盾构机推进液压系统比例压力流量复合控制仿真
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HydraulicsPneumatics&Seals/No.32006
盾构机推进液压系统比例压力流量复合控制仿真
庄欠伟1,2,龚国芳2,杨华勇2
(1.上海隧道股份有限公司技术中心,上海 200082;2.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州 310027)
摘 要:本文以盾构挖掘机为背景,对其推进负载进行简化,建立盾构推进系统的模型,并进行仿真分析。提出比例压力流量复合控制方案,并应用AMEsim对其进行仿真。仿真证明比例压力流量复合控制方式可以减小控制压力引起的流量波动,提高了系统的控制性能,对盾构的自动控制有重要意义。关键词:推进液压系统;AMEsim;压力流量控制中图分类号:TH137;U455143 文献标识码:A 文章编号:100820813(2006)0320037203
Simulationofpressureflowhybridcontrolofthrusthydraulic
systemofshieldtunnelingmachines
ZHUANGQian2wei1,2,GONGGuo2fang2,YANGHua2yong2
(1.ShanghaiTunnelCo.,Ltd,Shanghai 200082,China;
2.TheKeyStateLabofFluidPowerTransmissionandControl,310027,China)
Abstract:Inthispaper,themodelforthrusthydraulicsystemofandanalyzedbysimulated,lyingonsimplythethrustloadofthosewaspresented,simu2latedbyAMEsim.Thesimulationthat)causedofcontrolpressurecouldbereducedandthebeofcontrolschemeissignificancetoautomaticallycontroltheshieldKeywords:thrust;AMEsim;pressureflowhybridcontrol0 引言
1974年日本首次研究开发了土压平衡盾构并取得成功。以后通过大量工程实践和技术改进,使土压平衡盾构技术日趋完善,在技术和经济方面取得良好效果,得到了广泛应用[1]。由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以胜任,盾构并成为当前城市软土地基隧道施工的首选设备。
盾构掘进机(简称盾构)是依靠液压缸的推力向前推进的,
基础上派生组合而成[4][5]。因而,本文采用其中一模型Kelvin。
η)并联而成。因此,可以将整个盾其模型由弹簧(E)与粘性元件(
η)并联而成的模型。构的推进负载简化成弹簧(E)与粘性元件(
由于盾构螺旋输送系统不断的从土仓中进行排土,可以把模型假设成一端由盾构推进系统液压缸控制一端成具有速度的模型。其模型如图1所示。
其前进方向和姿态是靠液压缸的协调动作实现的。液压缸的精确控制是保证盾构沿着设计的路线方向准确地向前推进的前提。在实际应用中,由于地质土层的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用,使盾构推进控制变得非常复杂[2]。盾构推进还与地层扰动和地面沉降等有关,与推进工况参数诸如土体应力、含水量、孔隙水压力、弹性模量、泊松比、强度和承载力等岩土力学参数相关。推进控制不当会引发地面沉降,造成周围建筑物开裂甚至倒塌,邻近管线断裂破损[3]等环境灾害。
本文盾构推进液压系统及其负载进行建模,仿真并提出比例压力流量复合控制方法,提高了系统控制性能。1 盾构推进负载的简化
盾构推进在土体中引起的附加应力极其复杂,盾构向前推进时引起前方和侧向土体中附加应力,土体的应力—应变。其常见模型有:线性粘—弹性模型、非线性粘弹性模型、弹塑性模型。本文采用了土体本构模型的最简单的模型———线性粘弹性模型。线性粘弹性模型有好多种。Kelvin模型、Maxwell模型和Poynt2ing2Thomson模型最为基本或传统,其他模型则均是上述模型的
