土压平衡式盾构机土压控制的模拟实验

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第９期　液压与气动　土压平衡式盾构机土压控制的模拟实验　胡国良　，龚国芳　，杨华勇　Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ＥＰＢ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｈ　Ｕ　Ｇｕｏ—ｌｉａｎｇ　，ＧＯ　Ｎ　Ｇ　Ｇｕｏ—ｆａｎｇ　，ＹＡ　Ｎ　Ｇ　Ｈｕａ—ｙｏｎｇ　（１．华东交通大学机电工程学院，江西南昌３３００１３；　２．浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州　３　１００２７）　摘要：介绍了土压平衡式盾构机土压平衡的Ｘ－．作原理，在盾构模拟试验台上采用自整定ＰＩＤ对盾构　密封舱内的土压力进行了实时控制。由模拟实验可知，在保持推进速度不变的情况下，通过对密封舱内土压　力的实时监测来控制螺旋输送机转速的实时变化，可控制密封舱内土压力在设定的范围内，从而达到控制地　表沉降、减少地表变形的目的。　．　关键词：盾构机；土压控制；自整定ＰＩＤ　中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００．４８５８（２００７）０９．０００１．０４　受环境和地面设施的制约，隧道施工的施工质量　密封土舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，同时依靠　和环境保护要求越来越高，地表沉降控制成了衡量现　充满的泥土来顶住开挖面土层的水土压力，另外可通　代盾构技术水平的关键技术之一…。　过调整螺旋输送机的转速控制排土量或通过调整盾构　现代盾构控制地表沉降和减少地表变形最基本的　推进液压缸的推进速度控制进土量，使盾构排土量和　方法之一就是土压平衡技术。现有的土压平衡式盾构　进土量保持或接*衡，以此来维持开挖面地层的稳　一般是通过预先设定土舱内压力值以达到稳定地层的　定和防止地表变形　ｊ。　目的，在施工工程中再根据地表沉降情况进行调整，这　是一种“滞后式”的土压纠正。由于开挖面上土层的原　始应力比较复杂，这种预先设定与滞后调整的结果会　使机头处的地面隆起或塌陷，地层稳定和地表沉降控　制的效果很大程度上取决于施工人员的经验，施工质　量难以保证ｌ２，３　Ｊ。先进的土压平衡式盾构，在土舱内　星一　・均设有土压传感器，配备实时反馈及调整的机电液控　１．螺旋输送机２．推进液压缸３．隔板４．密封土舱５．７］盘　制系统，在通常情况下都能很好地保证地层稳定的效　６．密封舱土压力７．开挖面土压力８．开挖面水压力　果ｌ４　Ｊ。本文在盾构模拟试验台上对盾构机土压平衡　图１土压平衡式盾构工作原理图　的控制作了初步的实验分析研究。　２密封舱内土压力的控制　１土压平衡式盾构机的工作原理　盾构机掘进时土压控制的原理框图如图２所示。　土压平衡式盾构主要由盾体、刀盘及其驱动系统、　图２中刀盘转速的控制是开环的，刀盘转速通过变量　螺旋输送机系统、推进系统、管片拼装系统、同步注浆　泵进行调整。盾构机掘进时，调整控制面板上的刀盘　系统以及盾尾密封装置等构成。其工作原理如图１所　调速电位器，电位器的设定通过Ａ／Ｄ转换输入到　示。它是在普通盾构的基础上，在盾构中部增设一道　ＰＬＣ，然后经Ｄ／Ａ转换输出到变量泵，控制变量泵的　密封隔板，把盾构开挖面与隧道分开，使密封隔板与开　收稿日期：２００７．０２．０ｌ　挖面土层之间形成一密封土舱，刀盘在密封土舱中工　基金项目：国家杰出青年科学基金项目（５０４２５５１８）　作，另外通过密封隔板安装有螺旋输送机。当盾构由　作者简介：胡国良（１９７３一），男，江西南昌人，讲师，博士，主　推进液压缸向前推进时，由刀盘切削下来的泥土充满　要从事电液控制技术方面的研究与教学工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　液压与气动　２００７年第９期　上压设定　刀盘　控制参数设定　掣＼ｌ厂卜咂　　亟　Ｉ　上／　换　Ｉ　Ⅲ　Ｚｎ　丽　丽圃骂　ｌ　堡　位　Ｄ　蕊　Ｔ　圃　压电化　压计　寸　：ｆ　赢　调速电位　图２土压控制原理框图　排量来实现刀盘转速的连续调节。　