外文翻譯--盾構(gòu)機(jī)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(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系 別： 機(jī)電信息系 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </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(jī)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(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中是一個(gè)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(kāi)挖過(guò)程中有重要作用。為

4、了研究系統(tǒng)的特點(diǎn)，在本文中,液壓推進(jìn)系統(tǒng)被解釋說(shuō)是和一個(gè)相應(yīng)的仿真模型進(jìn)行優(yōu)化。壓力調(diào)節(jié)某組的缸不會(huì)影響其他組缸的運(yùn)行。泵位移對(duì)壓力調(diào)節(jié)和供油流量適應(yīng)系統(tǒng)的需求有很大的影響。一個(gè)恰當(dāng)?shù)睦咏忉屃巳绾文M隧道開(kāi)挖期間壓力調(diào)節(jié)工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隧道，液壓推進(jìn)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(jī)是一種用于地下隧道開(kāi)挖的大型和復(fù)雜的機(jī)器。它是用于建設(shè)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(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。例如,它是用于推力系統(tǒng),刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),螺旋輸送機(jī),段安裝工等。</p><p>　　隧道開(kāi)挖工作的研究已開(kāi)展。杉本和斯頓在力學(xué)分析基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)隧道開(kāi)挖理論模型[1],其仿真結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合的較好?，斞藕土_德里格斯使用離散數(shù)值模型分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程，并對(duì)一些推力和

6、轉(zhuǎn)矩也進(jìn)行了研究[3]。許等人在隧道開(kāi)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(jī)器上的工作。壓力和流量復(fù)合控制也被其研究[5]。</p><p>　　文獻(xiàn)[ 5 ]不同的系統(tǒng)研究。推力系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)是通過(guò)使用這種調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)化的仿真模型和案例的研究進(jìn)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(jìn)機(jī)的重要組成部分。該系統(tǒng)由動(dòng)力單元(電機(jī)和液壓泵),液壓閥,液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。推力液壓缸的數(shù)量通常是16或32。如果個(gè)人控制液壓缸的應(yīng)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(kāi)挖時(shí)機(jī)器操作員必須控制16或32壓力參數(shù)，個(gè)人控制是十分復(fù)雜和昂貴的。如今,推力氣缸通常分為四個(gè)或五個(gè)組,四組安排更常見(jiàn)。四組缸分為A組、B組、C組、D組,對(duì)應(yīng)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(jiàn)圖1。</p><p>　　在B組需要更多的缸來(lái)計(jì)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(gè)比例控制閥門(mén)是必需的, 機(jī)器操作員只需要控制四個(gè)壓力參數(shù)。在隧道開(kāi)挖時(shí)，液壓缸用高壓液壓油產(chǎn)生推力時(shí)推動(dòng)機(jī)器前進(jìn)。機(jī)器操作員可以調(diào)整液壓壓力的推力來(lái)使氣缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制和機(jī)態(tài)調(diào)整。推力過(guò)程結(jié)束后,段安

9、裝將組成一個(gè)新的環(huán)境的隧道。當(dāng)一段座落,對(duì)應(yīng)缸延伸。在段安裝中這些氣瓶發(fā)揮作用，用小力來(lái)完成段安裝過(guò)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(gè)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(hào)。當(dāng)系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，泄壓閥和換向閥是用來(lái)控制擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)或收縮運(yùn)動(dòng)。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(dāng)氣缸是擴(kuò)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(kāi)/關(guān)閥6,最后進(jìn)入后室的液壓缸7?；貕河土鞒?缸的有桿腔,然后通過(guò)定向控制閥門(mén)3回油箱。當(dāng)氣缸縮回,油流經(jīng)換向閥3, 然后進(jìn)入液壓缸7的有桿腔。背部壓力油流出后室,然后通過(guò)開(kāi)/關(guān)閥6,單向閥8,換向閥3,最后進(jìn)入油箱。</p><p>　　商業(yè)軟件A

11、MESim作為仿真分析工具。為了簡(jiǎn)化模型，兩組液壓缸（通常是左區(qū)和右區(qū)）被進(jìn)行分析。通過(guò)使用這兩個(gè)區(qū)域，模擬盾構(gòu)機(jī)可能的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。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(gè)“超級(jí)元件”合成的常用的幾種模型。閥門(mén)提供了更多的細(xì)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(jìn)機(jī)工作時(shí)，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(hào)成正比。</p><p>　　缸負(fù)荷模

12、型的三部分是:土壓力、摩擦,力所引起的推力運(yùn)動(dòng)。土壓力施加在本機(jī)的銑頭和襯里上。壓力施加到刀頭影響推力運(yùn)動(dòng),壓力在襯里可以忽略。摩擦阻力對(duì)襯里的機(jī)器引起的土壓力是相當(dāng)大的,占一半以上的推力。然而,在基坑開(kāi)挖過(guò)程時(shí)壓力和摩擦力幾乎保持不斷。因此,這兩種力量都被設(shè)置為常數(shù)的模型，土壓力設(shè)置輸入信號(hào)的負(fù)載模型和摩擦中設(shè)置質(zhì)量模型之間有一個(gè)線性關(guān)系，即推進(jìn)速度和推力的關(guān)系,見(jiàn)圖4[4]。黑星點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果68%的開(kāi)放率,白色的方形光點(diǎn)代表結(jié)果3

