外文翻譯--盾構(gòu)機的壓力調(diào)節(jié)液壓推力系統(tǒng)的仿真分析 中文版

1、<p>　　畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系 別： 機電信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　班 級：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　外文出處：Front.Mech.Eng.2011,6(3):377–382</p><p>　　附 件： 1. 原文； 2. 譯文

3、 </p><p><b>　　2013年03月</b></p><p>　　盾構(gòu)機的壓力調(diào)節(jié)液壓推力系統(tǒng)的仿真分析</p><p>　　高等教育出版社和斯普林格出版社柏林海德堡2011</p><p>　　摘要：液壓推進系統(tǒng)在盾構(gòu)掘進機中是一個重要的系統(tǒng)。推力氣缸壓力調(diào)節(jié)推力系統(tǒng)在隧道開挖過程中有重要作用。為

4、了研究系統(tǒng)的特點，在本文中,液壓推進系統(tǒng)被解釋說是和一個相應的仿真模型進行優(yōu)化。壓力調(diào)節(jié)某組的缸不會影響其他組缸的運行。泵位移對壓力調(diào)節(jié)和供油流量適應系統(tǒng)的需求有很大的影響。一個恰當?shù)睦咏忉屃巳绾文M隧道開挖期間壓力調(diào)節(jié)工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隧道，液壓推進系統(tǒng)，壓力調(diào)節(jié),仿真</p><p><b>　　1 介紹</b></p><

5、p>　　盾構(gòu)機是一種用于地下隧道開挖的大型和復雜的機器。它是用于建設工程，如地下鐵路、城市管道、海底隧道等等。液壓技術(shù)是廣泛應用于盾構(gòu)掘進機。例如,它是用于推力系統(tǒng),刀盤驅(qū)動系統(tǒng),螺旋輸送機,段安裝工等。</p><p>　　隧道開挖工作的研究已開展。杉本和斯頓在力學分析基礎上構(gòu)建了一個隧道開挖理論模型[1],其仿真結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)吻合的較好。瑪雅和羅德里格斯使用離散數(shù)值模型分析了基坑開挖過程，并對一些推力和

6、轉(zhuǎn)矩也進行了研究[3]。許等人在隧道開挖研究中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些工作參數(shù)之間的關(guān)系 [4]，但只有少數(shù)研究已經(jīng)完成液壓系統(tǒng)。胡等人也做了一些在推力系統(tǒng)的機器上的工作。壓力和流量復合控制也被其研究[5]。</p><p>　　文獻[ 5 ]不同的系統(tǒng)研究。推力系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)是通過使用這種調(diào)節(jié)的簡化的仿真模型和案例的研究進行了討論。</p><p><b>　　2 推力系統(tǒng)</b&

7、gt;</p><p>　　推力系統(tǒng)是盾構(gòu)掘進機的重要組成部分。該系統(tǒng)由動力單元(電機和液壓泵),液壓閥,液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)。推力液壓缸的數(shù)量通常是16或32。如果個人控制液壓缸的應用,高數(shù)量的比例控制閥和壓力傳感器是必需的。此外, 在開挖時機器操作員必須控制16或32壓力參數(shù)，個人控制是十分復雜和昂貴的。如今,推力氣缸通常分為四個或五個組,四組安排更常見。四組缸分為A組、B組、C組、D組,對應到右區(qū)域,低區(qū)、左

8、區(qū)和上區(qū)。四組缸的比例A∶B∶C∶D通常是4∶5∶4∶3,見圖1。</p><p>　　在B組需要更多的缸來計數(shù)較低的區(qū)域的切削熱和高壓力。如果他們是在同一組，液壓油在不同缸中發(fā)揮作用都是相同的。在這種情況下,只有四個比例控制閥門是必需的, 機器操作員只需要控制四個壓力參數(shù)。在隧道開挖時，液壓缸用高壓液壓油產(chǎn)生推力時推動機器前進。機器操作員可以調(diào)整液壓壓力的推力來使氣缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制和機態(tài)調(diào)整。推力過程結(jié)束后,段安

