（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n r e s e a r c ho ft h r u s th y d r a u l i cs y s t e mo fe a r t h p r e s s u r eb a l a n c es h i e l dm a c h i n e b y t a ny a n c h e n g s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rc o n gh e n g b i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明 所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的 論文 中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外 不包含其他人己經(jīng) 發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過 的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文作者簽名 譚拖戚 e t 期 硼噼1 r 憫 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留 使用 學(xué)位論文的規(guī)定 即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論 文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人同意東北大學(xué)可 以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 交流 作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時(shí)間為作者獲得學(xué)位后 半年口一年 一年半口兩年口 學(xué)位論文作者簽名 譚拖戌 簽字目期 q 啦 耳葉目 導(dǎo)師簽名 肚恒雙 u 簽字日期 功d 噼了同每回 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的研究 摘要 隨著我國城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)以其獨(dú)有的智能化 安全 快捷等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 越來越得到推廣和應(yīng)用 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是集電氣 液壓 測(cè)量導(dǎo)向 控制 材料等多學(xué)科技術(shù)于一體的隧道工程專用的大型高科技綜合施工設(shè)備 推進(jìn)液壓 系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)重要的組成部分 對(duì)其的精確控制是盾構(gòu)機(jī)正常工作的關(guān)鍵 本文論述了國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀 闡明了我國發(fā)展盾構(gòu)技術(shù)的意 義 在對(duì)盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)了盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)液壓系統(tǒng) 根據(jù)盾構(gòu)機(jī) 施工要求 推進(jìn)液壓缸采用分組控制的原則 推進(jìn)液壓系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)控制 推進(jìn)缸的壓力和速度 并在此基礎(chǔ)上提出了比例壓力流量控制策略 本文建立了推進(jìn)壓力速度復(fù)合控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)建立的模型運(yùn)用 m a t l a b 仿真工具 對(duì)系統(tǒng)的壓力控制與速度分別進(jìn)行了開環(huán)控制 p i d 控制 自適 應(yīng)模糊p i d 控制的仿真 結(jié)果表明采用p i d 控制和自適應(yīng)模糊p i d 控制能夠顯著的提 高系統(tǒng)的控制質(zhì)量 達(dá)到壓力和速度實(shí)時(shí)可調(diào)的目標(biāo) 相比之下 自適應(yīng)模糊p i d 控制 在系統(tǒng)的動(dòng) 靜態(tài)性能方面都有很佳的控制效果 且控制精度非常高 控制器的自適應(yīng) 和自學(xué)功能較強(qiáng) 本文對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了p l c 控制設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝兩種 工作狀態(tài)的電氣控制 關(guān)鍵詞 盾構(gòu)機(jī) 推進(jìn)液壓系統(tǒng) p i d 自適應(yīng)模糊p i d p l c i i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t r e s e a r c ho ft h r u s t h y d r a u l i cs y s t e mo f e a r t h p r e s s u r eba l a n c es h i e l dm a c h i n e a bs t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec i t ym e t r oi no u rc o u n t r y t u n n e lc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yw i t hs h i e l di sm o r ea n dm o r eb e i n gd e v e l o p e da n da p p l i e d b e c a u s eo fi t su n i q u e c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e ss u c ha si n t e l l i g e n c e s a f e t ya n dq u i c k n e s s e t c t h es h i e l d t u n n e l l i n gi s at y p eo fc o m p l i c a t e de n g i n e e r i n ge q u i p m