盾構模擬試驗平臺電液控制系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、盾構機是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備。它需要針對不同地層地質要求進行設計制造，而目前國內(nèi)并沒有合適的設計理論和方法來進行指導，也沒有掌握相應的設計理論，所以有必要搭建盾構模擬試驗平臺，用來模擬不同類型的盾構機在不同地層中的掘進過程，開展土壓平衡盾構在典型地質條件下的控制策略、設計理論及計算方法的研究。這將有利于提高我國盾構機的設計制造水平，擴大盾構機的國產(chǎn)率。盾構模擬試

2、驗平臺中，盾構機電液控制系統(tǒng)是其關鍵和難點所在。 論文以盾構模擬試驗平臺為研究對象，模擬實際盾構施工過程中的工況要求，采用電液比例控制技術對盾構模擬試驗平臺液壓系統(tǒng)進行了原理設計。設計了一種基于壓力流量復合控制的盾構推進電液控制系統(tǒng)，對推進系統(tǒng)中推進壓力和推進速度的控制以及同步協(xié)調控制進行了分析研究。仿真和實驗結果表明采用壓力流量復合控制技術可實時控制推進系統(tǒng)的推進壓力和推進速度，滿足推進過程中隨時變化的推進壓力和推進速度的要求

3、；同時采用主從式同步PID控制可使液壓缸的同步精度范圍控制在士3 mm之間，滿足掘進要求。對土壓平衡的控制機理進行了實驗研究，通過對密封倉內(nèi)土倉壓力的實時反饋來控制螺旋輸送機的轉速，可控制土壓力在設定范圍，基本實現(xiàn)土壓平衡，實驗結果表明粘土層中的土倉壓力值一般控制在20 KPa。論文還推導了盾構機總推力和刀盤扭矩的計算公式，對盾構機工作參數(shù)與土體的關系進行了實驗研究，實驗結果表明在土壓平衡的情況下，刀盤扭矩和盾構總推力有良好的線性關系，

4、并且盾構總推力隨著推進距離的增加而緩慢地增加。本文的研究成果為實際盾構機的設計制造提供了相關參考依據(jù)。 論文主要研究內(nèi)容如下： 第一章，闡述了盾構機以及盾構模擬試驗平臺的國內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀，論述了盾構機電液控制系統(tǒng)需要解決的關鍵技術問題。提出了本課題的研究內(nèi)容以及完成論文所要進行的研究工作。 第二章，在對實際盾構機施工過程中的工況要求進行分析的基礎上，采用電液比例控制技術對盾構模擬試驗平臺電液控制系統(tǒng)進行了原理

5、設計。包括基于壓力流量復合控制技術的推進液壓系統(tǒng)；采用電比例反饋控制技術的螺旋輸送機液壓系統(tǒng)以及采用全局功率自適應技術的刀盤驅動液壓系統(tǒng)。 第三章，介紹了盾構模擬試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件結構設計。利用基于CC-Link現(xiàn)場總線的PLC控制實現(xiàn)了盾構液壓系統(tǒng)的控制功能，同時對盾構液壓系統(tǒng)進行了PLC控制設計；采用組態(tài)王對盾構機液壓監(jiān)控系統(tǒng)界面進行開發(fā)設計。 第四章，采用AMESim和MATLAB仿真軟件建立了推進電液控制系統(tǒng)

6、的仿真模型。對盾構推進液壓系統(tǒng)的壓力控制特性和速度控制特性進行仿真分析。結果表明采用壓力流量復合控制可實現(xiàn)對液壓缸的推進壓力和推進速度的控制。文中同時采用主從式同步PID控制策略對推進液壓系統(tǒng)的多缸同步協(xié)調控制進行仿真分析，仿真結果表明推進系統(tǒng)的同步運動誤差精度可滿足設計要求。 第五章，對盾構推進液壓系統(tǒng)的推進壓力和推進速度的控制特性進行實驗分析研究，實驗結果表明采用壓力流量復合控制策略能實時控制推進系統(tǒng)的推進壓力和推進速度。同

7、時對推進液壓系統(tǒng)的多缸同步協(xié)調控制進行實驗分析，結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)密封倉內(nèi)土壓力的變化，對螺旋輸送機的轉速進行實時控制，從而較好地實現(xiàn)土壓平衡，有效控制地表沉降，減少地表變形，實驗結果表明粘土層中的土倉壓力值一般控制在20 KPa。針對三種典型的土層，在模擬試驗平臺上進行大型掘進試驗，推導了盾構機總推力的計算公式，分析了盾構機工作參數(shù)的相互關系以及變化規(guī)律，為實際土壓平衡盾構掘進施工