9、裝將組成一個新的環(huán)境的隧道。當一段座落,對應缸延伸。在段安裝中這些氣瓶發(fā)揮作用，用小力來完成段安裝過程。</p><p><b>　　3 液壓回路和建模</b></p><p>　　推力系統(tǒng)液壓回路如圖2。該系統(tǒng)主要由一個可變位移泵1,減壓閥2、換向閥3、四減壓閥4和十六缸液壓缸7。泵的位移量正比于輸入信號。當系統(tǒng)過載時，泄壓閥和換向閥是用來控制擴展運動或收縮運動。減

10、壓閥是最重要的組成部分,用于調(diào)整液壓缸的壓力。</p><p>　　當氣缸是擴展的,高壓油從液壓泵1,然后流經(jīng)換向閥3,減壓閥4,單向閥5,開/關(guān)閥6,最后進入后室的液壓缸7。回壓油流出7缸的有桿腔,然后通過定向控制閥門3回油箱。當氣缸縮回,油流經(jīng)換向閥3, 然后進入液壓缸7的有桿腔。背部壓力油流出后室,然后通過開/關(guān)閥6,單向閥8,換向閥3,最后進入油箱。</p><p>　　商業(yè)軟件A

11、MESim作為仿真分析工具。為了簡化模型，兩組液壓缸（通常是左區(qū)和右區(qū)）被進行分析。通過使用這兩個區(qū)域，模擬盾構(gòu)機可能的轉(zhuǎn)向運動。仿真模型如圖3所示。軟件所提供的所有的液壓模型除了減壓閥的正常模式，是建立一個“超級元件”合成的常用的幾種模型。閥門提供了更多的細節(jié)不僅有工作參數(shù)，而且還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在盾構(gòu)掘進機工作時，可變位移泵與比例位移控制泵具有相同的功能，泵的位移量與輸入信號成正比。</p><p>　　缸負荷模

12、型的三部分是:土壓力、摩擦,力所引起的推力運動。土壓力施加在本機的銑頭和襯里上。壓力施加到刀頭影響推力運動,壓力在襯里可以忽略。摩擦阻力對襯里的機器引起的土壓力是相當大的,占一半以上的推力。然而,在基坑開挖過程時壓力和摩擦力幾乎保持不斷。因此,這兩種力量都被設置為常數(shù)的模型，土壓力設置輸入信號的負載模型和摩擦中設置質(zhì)量模型之間有一個線性關(guān)系，即推進速度和推力的關(guān)系,見圖4[4]。黑星點代表實驗結(jié)果68%的開放率,白色的方形光點代表結(jié)果3

13、6%開放率，每一個實線顯示了推進速度和推力的線性關(guān)系。在廣州地鐵建設的3號線所顯示的數(shù)據(jù)很好的體現(xiàn)了這個線性關(guān)系 [6]。 </p><p>　　一個更大的推力導致更高的推進速度。這是因為更大的力引起較大的刀具進給速度, 在固定的時間間隔內(nèi)更多的土壤將被切斷。為了推動機器前進，這個推力應大于土壓力施加到刀頭連同摩擦力。如果推力不是足夠大,機器將不會進步。在圖3中,有一個死區(qū)在負荷模型。在死區(qū)中，推力是不足以推動機

14、器前進；比如像參考文獻[ 6 ] 這種情況。雖然機器是前進的,但增加了推力將導致增加推進速度，這個實驗結(jié)果應用于負荷模型。壓力調(diào)節(jié)決定隊伍的開挖所以方向機是影響壓力分布的推力缸。機器操作員可以通過調(diào)整壓力缸組控制機器的姿勢。如果相應設置的壓力調(diào)節(jié)這臺機器可能引導左或右,或提前沿著小角邊。通常,隧道盡頭的開挖,隧道軸線之間的差異和實際設計隧道軸線應不超過20毫米。否則機器操作員必須重新調(diào)整機器推進軸。因此, 在隧道開挖時壓力調(diào)節(jié)是非常重要

15、的函數(shù)。</p><p><b>　　4 仿真</b></p><p>　　仿真參數(shù)如表1所示是從南京地鐵的建設中所使用的盾構(gòu)機獲得的。左、右推力組用于仿真，十六液壓缸減少到八,63 cc /啟最大位移泵應減少到31.5 cc /啟。缸的活塞直徑是300mm,桿直徑是240mm。無論是左或右推力組,每個都包含四個液壓缸,簡化為一個具有相同的工作區(qū)域與原缸組的液壓缸。因