e n tt h a ti s w i d e l yu s e di nt h e u n d e r g r o u n dt u n n e le x c a v a t i o n w h i c hi sr e l a t e dw i t hs u b j e c t so fm a c h i n e r y e l e c t r o n i c s h y d r a u l i c s m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h et h r u s ts y s t e mi sak e yp a r to ft h es h i e l dt u n n e l l i n g m a c h i n ea n dt h ee x a c tc o n t r o lo fi ti st h ek e yt ow h e t h e rt h es h i e l dm a c h i n ec a nw o r k n o r m a l l y t h ep a p e rd e p i c t e das u r v e yo fs h i e l dm a c h i n e sh i s t o r yo nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l c u r r e n ts t a t u s e l u c i d a t e di t s m e a n i n go fi t sd e v e l o p m e n ti no u rn a t i o n b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho ns h i e l dm a c h i n e st e c h n o l o g y t h ep a p e rd e s i g n e dt h eh y d r a u l i c t h r u s ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h et t m n e l l i n gr e q u i r e m e n t so f s h i e l d t h ez o n ec o n t r o lm e t h o di s a d o p t e dt oc o n t r o lt h et h r u s th y d r a u l i cc y l i n d e r s s p e e da n dp r e s s u r eo ft h r u s th y d r a u l i c c y l i n d e r sw e r er e a l t i m ec o n t r o l l e db ya p p l i n g e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ea n df l o wc o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yw a sa l s o p u t f o r w a r d t h ep a p e rb u i l d su pt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ec o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h r u s t p r e s s u r ea n dt h r u s tv e l o c i t y c a r r i e so u tt h es i m u l a t i o n so fo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m p i d c o n t r o ls y s t e m s e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o ls y s t e m u s i n gm a t l a ba c c o r d i n gt ot h e m o d e l s t h er e s u l t ss h o w sb o t ht h ep i dc o n t r o la n d s e l f a d a p t i v ef u z z yc o n t r o lc a nh i g h l i g h t t h eq u a l i t yo ft h ec o n t r 0 1 h o w e v e ri nt h ep e r f o r m a n c ea s p e c to ft h es y s t e md y n a m i ca n d s t a t i cs t a t e s i t g e t s ab e t t e rc o n t r o l e f f e c t t h ec o n t r o la c c u r a c yi sv e r yh i g h t h e s e l f a d a p t a t i o na n ds e l f s t u d yf u n c t i o na r ec o m p a r a b l ys t r o n g t h ep a p e rd e s i g n st h ec o n t r o l s y s t e mo ft h et h r u s th y d r a u l i cs y s t e mo ft h es h i e l d m a c h i n e u s i n gp l c a n dr e a l i z e st h ec o n t r 0 1o ft h em o d eo ft h r u s ta n ds h i e l de r e c t o r i i i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t k e yw o r d s s h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e t h r u s th y d r a u l i cs y s t e m p i d s e l f a d a p t i v ef u z z y p i d p l c i v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 目錄 獨(dú)創(chuàng)性聲明 i 摘要 i i a b s l l 7 a c t i i i 第1 章緒論 1 1 1 前言 1 1 2 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介 1 1 2 1 盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造 1 1 2 2 盾構(gòu)機(jī)的工作原理 