收稿日期:2006203231
作者简介:庄欠伟(19782),男,山东临沂人,在上海隧道股份有限公司技术中心从事盾构机液压系统设计仿真及控制等方面的研究工作。基金项目“:十五”国家863项目(2003AA420120)
图1 盾构负载简化模型
2 液压控制原理
在对盾构进行方向控制时,操作工人首先是根据测量所得的盾构的位置及方位,判断盾构姿态发生的偏差的大小,然后根据经验对推进液压缸进行适当的操作,使其产生一定的纠偏扭矩来控制盾构的姿态。在这个控制过程中,盾构姿态控制的输入变量为水平、竖直方向的蛇行量及方向偏角,输出为水平、竖直方向的纠偏扭矩。
在对盾构进行土压平衡控制时,盾构的控制方式有两种[6]。(1)控制排土量的排土操作控制模式,即通过土
压检测,改变螺旋输送机的转速控制排土量,以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构推进速度则由人工事先给定。
(2)控制进土量的推进操作控制模式,即通过土压检测来控制盾构推进液压缸的推进速度,以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机转速也由人工事先给定。
这两种控制方式均要控制推进速度,另外推进速度不同对地质将产生不同的影响,由此可知,盾构推进系统要对推进液压缸压力流量复合控制。单区液压原理图如图2所示,其通过比例溢
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液压气动与密封/2006年第3期
流阀和比例调速阀分别对推进液压缸压力和流量进行控制。
图4 调整压力时液压缸压力和流量曲线
图2 推进系统单区液压原理图
1—比例溢流阀 2—比例调速阀 3—二位二通方向阀
4—推进液压缸 5—过滤器 6—单向阀
7—电磁换向阀 8—平衡阀
3 模型建立
本文主要针对盾构推进液压系统推进过程进行仿真。推进时,系统的二位二通方向阀3关闭,7位,2腔,流回油箱。因此,,8和三位四通阀7,应用Amesim建立盾构推进系统单区模型图,如图3所示[7]
。
流量控制:流量阀流量设定值为14L/min,压力阀压力设定值为10MPa,当液压缸压力达到设定值8.5MPa后,负载速度从0上升到0.001mm/s。100s时流量调节为10L/min,200s时流量调节到14L/min。在100s时负载速度调节为0.0005mm/s,200ss。
5。1#曲线,2。上调,压力有微小变化。下调流量时,,压力也有微小变化。液压缸压力微小变化取决于比例溢流阀溢流量的变化
。
图5 调整流量时液压缸压力和流量曲线
图3 推进系统A区液压模型图
液压输入采用恒压输入模型PRSEC,作为执行元件的液压
缸选用系统模型HJ010,管道选用系统模型HL000,单向阀采用系统模型CV002。由于AMESIM软件自身没有带比例调速阀和系统自带比例压力阀模型较简单,利用HCD(液压元件设计模块)分别建立其HCD模型如图3所示。4 盾构开环控制
压力控制:流量阀的流量设定值为14L/min,溢流阀压力设定值为10MPa,负载速度当液压缸压力达到8.5MPa后从0上升到0.001mm/s。压力阀在100s时调节为9MPa,200s时调节到10MPa。
图4为压力调节时液压缸压力和流量变化曲线,1#曲线为液压缸压力变化曲线,2#曲线为液压缸流量变化曲线。压力下调时,液压缸速度出现下降较大的波动直到压力达到调压阀设定的新压力值。压力上调时,液压缸速度出现上升的较大波动,直到压力达到调压阀设定的新压力值。因此,液压缸调节压力时应缓慢,防止缸速度变化太大
。
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5 压力流量复合闭环控制
为了实现比例压力流量复合闭环控制,可采用以下控制原理。分别对液压缸的压力流量信号进行采集反馈,比例压力阀作为压力流量复合控制的主要执行元件,比例流量阀实现流量大致范围的控制,提供液压缸正常推进和比例压力阀稳定溢流所必需的流量,如图6所示。复合控制采用内环流量闭环控制,外环压力闭环控制,为了减小流量最大波动量在压力闭环PID控制后增加一个阙值控制器,通过设定阙值可以控制流量最大变化量。其中p为系统控制要求压力,QV为液压缸正常推进所需流量,QY为比例压力阀稳定溢流所需流量。
