓馬達的排量

式中：T3為馬達輸出轉(zhuǎn)矩；ηmm3為馬達的機械效率，取0.9；p3為螺旋輸送機系統(tǒng)工作壓力；TL為螺旋輸送機設(shè)計轉(zhuǎn)矩；i3為減速器傳動比；ηj3為減速器的機械效率，取0.97。

n3=nlmax×i3=60×8 r/min=480 r/min。

式中nlmax為螺旋輸送機最高轉(zhuǎn)速。

6)螺旋輸送機系統(tǒng)液壓泵的排量

式中：Qm3為液壓馬達實際流量，Qm3=qm3n3/ηmv3；ηpv3為泵的容積效率，取0.9；ηmv3為馬達的容積效率，取0.9。

7)推進鉸接系統(tǒng)所需功率

式中：ηpm2為泵的機械效率，取0.9;Qp2為泵的實際流量。

8)螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)所需功率

式中：ηpm3為泵的機械效率，取0.9；Qp3為泵的實際流量。

9)電機的額定功率

N=N2+N3=2.43 kW+13.8 kW=16.23 kW。

2.4 技術(shù)問題與解決方案

針對空間結(jié)構(gòu)、性能要求等影響因素，對微型盾構(gòu)液壓系統(tǒng)進行針對性設(shè)計。主要解決以下技術(shù)問題：

1)微型盾構(gòu)掘進過程中面對的施工環(huán)境具有動載、重負荷及高壓等特點，因此，盾構(gòu)需要適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境并具有穩(wěn)定的性能。此外，微型盾構(gòu)液壓系統(tǒng)精度要求高，液壓元件可選范圍較小且成本偏高。實際選型多采用進口元件以滿足要求。

刀盤液壓系統(tǒng)動力元件采用Bosch Rexroth的ALA10VO71DFLR/31R-VSC42N00恒壓變量泵，額定排量為71 mL/r，容積效率和機械效率分別為0.95、0.96，具有噪聲低、壽命長、工作壓力高及控制靈敏度高等優(yōu)點；此外，具有可調(diào)恒壓輸出及可調(diào)流量輸出功能，在滿足節(jié)能環(huán)保的同時，可以保證刀盤轉(zhuǎn)速控制精確，具有良好的魯棒性。

此外，刀盤系統(tǒng)的控制元件比例電磁換向閥選用4WRE10W1-50-2X/G24K4/F1V，進出口壓差為1 MPa，公稱流量為50 L/min；執(zhí)行元件柱塞馬達選用A2FM56/61 W-VAB020，額定排量為56 mL/r，容積效率和機械效率分別為0.95、0.97； 以上液壓元件均選自Bosch Rexroth。

2)微型盾構(gòu)推進系統(tǒng)與地鐵盾構(gòu)相比，同樣具備壓力分區(qū)等功能以實現(xiàn)姿態(tài)控制，增加了液壓系統(tǒng)復(fù)雜性與微型盾構(gòu)操作難度。采用比例電磁換向閥和比例減壓閥完成推進速度整體控制及推進壓力分區(qū)控制，控制元件較少，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低[13]。

3)微型盾構(gòu)內(nèi)部空間狹小，對液壓系統(tǒng)布置要求較高。液壓泵站無法隨盾構(gòu)進入隧道，且液壓管路數(shù)量較多，造成施工不便。因此，僅將推進閥組安裝于盾構(gòu)中，從而有效減少了液壓泵站與盾構(gòu)之間液壓管路的數(shù)量，優(yōu)化了液壓管路。推進閥組實物如圖8所示。

圖8 推進閥組Fig. 8 Thrusting valve group

此外，為適應(yīng)大功率要求，在安裝空間有限的條件下要求液壓馬達具有高功率密度。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)選用插裝式斜軸馬達，可直接與減速器配合使用[14]，在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時保證了較高的功率密度。

4)微型盾構(gòu)正常工作中，由于高壓油液溢流及系統(tǒng)內(nèi)泄等引起液壓系統(tǒng)溫升，且隧道空間狹小，散熱問題尤為重要。考慮施工現(xiàn)場條件，采用風(fēng)冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)散熱，冷卻系統(tǒng)由風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩和帶有散熱片的管路等組成[15]，結(jié)構(gòu)簡單、維修方便且冷卻效率高。此外，液壓系統(tǒng)采用負載敏感技術(shù)，避免溢流能耗損失，具有節(jié)能特性，可減少熱量產(chǎn)生。

3 仿真與分析

3.1 刀盤轉(zhuǎn)速魯棒性仿真

采用AMESim軟件，建立微型盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)模型。針對變負載工況，以盾構(gòu)掘進至70 m處為例，考慮油液黏度和在流動中的摩擦力，進行刀盤轉(zhuǎn)速的魯棒性仿真。