2 1 3 國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 3 1 3 1 國外盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 3 1 3 2 國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研究現(xiàn)狀及存在的問題 4 1 4 課題意義 5 1 5 論文的主要研究?jī)?nèi)容 6 第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 2 1 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng) 7 2 1 1 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2 1 2 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)壓力流量復(fù)合控制 8 2 2 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的組成 1 0 2 3 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)計(jì)算及選型 1 1 2 3 1 液壓缸參數(shù)的確定 1 1 2 3 2 比例溢流閥的選擇 1 2 v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 2 3 3 比例調(diào)速閥的選擇 1 2 2 3 4 液壓輔件的選擇 1 3 第3 章盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的建模 1 5 3 1 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)建模方法簡(jiǎn)介 1 5 3 2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)建模 1 6 3 2 1 液壓缸模型 16 3 2 2 比例溢流閥模型 1 9 3 2 3 比例調(diào)速閥模型 2 3 3 2 4 壓力傳感器和速度傳感器模型 2 5 3 2 5 系統(tǒng)模型的確定 2 6 第4 章盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)p i d 控制及仿真 2 7 4 1p i d 控制方法 2 7 4 1 1p i d 控制原理 2 7 4 1 2p i d 控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 2 8 4 1 3p i d 控制器參數(shù)的整定 2 9 4 2 液壓系統(tǒng)的仿真概述 3 0 4 2 1 液壓系統(tǒng)仿真的目的和意義 3 0 4 2 2 仿真環(huán)境簡(jiǎn)介 3 1 4 3 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的仿真 3 2 4 3 1 盾構(gòu)推進(jìn)壓力控制 3 2 4 3 2 盾構(gòu)推進(jìn)速度控制 3 5 第5 章盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的模糊p i d 控制 3 7 5 1 模糊控制理論 3 7 5 1 1 模糊控制理論概述 3 7 v i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 5 1 2 模糊控制器的組成 3 8 5 1 3 模糊控制的基本原理 3 9 5 2 模糊p i d 控制基本技術(shù)及原理 4 0 5 3 推進(jìn)系統(tǒng)模糊p i d 控制器設(shè)計(jì) 4 1 第6 章可編程控制器設(shè)計(jì) 4 7 6 1p l c 概j 苤 4 7 6 1 1p l c 特點(diǎn) 4 7 6 1 2p l c 的應(yīng)用領(lǐng)域 4 9 6 1 3p l c 的基本組成及功能 5 0 6 2s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 特征 5 2 6 2 1s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 介紹 5 2 6 2 2s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 工作原理 5 3 6 3p l c 硬件設(shè)計(jì) 5 5 6 3 1 電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 5 5 6 3 2 系統(tǒng)i o 確定 5 5 6 3 3 控制順序確定 5 7 6 4 電控系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 5 7 6 4 1 干擾的產(chǎn)生和耦合方式 5 7 6 4 2 干擾的抑制技術(shù) 5 8 6 5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5 9 6 5 1s t e p 7 的程序結(jié)構(gòu)分類 5 9 6 5 2 編程語言 6 0 6 5 3 編制控制程序 6 1 6 5 4 工作過程分析 6 3 6 5 5 程序測(cè)試和修改 6 4 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 第7 章結(jié)論與展望 6 5 參考文獻(xiàn) 6 7 致謝 7 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 1 1 前言 第1 章緒論 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)生活的需要 一些基礎(chǔ)設(shè)施的修建成為迫切需要 一 些大城市發(fā)展地鐵交通已成大勢(shì)趨 但由于施工環(huán)境的因素 在城市中修建地鐵 隧道要求即不能影響城市的正常功能同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響要小 然而傳統(tǒng)的施 工方法都不能滿足這些要求 因此采用新的施工方法成為迫切的需要 盾構(gòu)施工法是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法 它使用盾構(gòu)機(jī)在地下進(jìn)行 掘進(jìn) 在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面穩(wěn)定的同時(shí) 