13、6%開(kāi)放率，每一個(gè)實(shí)線顯示了推進(jìn)速度和推力的線性關(guān)系。在廣州地鐵建設(shè)的3號(hào)線所顯示的數(shù)據(jù)很好的體現(xiàn)了這個(gè)線性關(guān)系 [6]。 </p><p>　　一個(gè)更大的推力導(dǎo)致更高的推進(jìn)速度。這是因?yàn)楦蟮牧σ疠^大的刀具進(jìn)給速度, 在固定的時(shí)間間隔內(nèi)更多的土壤將被切斷。為了推動(dòng)機(jī)器前進(jìn)，這個(gè)推力應(yīng)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(jī)器將不會(huì)進(jìn)步。在圖3中,有一個(gè)死區(qū)在負(fù)荷模型。在死區(qū)中，推力是不足以推動(dòng)機(jī)

14、器前進(jìn)；比如像參考文獻(xiàn)[ 6 ] 這種情況。雖然機(jī)器是前進(jìn)的,但增加了推力將導(dǎo)致增加推進(jìn)速度，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于負(fù)荷模型。壓力調(diào)節(jié)決定隊(duì)伍的開(kāi)挖所以方向機(jī)是影響壓力分布的推力缸。機(jī)器操作員可以通過(guò)調(diào)整壓力缸組控制機(jī)器的姿勢(shì)。如果相應(yīng)設(shè)置的壓力調(diào)節(jié)這臺(tái)機(jī)器可能引導(dǎo)左或右,或提前沿著小角邊。通常,隧道盡頭的開(kāi)挖,隧道軸線之間的差異和實(shí)際設(shè)計(jì)隧道軸線應(yīng)不超過(guò)20毫米。否則機(jī)器操作員必須重新調(diào)整機(jī)器推進(jìn)軸。因此, 在隧道開(kāi)挖時(shí)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(shè)中所使用的盾構(gòu)機(jī)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(yīng)減少到31.5 cc /啟。缸的活塞直徑是300mm,桿直徑是240mm。無(wú)論是左或右推力組,每個(gè)都包含四個(gè)液壓缸,簡(jiǎn)化為一個(gè)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(dāng)機(jī)油壓力大約是8 MPa,供應(yīng)約9200 KN的推力,機(jī)器開(kāi)始移動(dòng)。參考[7],就是指摩擦力占53.5% -73%的推力。因此,摩擦力是設(shè)定在6000 KN,大約65%的推力。剩下的3200 KN施加在銑刀頭隧道開(kāi)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(gè)液壓缸最初設(shè)置為14 MPa。右缸應(yīng)該高于左缸（P右）。P左應(yīng)該保持在14 MPa。P右設(shè)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(jìn)信號(hào)。在圖5,彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的試點(diǎn)階段有一個(gè)小超調(diào)的壓力。過(guò)沖的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的超調(diào)量會(huì)引起的出口壓力，當(dāng)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(huì)造成相同脈沖的出口壓力。</p><p>　　由于試點(diǎn)階段的頻率響應(yīng)不夠高，在試點(diǎn)階段機(jī)構(gòu)開(kāi)始調(diào)整閥的開(kāi)口面積，出口壓力下降至設(shè)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(lái)將會(huì)討論。這個(gè)小壓力差不會(huì)影響隧道開(kāi)挖。左轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了，更高的推進(jìn)速度達(dá)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(dāng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，泵的位移應(yīng)進(jìn)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(gè)案件分別來(lái)解釋此問(wèn)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(shí)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(guò)載和泄壓閥打開(kāi)。由流動(dòng)引起的功率損耗是相當(dāng)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(fù)載壓力。然而,推力壓力不能調(diào)整到20 MPa因?yàn)楣┯土渴遣蛔愕摹８叩耐屏毫?huì)導(dǎo)致更高的推進(jìn)速度,這意味著缸需要更多的流量，在壓力調(diào)節(jié)無(wú)效的這種情況下。</p><p>　　案例3:位移是設(shè)定在50%,然后壓力調(diào)節(jié)到75%，結(jié)果顯示如圖9。</p><p>　　沒(méi)有過(guò)載。

21、泵的出口壓力與負(fù)載壓力敏感。推力壓力可以調(diào)整到20 MPa，這是因?yàn)楸梦灰剖亲赃m應(yīng)系統(tǒng)，一個(gè)壓力調(diào)節(jié)應(yīng)連同一個(gè)泵位移調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　4.3 艱難的情況</b></p><p>　　在實(shí)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(jìn)機(jī)在地質(zhì)條件的進(jìn)展預(yù)計(jì)良好。通常情況下，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中地質(zhì)調(diào)查是要進(jìn)行的。然而，要知道機(jī)