盾构机的推进系统由６个左右对称的推进液压缸　组成，６个推进液压缸可分别进行调压和调速控制。　调压值和调速值分别通过控制面板的６个推进液压缸　的调压电位器和调速电位器给定，调压电位器和调速　电位器的设定值通过Ａ／Ｄ转换模块输入到ＰＬＣ，再经　Ｄ／Ａ转换输出到相应的推进液压缸的比例溢流阀和　比例调速阀，对推进液压缸进行调压和调速控制。推　进液压缸的调压调速控制可以是开环控制，也可以是　闭环控制，这要根据实际掘进情况而定。　螺旋输送机转速的控制是闭环控制，即螺旋输送　机的转速根据土舱内的土压进行控制。土舱中的土压　经土压计测量后通过Ａ／Ｄ转换送到控制系统，在控制　系统中把狈４量到的土压值与土压设定值进行比较处　理，确定增大或减小比例变量泵中电磁比例阀的控制　电流信号。控制电流信号经放大，能直接控制电磁比　例阀进而控制主驱动变量泵排量的变化，从而控制螺　旋输送机的液压马达的转速作对应的变化，使得螺旋　输送机的转速（即泥土排出量）也随之增大或减少，这　就是土压平衡的控制原理。　土压平衡控制既可以采用手动控制，也可以采用　自动控制。采用手动控制时，控制量由控制面板上的　螺旋输送机调速电位器通过Ａ／Ｄ转换输入；采用自动　控制时，ＰＬＣ根据控制的偏差进行一定的运算，自动　确定控制输出量，完成土压平衡控制。　实际盾构掘进中，土压平衡自动控制一般采用　ＰＩＤ控制Ｅ６］，但ＰＩＤ控制对参数的整定要求非常高，　参数的好坏将直接影响到调整品质，参数整定是ＰＩＤ　控制中比较困难的部分。另一方面，由于目标值的变　化、不可预测的外扰、控制对象的慢时变性都会导致系　统特性的变化，使原来整定的ＰＩＤ参数无法保证对系　统进行很好的控制。为了解决这些问题，在本系统中　采用自整定ＰＩＤ算法来完成土压平衡控制。自整定　ＰＩＤ算法可以在控制过程中自动完成参数的整定，然　后用整定得到的参数对过程进行控制。这样既能简化　系统投运，又能优化控制品质。　自整定ＰＩＤ控制算法在底层控制器ＰＬＣ中直接　通过编程来实现，可靠性较高。自整定ＰＩＤ算法的上　位机程序采用基于临界比例度法的自整定方案，并用　标准ＡｃｔｉｖｅＸ控件实现。组态王支持Ｗｉｎｄｏｗｓ标准的　ＡｃｔｉｖｅＸ控件，包括Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ提供的标准ＡｃｔｉｖｅＸ控　件和用户自己开发的ＡｃｔｉｖｅＸ控件。把自整定算法作　为一个独立的ＡｃｔｉｖｅＸ控件实现，既能方便调试，又能　提高程序的可重用性，在其他支持标准ＡｃｔｉｖｅＸ控件　的应用程序中也可以方便地使用＿７　Ｊ。　自整定ＰＩＤ控制算法流程图如图３所示。程序　先检查是否满足自整定的条件，当满足条件时，程序进　入自整定状态，进行自整定控制计算及控制输出，直到　参数整定成功或超时退出。在一次自整定ＰＩＤ运算　成功之后，程序先更新ＰＩＤ参数，然后停止整定，进入　非线性ＰＩＤ控制与自整定监视状态。程序若是不满　足自整定条件，程序将进行普通非线性ＰＩＤ控制运算　及输出。自整定监视模块将对非线性ＰＩＤ的控制结　果进行监视，模块内部制定了一套调整品质判定准则，　当监测到调整质量不符合准则要求时，将启动自整定　功能，对ＰＩＤ参数重新整定。　开始　初始化控制参数　足自整定条件ｉ　自整定运算及输出Ｉ　Ｊ非线性ＰｌＤ控制　厂　＼整品质不佳ｊ—／　　王是　———　Ｌ—一　ｌ启动山整定　Ｌ＿———　二＝　更新ＰＩＤ参数　　——————＿】【——一　Ｉ　停止白整定　图３自整定ＰＩＤ控制算法法流程图　３土压控制的模拟实验　实验时，在密封土舱里对称放置了２个土压力传　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第９期　液压与气动　３　感器，可实时检测土压力。刀盘转速实时控制在０．５　ｒ／ｍｉｎ切削开挖。