在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞 的開挖和襯砌作業(yè) 盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)施工法中的主要施工機(jī)械 盾構(gòu)機(jī)具有自動(dòng)化 程度高 節(jié)省人力 施工速度快 一次成洞 不受氣候影響 開挖時(shí)可控制地面 沉降 減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn) 在隧洞 洞線較長(zhǎng) 埋深較大的情況下 用盾構(gòu)機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理 因此盾構(gòu)機(jī)成為修 建地鐵和地下隧道的重要設(shè)備1 2 j 1 2 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介 盾構(gòu)機(jī) 全名叫盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī) 是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械 現(xiàn)代盾 構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光 機(jī) 電 液 傳感 信息技術(shù)于一體 具有開挖切削土體 輸送 土碴 拼裝隧道襯砌 測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能 涉及地質(zhì) 土木 機(jī)械 力學(xué) 液 壓 電氣 控制 測(cè)量等多門學(xué)科技術(shù) 而且要按照不同的地質(zhì)進(jìn)行 量體裁衣 式的設(shè)計(jì)制造 可靠性要求極高 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵 鐵路 公路 市 政 水電等隧道工程f 3 1 1 2 1 盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造 盾構(gòu)機(jī)主要由護(hù)盾 挖掘機(jī)構(gòu) 推進(jìn)機(jī)構(gòu) 排土機(jī)構(gòu) 襯砌機(jī)構(gòu)及輔助機(jī)構(gòu) 等部分組成 如圖1 1 所示 護(hù)盾一般由切口環(huán) 支承環(huán)和盾尾三部分組成 挖掘 機(jī)構(gòu)主要由刀頭或刀盤及其支撐裝置組成 推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由液壓設(shè)備如油泵 油 馬達(dá) 液壓千斤頂?shù)冉M成 排土機(jī)械中的泥土式主要是由泥漿泵及管道組成 土 壓平衡式主要由螺旋輸料機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)組成 襯砌機(jī)構(gòu)主要是管片自動(dòng)拼裝機(jī) 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 械手 輔助機(jī)構(gòu)包括壁后灌漿裝置 導(dǎo)向測(cè)量及控制裝置等 4 1 1 切削了 盤2 開挖至3 承壓i 輯極4 壓縮竺i 蘭氣i 司室 5 推進(jìn)千斤頂6 盾尾密封7 管片8 帶式輸送機(jī) 9 管片拼裝機(jī)1 0 刀盤驅(qū)動(dòng)11 螺旋輸送機(jī) 圖1 1 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造 f i g 1 1s t r u c t u r eo fe a r t hp r e s s u r eb a l a n c em a c h i n e 1 2 2 盾構(gòu)機(jī)的工作原理 盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì) 土壤進(jìn)行挖掘 該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾 它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起 著臨時(shí)文撐的作用 承受周圍土層的壓力 有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋 在外面 挖掘 排土 襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行 盾殼支承著圍巖并保護(hù)著 刀盤等掘削系統(tǒng) 在刀盤扭矩力和推進(jìn)油缸頂力的作用下 盾構(gòu)在土層中利用布置在刀 盤上的切割刀 對(duì)土體進(jìn)行切削 由刀盤切削下來的泥土進(jìn)人泥土艙 再通過螺旋輸送 機(jī)不斷向后方排土口排出 由于泥土通過刀盤切削和擾動(dòng)后會(huì)增加泥土的流塑性 因此 即使粘結(jié)性較大的泥土在受到刀盤旋轉(zhuǎn)切削擾動(dòng)和螺旋輸送機(jī)傳送擾動(dòng)后也會(huì)變得更 為松軟 具有較大的流動(dòng)性 因而能較好的充滿泥土艙和螺旋輸送機(jī)殼體內(nèi)的全部空洞 使泥土艙內(nèi)的土壓能均勻傳遞 通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸的推進(jìn) 速度 使盾構(gòu)開挖土量和排出土量保持或接近平衡 即同時(shí)使密封泥土艙土壓接近開挖 面靜止土壓 以保持開挖面土層穩(wěn)定 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí) 為保持密封泥土艙土壓始終穩(wěn)定在設(shè)定的土壓范圍內(nèi) 以防止和控制 地表沉陷 可采用下列兩種操作控制模式 1 控制排土量的排二e 操作控制模式 即通過土壓檢測(cè) 改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速 控制排土量 以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式 此時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)速度則由人工事先給定 2 控制進(jìn)土量的推進(jìn)操作控制模式 即通過土壓檢測(cè)來控制盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn) 一2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 速度以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式 