22、器通過(guò)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(jiān)硬的巖石，木棍，流沙或地下河。在這項(xiàng)研究中，我們模擬了機(jī)器遇到硬土層這樣一個(gè)嚴(yán)格的情景。以下展示了如何表現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)工作和機(jī)器。仿真結(jié)果如圖10和11。</p><p>　　注: 在仿真中時(shí)間域作為x軸。然而,時(shí)間是不實(shí)際的數(shù)據(jù)。時(shí)間設(shè)定是人工為目的的圖解。在真實(shí)的隧道過(guò)程時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)時(shí)間。</p><p>　　0-5s:這臺(tái)機(jī)

23、器是推進(jìn)在軟土上的正常速度，推力壓力是14 MPa。</p><p>　　5-15s:機(jī)器從軟土進(jìn)入硬土，因?yàn)镻右不足以維持正常的速度，故右氣缸速度（V右）減少。這導(dǎo)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(kāi)放的。與此同時(shí), 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(gè)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?yàn)樵谡_區(qū)域的氣缸會(huì)發(fā)生增加流量現(xiàn)象, 安全閥的流量將會(huì)減少,導(dǎo)致系統(tǒng)壓力突然驟降。</p><p>　　在25 s: V左應(yīng)該減少確保直推進(jìn)。然而,隨著V左高于V右,非意愿右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。手動(dòng)控制是應(yīng)用于P左減少直到進(jìn)步。</p><p>　　在30s:泵位移調(diào)整。壓力調(diào)節(jié)后,機(jī)器現(xiàn)在是在一個(gè)較低的速度前進(jìn)。泵位移應(yīng)該減少直到過(guò)載被避免,將導(dǎo)致減少的推力區(qū)間壓力和推進(jìn)速度

25、。</p><p>　　40-50s:機(jī)器推進(jìn)硬土。P右降低機(jī)器進(jìn)入軟土一點(diǎn)點(diǎn)。開(kāi)始時(shí)P右相當(dāng)?shù)母?導(dǎo)致速度增加，而由于供油不足使得V右增加，這將導(dǎo)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(shè)置為14 MPa，壓力調(diào)節(jié)應(yīng)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(shí)油供應(yīng)量是不夠的,但壓力調(diào)節(jié)是無(wú)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(jī)器以正常速度開(kāi)始，當(dāng)然, 方向前進(jìn)比最初的角度是有變化的。仿真是指整個(gè)調(diào)整系統(tǒng)如何運(yùn)行。角控制是關(guān)鍵,角反饋和轉(zhuǎn)向控制也可以應(yīng)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(dāng)機(jī)時(shí)是“完全”推進(jìn)到硬地層。其目的是找出發(fā)生在整個(gè)遭遇,換句話說(shuō),找出潛在系統(tǒng)的問(wèn)題。</p>&l

27、t;p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文研究盾構(gòu)機(jī)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(shè)定的推力缸和泵位移調(diào)整。</p><p>　　1)壓力調(diào)節(jié)的一個(gè)氣缸組可能會(huì)影響其他群體的壓力。增加一個(gè)特定的壓力和泵出口流量可能會(huì)導(dǎo)致小壓力增加到其他群體中。在隧道開(kāi)挖時(shí)小改變壓力是可以接受的。</p><p>　　2)

28、泵位移調(diào)整時(shí)應(yīng)該采取壓力調(diào)節(jié)。如果泵出口流量超過(guò)了系統(tǒng)需求,壓力調(diào)節(jié)也將實(shí)現(xiàn)泵壓力過(guò)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(shè)定信號(hào)給出但壓力調(diào)節(jié)是無(wú)效的。壓力調(diào)節(jié)將實(shí)現(xiàn)泵位移增加。</p><p>　　3) 推進(jìn)速度的下降可能是遇到硬土的標(biāo)志。相比之下，推進(jìn)壓力的下降可能是遇到軟土的標(biāo)志。開(kāi)挖過(guò)程中，壓力是第一，然后通過(guò)壓力調(diào)節(jié)調(diào)整泵位移。</p><p><b>

29、;　　致謝</b></p><p>　　這項(xiàng)工作是由中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（批準(zhǔn)號(hào)：2007CB714000）和中國(guó)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（批準(zhǔn)號(hào)：2008AA042803）支持的。作者還要感謝西子聯(lián)合控股公司和宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)的工程師對(duì)他們的幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><

30、p>　　1.杉本,斯頓 . 在開(kāi)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(kāi)挖盾行為的理論模型。二:應(yīng)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(kāi)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(wèn),朱镕基,傅遼,模型試驗(yàn)研究隧道開(kāi)挖地層適應(yīng)性與EPB盾構(gòu)機(jī)在沙質(zhì)地層?！吨袊?guó)巖石力學(xué)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(jìn)機(jī)與壓力和流量復(fù)合控制?！吨袊?guó)機(jī)械工程,2006年,42(6):124 - 127(中文)&