盾构推进液压系统的设计及试验研究

摘要: 盾构是一种集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。推进系统是盾构的关键系统, 它主要承担着盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。采用电液比例控制技术设计了一种压力—流量复合控制的盾构推进液压系统, 详细阐述了其工作原理及系统组成。在盾构模拟试验台上对推进液压系统的推进压力和推进速度的控制进行了试验研究, 试验结果表明所设计的推进液压系统能实时控制推进压力和推进速度, 满足盾构在不同地质条件下的工作需要。

　　

　　盾构是一种集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。在地质条件复杂、地下水位高、埋深大的土质地层及以土质为主的地质地层隧道施工中, 较好的施工方法就是采用盾构施工[1]。

　　

　　推进系统是盾构的关键系统, 它主要承担着盾构的顶进任务, 要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。

　　

　　推进系统的控制目标是在克服盾构推进过程中遇到推进阻力的前提下, 根据所处的不同施工地层土质及其土压力的变化, 对推进速度及推进压力进行无级协调调节, 从而有效地控制地表沉降, 减少地表变形, 避免不必要的超挖和欠挖。国外盾构推进系统的控制技术一般来说都比较先进, 但对关键技术是保密的, 国内对引进的或自行开发的盾构推进系统的控制还有所争议, 一般以采用力控制系统为主,也有的以采用速度控制系统为主。但由于单一的压力控制会引起流量波动, 导致盾构推进速度不稳定;单一的流量控制又会引起压力振荡, 使得液压缸推进压力不一致, 从而加剧土体扰动, 增加地表变形[2, 3]。因此单一的压力控制或流量控制很难同时满足盾构在非线性变负载工况下对推进压力和推进速度的复合控制要求。基于此, 我们设计出了一种基于压力—流量复合控制的推进液压系统, 并对其进行了相关试验分析。

　　

　　1 盾构推进液压系统设计

　　

　　盾构的动力传递及控制系统具有传递功率大、负载多变、运动复杂、可靠性要求高、安装空间小及作业环境恶劣等特点。液压传动及控制系统固有的特点恰好能满足盾构的这种需求。

　　

　　1.1 推进液压系统原理

　　

　　盾构推进液压系统一般由主驱动泵、液压控制阀、推进液压缸及液压管路等组成。推进液压缸安装在密封仓隔板后部, 沿盾体周向均匀分布, 是推进系统的执行机构。推进系统由安放在盾尾的主驱动泵提供高压油, 通过各类液压阀的控制来实现各种功能。