此時(shí)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速也由人工事先給定 5 擊 1 3 國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 盾構(gòu)法自1 8 1 8 年法國出生的布魯涅爾取得專利權(quán)后經(jīng)過了大約1 9 0 年的發(fā)展歷史 目前已是一種較成熟的施工方法 1 3 1 國外盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 盾構(gòu)法第一次試用是1 8 2 5 年在英國泰晤士河下的第一座水底隧道中 當(dāng)時(shí)利用的 盾構(gòu) 在結(jié)構(gòu)上是能獨(dú)立推進(jìn)的結(jié)構(gòu)式盾構(gòu) 然而這種盾構(gòu)因該隧道被水淹沒而停工 后經(jīng)改進(jìn)才于1 8 4 3 年完工 前后經(jīng)歷了1 6 年 共推進(jìn)3 6 0 米 18 7 4 年 格列特赫德 采用襯砌裝配舉重器以及風(fēng)動(dòng)式灰漿壓注機(jī)結(jié)合壓縮空氣的盾構(gòu)修建烏爾維隧道 到2 0 世紀(jì)初 盾構(gòu)施工法在英 美 德 俄 法 日等國開始推廣 1 9 1 7 年日本 開始在鐵羽越線的折返段隧道施工中引進(jìn)盾構(gòu)法 1 9 3 8 年正式在國鐵關(guān)門隧道應(yīng)用盾 構(gòu)法施工 為日本盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 1 9 6 7 年由英國提出的泥水加壓系統(tǒng)在 日本得到了實(shí)施 日本研制成功第一臺(tái)有切削刀盤 水力出土的泥水加壓式盾構(gòu) 直徑 為3 1 m 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)始于2 0 世紀(jì)7 0 年代初 第一臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 外徑為3 7 2 m 由日本i h i 設(shè)計(jì)制造 于1 9 7 4 年在東京投入使用 隨后 其它一些廠 家也開始生產(chǎn)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 產(chǎn)品的名稱不完全相同 但從原理上都可歸納為土壓 平衡系統(tǒng) e a r t h p r e s s u r eb a l a n c es y s t e m 之后 盾構(gòu)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展 己成功應(yīng)用 于各種公路隧道 地鐵隧道 引水隧道以及市政公用設(shè)施隧道等 7 1 1 盾構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)主要集中在美 日 歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū) 主要生產(chǎn)廠家有日本三 菱重工 m i t s u b i s h i 川崎重工 k a w a s a k i 日立 h i t a c h i 德國海倫克內(nèi)希特 h e r r e n k n e c h t 公司及維爾特 w i r t h 公司 此外瑞典的阿特拉斯科普科 a t l a sc o p c o 公司和英國的詹姆斯 豪登 j a m e sh o w d e n 公司及馬克海姆 m a r k h a m 公司 加拿 大的勞瓦特 l o v a t 公司等也生產(chǎn)了很多盾構(gòu)機(jī) 目前 世界上生產(chǎn)盾構(gòu)的公司主要 有3 3 家 在盾構(gòu)技術(shù)性能方面 日本盾構(gòu)工法發(fā)展較快 其使用盾構(gòu)工法在城市隧道 施工中占9 0 以上 這主要是因?yàn)槿毡窘?jīng)濟(jì) 城市快速發(fā)展和高水位地質(zhì)條件 尤其是 在土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)的發(fā)展領(lǐng)先于其他國家 德國的盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展也有獨(dú)到之 處 尤其是在地下施工過程中 在保證密封和高達(dá)o 3 m p a 氣壓條件下可更換刀盤上的 刀具 從而提高了盾構(gòu)的掘進(jìn)長(zhǎng)度 總的說來日本和德國處于世界領(lǐng)先水平 其先進(jìn)性 主要表現(xiàn)為 3 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 1 基本實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn) 襯砌 排土施工工藝的全機(jī)械化和全自動(dòng)化 2 地層適應(yīng)性廣 可用于硬巖 沙礫層 卵石層 沙層和軟土等各種地層 3 掘進(jìn)斷面的形狀多樣化 尺寸變化范圍較大 已生產(chǎn)出圓形 矩形 雙圓型 三圓型 球型 h v 水平及垂直 橫縱 型 子母型盾構(gòu)等 徑向尺寸從0 2 m 1 8 m 4 普遍采用液力驅(qū)動(dòng)和電液控制技術(shù) 具有大功率 變負(fù)載 低能耗的特點(diǎn) 以及自動(dòng)檢測(cè) 自動(dòng)糾偏 故障診斷等功能 5 廣泛地采用了遙控技術(shù) 激光雷達(dá)技術(shù) 衛(wèi)星制導(dǎo)技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù) 攝像及視覺信號(hào)處理技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)成果 1 3 2 國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研究現(xiàn)狀及存在的問題 1 國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研究現(xiàn)狀 1 9 6 3 年國內(nèi)第一臺(tái)盾構(gòu)一直徑4 2 m 試驗(yàn)性盾構(gòu)問世以后 經(jīng)過2 0 多年應(yīng)用實(shí)踐 和改進(jìn) 到1 9 8 1 年為建設(shè)上海延安東路北路過江隧道成功研制出了直徑11 3 r n 的大型 盾構(gòu) 至此國內(nèi)自行研制開發(fā)的盾構(gòu)一網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)已基本定型化 這種盾構(gòu)具有構(gòu) 造簡(jiǎn)單 