刚开始的实验是在黏土层中进行　的，掘进时所需推进力并不大，所以采用了中间２号和　５号两个左右对称的液压缸进行推进，推进时，推进液　压系统中各分组的比例溢流阀开启压力均设定在２４　ＭＰａ，推进速度控制在３６　ｍｍ／ｍｉｎ。　进行排土控制操作时，根据理论计算，初步将密封　土舱内的目标土压力值设定在２０　ｋＰａ。目标土压力　值是根据隧道离地表的深度、土压力传感器在密封土　舱内的高度以及土质等各方面因素来决定的。根据所　推算的目标土压理论值综合考虑地面环境、土质、施工　条件作出适当调整，得出实际的目标土压力值。目标　土压力值设定过小会可能造成地表沉降、塌陷的危险；　目标土压力值设定过大会造成由于盾构机的过分掘进　而引起的地面隆起、盾构机损伤等后果。把所设定的　目标土压力并与实际检测到的土舱压力进行比较，通　过自整定ＰＩＤ运算，来实时调整螺旋输送机的转速，　使得密封土舱内的土压力达到理想的设定值。　从图４ａ、４ｂ和４ｃ可以看出，通过实时控制推进速　度为３６　ｍｍ／ｍｉｎ，螺旋机转速在３　ｒ／ｍｉｎ范围内，能较　好地使密封仓里的土压力控制在２０　ｋＰａ左右，使得开　挖面的水土压力保持一定的平衡。　在黏土层中推进时，每推进１０　ｃｍ就实测一次螺　旋输送机的排土量，理论排土量可按下式计算。　Ｍ＝　Ｘ　ｌＤ　Ｘ　Ｖ＝　×ｌＤ　Ｘ　Ｓ　Ｘ　Ｌ　＝０．９　Ｘ　１．８　Ｘ　１０。Ｘ　７【Ｘ　０．９　Ｘ　０．１：４１２　ｋｇ　式中　——修正系数，　＝０．９　ｌＤ——黏土的密度，ｌＤ＝１．８　Ｘ　１０　ｋｇ／ｍ　Ｓ——盾构机刀盘的面积，ｉｎ　——推进距离，ｉｎ　图４ｄ为黏土层中实测到的螺旋输送机排土量曲　线图，与理论值４１２　ｋｇ相比，比较符合。在进行排土　量测量时，同时对开挖面正前方土层的纵向位移进行　测量，图４ｅ为纵向位移曲线分布图，从中可以看出，其　沉降范围控制在＋５　ｍｍ～一５　ｍｍ之间，满足＋１０　ｍｍ～一３０　ｍｍ的实验要求。　图４ｆ为整个掘进试验过程中出土率随推进距离　的分布柱状图，试验中理论出土率应控制在９５％～　１００％之间，从中可以看出，实际出土率为９５．８％（不　包含注浆量），试验中的出土率与理论出土率相接近。　图４ｇ为盾构机在黏土层中掘进时密封土舱内土　压力的变化曲线。从中可以看出，随着推进距离的增　６０　ｌｃ　５０　兰４０　４　ｇ　３０　２０　ｌ０　０　０　０　ｌ００　２００　３Ｏ０　４００　５０ｏ　毗阃ｃ｝ｓ　时间ｒ／ｓ　ａ１液压缸推进速度　ｂ１螺旋输送机转速　登　咖１　－Ｈ　盎　时间ｒ／ｓ　推进位移Ｌ／ｃｍ　ｃ１密封舱内十压力　ｄ１排土量变化｝｝｝Ｉ线　Ｏ　５ｏｌ一０ｏｌ５ｏ２００２５ｏ３Ｏ０３５０４００４５０５００　　推进位移Ｌ／ｃｍ　摊进位移Ｌ／ｃｍ　ｃ）地表沉降鞋变化曲线　４０｝一－｝ｏ　ｌ００ｌ　１４ｏｌ６０ｌ８０２０ｏ２２０２４０　推进距离Ｌ／ｔ－ＪＹ（）ｓｃｍ　ｉ　ｇ）黏土层中舱土压力的变化曲线　图４实验曲线　加，密封土舱内的土压力基本稳定在设定值２０　ｋＰａ左　右，在推进距离１５０　ｃｍ左右土压力有个波动，这是因　为刀盘因故障停机，密封土舱里面重新建立起土压力　引起的。而在推进距离２００　ｃｍ时密封土舱内土压力　急剧升高到近４０　ｋＰａ，这是因为盾构机推进到２００　ｃｍ　时，已经快接近到砂土层了，负载突然增大，而此时推　进速度没有响应过来，导致土压力增大。此时适当增　加螺旋输送机的转速以及降低刀盘转速，可使密封土　舱内土压力基本稳定在２０　ｋＰａ左右。　４结束语　在模拟试验台上对盾构机密封舱内的土压力控制　进行了实验分析。采用自整定ＰＩＤ控制策略对螺旋　输送机转速的进行了实时控制，基本实现了土压平衡，　并且地表沉降控制在设计范围内。为实际土压平衡式　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　液压与气动　２００７年第９期　开关磁阻无阀伺服液压系统及其数控方法　赵婷婷　，贾明全　，李时云　Ｖａｌｖｅｌｅｓｓ　Ｈｖｄｒａｕｌｉｃ　Ｓｅｒｖｏ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍ　ｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　Ｓ　ｗｉｔｃｈｅｄ　Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ＺＨＡＯ　Ｔｉｎｇ－ｔｉｎｇ　，ＪＩＡ　Ｍｉｎｇ－ｑｕａｎ　，ＬＩ　Ｓｈｉ－ｙｕｎ　（１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０１２；２．