設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩在0～10 s為20 kN·m，10～20 s為30 kN·m， 20～30 s為42 kN·m， 30 s時達到最大設(shè)計負載轉(zhuǎn)矩。設(shè)定4級電機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，泵的排量為71 mL/r，柱塞馬達排量為56 mL/r，安全閥控制壓力為16 MPa。設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速在初始狀態(tài)下為5 r/min。

仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩變化時，刀盤轉(zhuǎn)速可以基本維持恒定， 20～30 s的轉(zhuǎn)速與初始轉(zhuǎn)速相比，變化率為4.8%，控制精度較高，魯棒性良好，保證了刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)性。該系統(tǒng)的液壓馬達轉(zhuǎn)速僅與比例電磁換向閥的閥芯開口面積有關(guān)，即液壓泵輸出流量始終與通過比例電磁換向閥的負載流量相等。

圖9 刀盤負載變化圖Fig. 9 Variation of cutterhead loads

圖10 刀盤轉(zhuǎn)速變化圖Fig. 10 Variation of cutter-head speeds

3.2 推進速度控制仿真

在AMESim軟件中建立微型盾構(gòu)的推進系統(tǒng)模型。針對盾構(gòu)掘進過程中的調(diào)速工況，以掘進至70 m處為例，進行推進速度控制性能仿真。

3.2.1 均布定載荷

在均布定載荷情況下，設(shè)定4級電機的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，推進泵的排量為5.5 mL/r。推進液壓缸缸徑為125 mm，桿徑為90 mm。4個分區(qū)負載均為160 kN，且保持不變。4個比例電磁減壓閥均輸入1 200 mA電流，且維持恒定。設(shè)定安全閥控制壓力為20 MPa。通過比例電磁換向閥設(shè)定初始推進速度為1 mm/s， 20 s后調(diào)整為0.5 mm/s， 40 s后重新調(diào)整為1 mm/s。以圖6中A區(qū)1號液壓缸為例，仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，在20 s時調(diào)整推進速度， 5.5 s后掘進速度穩(wěn)定在0.5 mm/s，超調(diào)量為7.7%。40 s時再次調(diào)整推進速度，經(jīng)過1.4 s，掘進速度穩(wěn)定在1 mm/s，超調(diào)量為5.2%。仿真結(jié)果表明，推進速度控制性能良好，僅有小幅超調(diào)量，響應(yīng)速度快。通過比例電磁換向閥可以實現(xiàn)推進速度的實時控制。

圖11 均布定載荷下推進速度變化圖Fig. 11 Variation of thrusting speeds under uniformly fixed load

3.2.2 均布變載荷

在均布變載荷情況下， 0～60 s 4個分區(qū)負載均由160 kN緩慢變化至120 kN，如圖12所示。其余條件與均布定載荷情況相同。

圖12 推進負載變化圖Fig. 12 Variation of thrusting loads

以圖6中A區(qū)1號液壓缸為例，仿真結(jié)果如圖13所示。在20 s時調(diào)整推進速度， 2.8 s后推進速度穩(wěn)定為0.53 mm/s，超調(diào)量為12%。在22.8～40 s推進速度由0.53 mm/s微變至0.55 mm/s。40 s時再次調(diào)整推進速度，經(jīng)過5.9 s，掘進速度穩(wěn)定在1.02 mm/s，超調(diào)量為6%。仿真結(jié)果表明，推進速度控制性能較均布定載荷情況略低，但整體性能良好，推進速度實時可調(diào)。

圖13 均布變載荷下推進速度變化圖Fig. 13 Variation of thrusting speeds under uniformly varying load

4 結(jié)論與討論

1)設(shè)計制造了適用于市政管道建設(shè)的φ1.22 m微型土壓平衡盾構(gòu)。分析了液壓系統(tǒng)的控制要求、功能特性及原理，并進行詳細設(shè)計計算；針對微型盾構(gòu)引出的液壓系統(tǒng)技術(shù)問題，給出相應(yīng)解決方案；應(yīng)用負載敏感技術(shù)，系統(tǒng)節(jié)能、高效，具有良好的適應(yīng)性。本研究對于我國微型盾構(gòu)的自主研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

2)通過AMESim軟件對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)和推進系統(tǒng)進行仿真。結(jié)果表明，負載轉(zhuǎn)矩變化下刀盤轉(zhuǎn)速變化率為4.8%，具有良好的魯棒性；均布定載荷與均布變載荷情況下，推進速度實時可調(diào)，超調(diào)量最大為12%，控制性能良好，滿足工程要求。

3)本文僅在均布定載荷與均布變載荷下進行推進速度控制性能仿真。后續(xù)工作中，將對非均定載荷及非均變載荷情況進行探討，對推進速度控制性能的研究進行深化，并進行相應(yīng)優(yōu)化。

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