当液压缸压力达到设定值8.5MPa后,负载速度从0上升到0.001mm/s。流量阀的流量设定为QV+QY=14L/min,压力
图6 推进系统A区压力流量复合闭环控制原理图
多自由度电液伺服系统动态特性研究
谈宏华1,张业建2
(1.武汉工程大学,湖北武汉 430074;2.上海宝山股份有限公司设备部,上海 201900)
摘 要:本文以某多自由度电液伺服系统为研究对象,在考虑系统惯性负载、弹性负载和摩擦力负载等因素下,建立该系统的
传递函数模型,并用Matlab对系统进行仿真,通过仿真仔细研究主要参数对系统动态特性的影响,提出改善系统响应的办法。关键词:电液伺服系统;多自由度;动态特性中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:100820813(2006)0320039203
Studyondynamicperformanceofmulti2DOF
electro2hydraulicservosystem
TANHong2hua1,ZHANGYe2jian2
(1.WuhanInstituteofEngineering,Wuhan 430073,China;2.EquipmentDepartment,
ShanghaiBaoshanCO.,LTD,Shanghai 201900,China)
Abstract:Withtheobjectofstudyonmulti-DOFservocontrol,itsfestablished,consid2eringinertiaload,elasticloadandfricativeload,etcinthispaper,.ofmainparametersonitsdynamicperformancebyMatlabsimulation,Keywords:electro2hydraulicservo2DOF1 引言
,收稿日期:2006204202
作者简介:谈宏华(19632),男,博士,教授,长期从事机电一体化技术、控制技术等领域的教学和研究。
伺服机构,根据弹载计算机数模转换器输出信号,控制4个空气舵的摆动来实现,因此,必须研制伺服机构以满足弹头姿态控制的要求。
本文以弹头伺服机构的负载模拟台为研究对象(图1),来研究影响它动态特性的主要因素。图1中1、2、3部分用来模拟系统的弹性负载、惯性负载和摩擦负载。在建立系统数学模型时,
阀的p为10MPa,在150s时调节为9MPa。分别调节阙值为
1、2、3可得推进液压缸压力曲线如图7所示,1#,2#,3#曲线分别为阙值是1、2、3时压力变化曲线。流量曲线如图8所示。1#,2#,3#曲线分别为阙值是1、2、3时的流量变化曲线
。
对比开环控制和压力流量复合控制的压力流量曲线,可知
压力流量复合控制方法可以控制压力变化引起的流量波动。通过调整不同阙值,可以将压力变化引起的流量波动控制在要求的范围之内。
增加阙值可以减小压力回路控制时间,但是相应地增加了系统流量波动。减小阙值可以明显地减小了系统流量的波动,但是会增加了系统压力的控制时间。6 结论
常规压力控制会引起流量的剧烈波动,常规流量控制又会引起系统压力波动。而现在压力流量复合控制方式可以既进行压力闭环控制又进行流量闭环控制,同时通过调整阙值的大小,可以将压力调节引起的液压缸速度波动控制在要求的范围之内。
参考文献:
[1]刘仁鹏,刘万京.土压平衡盾构技术浅谈[J].工程机械,2000(8).[2]李强,曾德顺.盾构千斤顶推力变化对地面变形的影响[J].地下空
间,2002(1).
[3]张庆贺,等.盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究[J].岩石力
学与工程学报,1996,(6).
[4]金丰年,浦奎英.关于粘弹性模型的讨论[J].岩石力学与工程学报.
1995,(4).
[5]李小军,廖振鹏,张克绪.土体动力本构模型评述[J].世界地震工
程,1993,(4):15218.[6]刘仁鹏.土压平衡盾构技术综述[J].世界隧道,2000,(1).
图7
液压缸压力曲线图
图8 液压缸流量曲线图
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