山东科汇电气股份有限公司，山东淄博２５５０８７）　摘　要：介绍了一种采用开关磁阻的新型无阀伺服液压系统及其数控方法。在总结液压系统进展的基　础上，提出了用开关磁阻驱动液压系统的方法，设计了新型无阀伺服液压系统结构，说明了其数控策略。利　用电机转子角位移和定子电流双反馈信号，推导出泵转速和电机控制电流的数学关系式。通过控制绝缘栅　双极晶体管开通角、关断角和电流斩波值，数字化控制电机泵正反转、转速及其起停，达到数控液压系统运动　和压力的目的。经比较证明，这种液压系统能满足不同压力和速度的要求，实现了系统的数字化控制，具有　结构简单、价格经济、节能高效、可靠性高的优势。预计将会逐步代替现有的液压系统。　关键词：液压系统；开关磁阻；无阀；伺服；数控　中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００．４８５８（２００７）０９．０００４—０３　１　引言　大时，缺陷明显，如起动电流大、起动与过载转矩小、调　液压系统是十分重要的传动系统，在工业领域获　速与转矩控制复杂、价格昂贵等，而很难推广使用。　得广泛的应用。近代液压技术与微电子技术密切结　随着开关磁阻驱动技术的发展，其在各个领域开　合，使得电液伺服技术得到迅速发展。目前的伺服液　始应用【５　ｊ。本文对采用开关磁阻的无阀伺服液压　压系统多采用伺服阀…、伺服变量泵控制，存在的问　系统及其数控方法进行了探讨。　题是：系统对液体污染特别敏感＿２　；需要一套泵站系　２系统结构设计与控制策略　统提供恒压液体源；伺服阀提供的负载压力最大只有　２．１　系统结构设计　液体源压力的２／３，系统能量浪费严重；由于液体温度　开关磁阻无阀伺服液压系统结构设计方案为电机　极易升高，需配备冷却装置，导致系统体积增大和复杂　一双向定量泵一传感器．液压缸，如图１所示。控制器连　化，成本增高。　。　最近几年，无阀电液伺服控制系统＿３　ｊ出现，成为　收稿日期：２００７—０３　Ｏ１　国际液压技术界的一项重大技术革新成果，系统多为　作者简介：赵婷婷（１９６２一），女，山东省淄博人，副教授，硕　交流伺服电机加定量泵结构。由于这种电机在功率较　士，主要从事机械设备的教学与研究工作。　盾构土压控制提供了一种思路。　２００５（２）：４５—５０．　［４］杨华勇，龚国芳．盾构掘进机及其液压技术的应用［Ｊ］．　参考文献：　液压气动与密封，２００４（１）：２７—２９．　［１　Ｇ．Ａｎａｇｎｏｓｔｏｕ，Ｋ．Ｋｏｖａｒｉ．Ｆａｃｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｅａｒｔｈ—　［５］胡国良，龚国芳，杨华勇．盾构掘进机土压平衡的实现　ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｂａｌａｎｃｅｄ　ｓｈｉｅｌｄｓ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕ　ｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），２００６，４０（５）：８７４—８７７．　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６（２）：１６５—１７３．　［６］　何於琏．土压平衡盾构机掘进控制系统工作原理［Ｊ］．矿　［２］周文波．盾构法隧道施工技术及应用［Ｍ］．北京：中国建　山机械，２００６。３４（２）：２２—２４．　筑工业出版社，２００４．　［７］　王晓明．基于组态软件的盾构试验平台控制与管理［Ｄ］．　［３］刘东亮．ＥＰＢ盾构掘进的土压控制［Ｊ］．铁道工程学报，　南京：东南大学，２００５．