操作方便和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn) 但對(duì)控制地面變形要求高的地區(qū)施工 還缺乏嚴(yán)格 的技術(shù)措施 隨著國家經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展 在城市市區(qū)采用盾構(gòu)修建地鐵和各種隧道 任務(wù) 日益繁重 為了避免由于盾構(gòu)施工引起的地面變形給地面建筑和交通帶來干擾和影響 因而必將對(duì)盾構(gòu)技術(shù)和盾構(gòu)施工提出更高的要求 1 9 8 3 年為建造上海芙蓉江排水隧洞 首次從日本引進(jìn)一臺(tái)直徑4 3 m 的小刀盤土壓 平衡盾構(gòu) 通過工程應(yīng)用 在軟弱粘性土層中掘進(jìn) 土壓平衡技術(shù)得到了較好的發(fā)揮 因該盾構(gòu)僅裝有小刀盤 在盾構(gòu)開挖全斷面上仍有相當(dāng)面積帶擠壓作用 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到 粉砂土層時(shí) 阻力增大 需輔以人工開挖 而無法維持土壓平衡 大大地增加了施工困 難 1 9 8 7 年為建設(shè)上海市南站電纜過江隧道 國內(nèi)首次研制了一臺(tái)直徑4 3 5 m 的土壓 平衡盾構(gòu) 采用典型大刀盤結(jié)構(gòu) 成功地掘進(jìn)隧道5 3 0 m 其中約2 0 0 m 區(qū)段 盾構(gòu)斷 面下部二分之一處于粉砂地層 工程進(jìn)展順利 該盾構(gòu)獲19 9 0 年國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng) 1 9 9 0 年 為建設(shè)上海吳徑熱電廠排水隧洞 研制了一臺(tái)直徑5 6 4 m 土壓平衡盾構(gòu) 掘 進(jìn)隧道長(zhǎng)度7 0 0 m 其中3 0 0 m 隧道下部三分之一斷面處于暗綠色硬粘土層中 較好地 完成了任務(wù) 從9 0 年代初期 土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)在上海有了長(zhǎng)足的發(fā)展 1 9 9 1 年 為 上海合流污水治理排水隧洞的建設(shè)分別采用了直徑5 7 1 m 直徑3 3 m 和直徑3 8 m 等多 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu) 完成隧道掘進(jìn)約5 0 0 0 m 1 9 9 4 年為南京秦淮河整治夾江隧道工程 研制了一臺(tái)國內(nèi)最大直徑 6 3 4 m 的土壓平衡盾構(gòu) 掘進(jìn)隧道長(zhǎng)度4 0 3 m 盾構(gòu)穿越的 4 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 地層主要為粉細(xì)砂層 含粘粒少 透水性大 地質(zhì)條件較差 但施工質(zhì)量?jī)?yōu)良 與此同 時(shí) 1 9 9 0 年為建造上海地鐵一號(hào)區(qū)間隧道 一次從法國引進(jìn)直徑6 3 4 m 的土壓平衡盾 構(gòu)七臺(tái) 完成隧道掘進(jìn)1 7 5 k m 隧道大部分埋設(shè)在市區(qū)商業(yè)街或建設(shè)物下面 施工質(zhì) 量較好 該七臺(tái)盾構(gòu)經(jīng)大修后又用于地鐵2 號(hào)線區(qū)間隧道施工 另外 1 9 9 8 年又從法 國引進(jìn)了兩臺(tái)直徑6 3 4 m 的土壓平衡盾構(gòu) 還有原用于南京秦淮河夾江隧道施工的盾構(gòu) 經(jīng)大修后亦投人地鐵2 號(hào)線區(qū)間隧道的施工 共掘進(jìn)隧道2 4 k i n 1 2 1 5 2 0 0 4 年1 0 月 通過國家 8 6 3 計(jì)劃 項(xiàng)目的研究 第一臺(tái)由中國人自己設(shè)計(jì)和制造 擁有自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán) 直徑6 3 4 0 m m 的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)一8 6 3 盾構(gòu)機(jī) 先行號(hào) 在上海隧道工程股份有限 公司誕生 8 6 3 盾構(gòu)機(jī) 先行號(hào) 的誕生 結(jié)束了外資品牌一統(tǒng)天下的局面 其性能指 標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平 在盾構(gòu)制造技術(shù)方面 在3 8 m 6 3 4 m 國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)中采用的隧道導(dǎo)向和監(jiān)控 技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平 為測(cè)控技術(shù)的國產(chǎn)化奠定了良好的基礎(chǔ) 在異形刀盤 刀具 材料 以及襯砌 出土與密封技術(shù)等方面也取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)成果 國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)技術(shù)已接近國際先進(jìn)水平 在某些領(lǐng)域 如異形盾構(gòu) 的研究方面 己擠身世界先進(jìn)行列 1 6 1 7 但盾構(gòu)電液控系統(tǒng)的研究與開發(fā)相對(duì)滯后 目 前國產(chǎn)中小型盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)主要元器件 如 液壓泵 液壓馬達(dá) 高性能電液控制 器等 幾乎全部依賴進(jìn)口 液壓技術(shù)已經(jīng)成為制約我國盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸技術(shù)之 o 從市場(chǎng)需求上看 我國盾構(gòu)技術(shù)水平明顯滯后于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的要 求 特別是大中型隧道建設(shè)所使用的盾構(gòu) 主要還是依賴進(jìn)口 2 國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)存在的主要問題 1 8 2 0 a 對(duì)土層地質(zhì)條件的適應(yīng)能力差 b 地表變形和地層擾動(dòng)難以控制 c 可靠性低 自動(dòng)化程度低 推進(jìn)速度不能保證 d 設(shè)備能耗較高 發(fā)熱嚴(yán)重 e 耗材依賴進(jìn)口 施工成本較高 f 盾構(gòu)工法不多 地下盾構(gòu)對(duì)接技術(shù) 