16、此, 模擬缸的活塞直徑和桿直徑分別是600和480毫米。當機油壓力大約是8 MPa,供應約9200 KN的推力,機器開始移動。參考[7],就是指摩擦力占53.5% -73%的推力。因此,摩擦力是設定在6000 KN,大約65%的推力。剩下的3200 KN施加在銑刀頭隧道開挖中。</p><p>　　表1 主要仿真參數(shù)</p><p><b>　　4.1 壓力調(diào)節(jié)</b&g

17、t;</p><p>　　在這種情況下轉(zhuǎn)向控制是模擬的。兩個液壓缸最初設置為14 MPa。右缸應該高于左缸（P右）。P左應該保持在14 MPa。P右設置為20 MPa。仿真結(jié)果顯示在圖5和6。</p><p>　　P右調(diào)整到20 MPa為步進信號。在圖5,彈簧質(zhì)點系統(tǒng)的試點階段有一個小超調(diào)的壓力。過沖的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的超調(diào)量會引起的出口壓力，當P右、P左脈沖調(diào)整,調(diào)整后略有增加。入口壓力的突

18、然改變首先會造成相同脈沖的出口壓力。</p><p>　　由于試點階段的頻率響應不夠高，在試點階段機構(gòu)開始調(diào)整閥的開口面積，出口壓力下降至設定值。P左的增加可能是由于泵出口流量增加引起的。泵出口流量接下來將會討論。這個小壓力差不會影響隧道開挖。左轉(zhuǎn)向運動進行了，更高的推進速度達到右側(cè)，如圖6所示。</p><p><b>　　4.2 泵位移調(diào)整</b></p&g

19、t;<p>　　當壓力進行調(diào)節(jié)時，泵的位移應進行調(diào)整。壓力調(diào)節(jié)操作在先前的例子中已體現(xiàn)，以下三個案件分別來解釋此問題，。</p><p>　　案例1:位移保持在大約75%，結(jié)果顯示在圖7。</p><p>　　P右調(diào)整到20 MPa，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。然而,泵出口壓力在35.3 MPa,這意味著系統(tǒng)過載和泄壓閥打開。由流動引起的功率損耗是相當大的。</p><

20、p>　　案例2:位移保持在大約50%，結(jié)果顯示在圖8。</p><p>　　泵壓力敏感負載壓力。然而,推力壓力不能調(diào)整到20 MPa因為供油量是不足的。更高的推力壓力會導致更高的推進速度,這意味著缸需要更多的流量，在壓力調(diào)節(jié)無效的這種情況下。</p><p>　　案例3:位移是設定在50%,然后壓力調(diào)節(jié)到75%，結(jié)果顯示如圖9。</p><p>　　沒有過載。

21、泵的出口壓力與負載壓力敏感。推力壓力可以調(diào)整到20 MPa，這是因為泵位移是自適應系統(tǒng)，一個壓力調(diào)節(jié)應連同一個泵位移調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　4.3 艱難的情況</b></p><p>　　在實踐中,最優(yōu)的隧道工程,是考慮了乘客的需要,商業(yè)需求,地質(zhì)條件等等。而盾構(gòu)掘進機在地質(zhì)條件的進展預計良好。通常情況下，在基坑開挖過程中地質(zhì)調(diào)查是要進行的。然而，要知道機

22、器通過的一切道路這是不可能的。有些意想不到的情況，如可能出現(xiàn)堅硬的巖石，木棍，流沙或地下河。在這項研究中，我們模擬了機器遇到硬土層這樣一個嚴格的情景。以下展示了如何表現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)工作和機器。仿真結(jié)果如圖10和11。</p><p>　　注: 在仿真中時間域作為x軸。然而,時間是不實際的數(shù)據(jù)。時間設定是人工為目的的圖解。在真實的隧道過程時間可能會更長時間。</p><p>　　0-5s:這臺機

23、器是推進在軟土上的正常速度，推力壓力是14 MPa。</p><p>　　5-15s:機器從軟土進入硬土，因為P右不足以維持正常的速度，故右氣缸速度（V右）減少。這導致剩余泵出口流量和系統(tǒng)壓力增加。P左和左缸速度（V左）增加。系統(tǒng)壓力增加,直到安全閥是開放的。與此同時, P左和V左降至正常水平。</p><p>　　在20s:P右調(diào)整為31 MPa。一個脈沖發(fā)生在P左和引起脈沖在V左,和前