豎井隧道施工一體化技術(shù) 盾構(gòu)直接切 削豎井井壁的進(jìn)出洞技術(shù)等課題目前均屬空白 1 4 課題意義 盾構(gòu)是集多學(xué)科技術(shù)于一體的技術(shù)密集型重大工程裝備 其設(shè)計(jì)和制造工作在某種 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 意義上代表一個(gè)國家設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平 隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 我國城市有了很大 發(fā)展 城市的擴(kuò)大 交通擁擠 為保護(hù)耕地 緩解地面交通狀況 開發(fā)地下空問已迫在 眉睫 地下空間的利用將是未來發(fā)展面臨的重要課題之一 全斷面盾構(gòu)技術(shù)是開發(fā)地下 空間的必然選擇 也是現(xiàn)在掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展方向 地下空間的開發(fā)利用水平是一個(gè)國際科 技經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要體現(xiàn) 長(zhǎng)期以來我國采用盾構(gòu)法施工的隧道掘進(jìn)機(jī)幾乎全部依賴于進(jìn)口 其中德國和日本 多家盾構(gòu)制造商在中國市場(chǎng)的占有率超過了9 0 因此發(fā)展中國的盾構(gòu)技術(shù)已成為當(dāng)務(wù) 之急 必須在引進(jìn) 消化 吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 認(rèn)真分析制約中國盾構(gòu)技術(shù)發(fā) 展的關(guān)鍵性瓶頸技術(shù) 并組織力量聯(lián)合攻關(guān) 以加速中國盾構(gòu)機(jī)的國產(chǎn)化步伐 推進(jìn)液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)之一 對(duì)其的精確控制是盾構(gòu)機(jī)正常工作的關(guān)鍵 推進(jìn)液壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及建模與仿真這一課題正是為滿足此要求而設(shè)立的 它可以 在計(jì)算機(jī)上模擬盾構(gòu)的推進(jìn)過程 并給出推進(jìn)缸相關(guān)的輸出參數(shù)的曲線 為實(shí)際設(shè)計(jì)和 制造提供了有利的參照和對(duì)比 節(jié)約了實(shí)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi) 減少不必要的損失 是現(xiàn)代設(shè)計(jì) 人員必不可少的步驟和環(huán)節(jié) 1 5 論文的主要研究?jī)?nèi)容 1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 按照盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的施工要求 確定液壓系統(tǒng)的控制策略 合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原 理圖 并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù) 選擇主要液壓控制元件 2 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真 建立盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 利用m a t l a b s i m u l i n k 軟件對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的壓 力及速度的復(fù)合控制進(jìn)行仿真 3 自適應(yīng)模糊p i d 控制器設(shè)計(jì) 在p i d 算法的基礎(chǔ)上 通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差和誤差變化 利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊 推理 查詢模糊控制表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整 控制系統(tǒng)在線運(yùn)行過程中 通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則 的結(jié)果處理 查表和運(yùn)算 完成對(duì)p i d 參數(shù)的在線自校 f 4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用德國s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c 對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 并利用s t e p7 編程軟件進(jìn)行編程 6 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 1 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng) 2 1 1 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于盾構(gòu)機(jī)在地下工作 掘進(jìn)過程中會(huì)受到土層的各種阻力 為確保盾構(gòu)機(jī)能夠正 常施工 首先推進(jìn)系統(tǒng)必須克服推進(jìn)過程中所遇到的各種阻力 考慮盾構(gòu)具有大功率 變負(fù)載和動(dòng)力遠(yuǎn)距離傳遞與控制等特點(diǎn) 其推進(jìn)系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳 遞 分配與控制 推進(jìn)系統(tǒng)主要由設(shè)在密封倉隔板后部沿盾構(gòu)圓周均勻分布的多臺(tái)推進(jìn) 液壓缸 提供高壓油的液壓泵 液壓管路和液壓閥件組成 液壓缸均勻分布在刀盤圓周 呈對(duì)稱布置 布置形式如圖2 1 所示 圖2 1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓缸截面分布圖 f i g 2 1d i s t r i b u t i o no fp r o p e lh y d r a u l i cc y l i n d e r so fe p b m 在施工中 