24、面描述的一樣。因為在正確區(qū)域的氣缸會發(fā)生增加流量現(xiàn)象, 安全閥的流量將會減少,導致系統(tǒng)壓力突然驟降。</p><p>　　在25 s: V左應該減少確保直推進。然而,隨著V左高于V右,非意愿右轉(zhuǎn)向運動執(zhí)行。手動控制是應用于P左減少直到進步。</p><p>　　在30s:泵位移調(diào)整。壓力調(diào)節(jié)后,機器現(xiàn)在是在一個較低的速度前進。泵位移應該減少直到過載被避免,將導致減少的推力區(qū)間壓力和推進速度

25、。</p><p>　　40-50s:機器推進硬土。P右降低機器進入軟土一點點。開始時P右相當?shù)母?導致速度增加，而由于供油不足使得V右增加，這將導致系統(tǒng)壓力和P右下降。</p><p>　　在55s:推力壓力調(diào)整。推力壓力可設置為14 MPa，壓力調(diào)節(jié)應該發(fā)生在泵位移調(diào)整中。由于增加推力壓力，推力速度發(fā)生輕微的增加。此時油供應量是不夠的,但壓力調(diào)節(jié)是無效的。</p><

26、;p>　　在60s:泵位移調(diào)整。作為泵位移增加,推力壓力調(diào)整到14 MPa并增加推力速度。機器以正常速度開始，當然, 方向前進比最初的角度是有變化的。仿真是指整個調(diào)整系統(tǒng)如何運行。角控制是關(guān)鍵,角反饋和轉(zhuǎn)向控制也可以應用。</p><p>　　調(diào)整通常發(fā)生后不久就去同步化。但在仿真中,調(diào)整發(fā)生當機時是“完全”推進到硬地層。其目的是找出發(fā)生在整個遭遇,換句話說,找出潛在系統(tǒng)的問題。</p>&l

27、t;p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文研究盾構(gòu)機壓力調(diào)節(jié)的推力系統(tǒng)。壓力調(diào)節(jié)包括兩部分:壓力設定的推力缸和泵位移調(diào)整。</p><p>　　1)壓力調(diào)節(jié)的一個氣缸組可能會影響其他群體的壓力。增加一個特定的壓力和泵出口流量可能會導致小壓力增加到其他群體中。在隧道開挖時小改變壓力是可以接受的。</p><p>　　2)

28、泵位移調(diào)整時應該采取壓力調(diào)節(jié)。如果泵出口流量超過了系統(tǒng)需求,壓力調(diào)節(jié)也將實現(xiàn)泵壓力過載雖然不必要的。如果泵出口流量小于系統(tǒng)需求, 雖然壓力設定信號給出但壓力調(diào)節(jié)是無效的。壓力調(diào)節(jié)將實現(xiàn)泵位移增加。</p><p>　　3) 推進速度的下降可能是遇到硬土的標志。相比之下，推進壓力的下降可能是遇到軟土的標志。開挖過程中，壓力是第一，然后通過壓力調(diào)節(jié)調(diào)整泵位移。</p><p><b>

29、;　　致謝</b></p><p>　　這項工作是由中國國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（批準號：2007CB714000）和中國國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（批準號：2008AA042803）支持的。作者還要感謝西子聯(lián)合控股公司和宏潤建設集團的工程師對他們的幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

30、p>　　1.杉本,斯頓 . 在開挖盾行為的理論模型。[I]:理論。第四屆大地工程巖土&雜志,2002(2):138 - 155</p><p>　　2.斯頓 ,周川在開挖盾行為的理論模型。二:應用程序。第四屆大地工程巖土&雜志,2002(2):155 - 165</p><p>　　3.瑪雅,羅德里格斯.離散數(shù)值模型分析隧道開挖的土壓力平衡。第四屆大地工程巖土&

31、;雜志,2005(10):1234 - 1242</p><p>　　4.徐問,朱镕基,傅遼,模型試驗研究隧道開挖地層適應性與EPB盾構(gòu)機在沙質(zhì)地層?！吨袊鴰r石力學與工程,2006,25(增刊。1):2902 - 2909(中文)</p><p>　　5.胡G,龔G,楊h .推力液壓系統(tǒng)的盾隧道掘進機與壓力和流量復合控制。《中國機械工程,2006年,42(6):124 - 127(中文)&