刀盤應(yīng)按照設(shè)定的路線前進(jìn) 因此刀盤或刀架的精確進(jìn)刀與對(duì)刀是非常 重要的 而被切削的地質(zhì)比較復(fù)雜 刀盤受到地層的阻力往往是不均勻的 使刀盤的前 進(jìn)方向在施工中發(fā)生偏離 這時(shí)就需要通過協(xié)調(diào)控制推進(jìn)液壓缸來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整 2 1 由于盾構(gòu)的推進(jìn)液壓缸較多 若系統(tǒng)對(duì)每個(gè)液壓缸單獨(dú)控制并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有液壓 缸控制 又要保證所有液壓缸具有協(xié)調(diào)性和同步性 控制系統(tǒng)較為復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn) 為了 使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化 系統(tǒng)可采用對(duì)液壓缸分組聯(lián)合控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其方向控制 即將推進(jìn)液 壓缸分為幾組 對(duì)每組液壓缸分別進(jìn)行控制 并對(duì)相鄰兩組實(shí)行聯(lián)合控制 以實(shí)現(xiàn)整體 推進(jìn) 單絹 前進(jìn)或后退 相鄰兩組前進(jìn)或后退等動(dòng)作 從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的上 下 左 右 左上 左下 右上 右下的姿態(tài)控制 使控制更符合實(shí)際工作要求 更容易控制 簡(jiǎn)化 7 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 了控制程序 達(dá)到了控制目的 2 1 2 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)壓力流量復(fù)合控制 在盾構(gòu)法施工中 由于盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)引起地層擾動(dòng) 同時(shí)還要保證開挖面的壓力平衡 開挖面的壓力與土壓 而推進(jìn)液壓缸在克服挖掘反推力的同時(shí) 還必須克服盾體與 地層的摩擦阻力 其不穩(wěn)定因素來源于不同地層的不同阻力和不同挖掘反推力 另外 盾構(gòu)在地下掘進(jìn)過程中遇到的地層變化多樣 因而水土壓力往往連續(xù)變化 因此 掘進(jìn) 阻力發(fā)生隨機(jī)變化 為了保持土壓平衡 必須針對(duì)水土壓力及時(shí)調(diào)整推進(jìn)液壓缸供油壓 力 因此必須對(duì)推進(jìn)壓力進(jìn)行控制 為了減少隧道施工對(duì)地表建筑的影響 在實(shí)際施工中 往往要求嚴(yán)格控制推進(jìn)過程 中地表的沉降 盾構(gòu)隧道地面沉降是由盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍土體擾動(dòng)引起的 根據(jù)盾構(gòu)所處 的相對(duì)位置 可將地面變形分為以下5 個(gè)部分 盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形6 盾構(gòu)到達(dá)時(shí) 的地面變形6 盾構(gòu)通過時(shí)的地面變形6 盾構(gòu)通過后瞬時(shí)地面變形6 和地面后期固 結(jié)變形6 其中盾構(gòu)通過時(shí)的地表變形與盾構(gòu)推進(jìn)速度有很大關(guān)系 推進(jìn)速度越大 地表變形6 越大 這就對(duì)系統(tǒng)的推進(jìn)速度提出較高要求 因此 必須對(duì)推進(jìn)的速度進(jìn)行 精確控制 2 2 彩 再者 在盾構(gòu)施工中 隧道軸線與設(shè)計(jì)曲線的偏差量是衡量盾構(gòu)施工質(zhì) 量的一個(gè)重要指標(biāo) 為達(dá)到要求 通常需要合理調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)不同分組的推進(jìn)壓力以得 到所需扭轉(zhuǎn)力矩來完成盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整要求 2 4 因此盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)普遍采用壓 力流量復(fù)合控制 本文中電液控制系統(tǒng)的主要功能是控制推進(jìn)液壓缸的壓力和速度 因此控制元件可 選擇電液伺服閥或電液比例閥 電液伺服閥的控制精度雖然很高 但其價(jià)格昂貴 對(duì)油污十分敏感 因而對(duì)系統(tǒng)的 使用維護(hù)要求很高 電液比例控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件 電液比例閥 它與電液伺服閥相 比較 價(jià)格便宜 功率損失小 抗污染能力強(qiáng) 在控制特性上 除控制精度及響應(yīng)快速 性方面不如伺服閥外 其它方面的性能和控制水平與伺服閥相當(dāng) 靜 動(dòng)態(tài)特性足以滿 足大多數(shù)工業(yè)的應(yīng)用要求 2 5 2 7 1 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)傳遞功率大 運(yùn)算復(fù)雜 要求控制精度高 安裝空間小 且工作環(huán)境惡劣 基于上述原因 本系統(tǒng)采用電液比例閥作為控制元件 1 壓力流量復(fù)合控制常用方法 前己述及 對(duì)系統(tǒng)而言 控制方式主要是進(jìn)行壓力流量的復(fù)合控制 伴隨液壓技術(shù) 的發(fā)展 產(chǎn)生了多種復(fù)合控制方法 表2 1 列舉了常見的幾種方法 一8 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 表2 1 常見比例壓力 流量控制方式比較 t a b l e2 1c o m p a r i s o no fe l e c t r o h y d r a u l i cp r e s s u r e f l o wc o n t r o lm e t h o d s 通過表中的總結(jié)可以看出 按照選用液壓元件的不同 壓力 流量復(fù)合比例控制分 為節(jié)流控制和容積控制兩種 其中 前者具有系統(tǒng)頻響高 可進(jìn)行微流量調(diào)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單 操作方便等長(zhǎng)處 但也存在能耗較大 系統(tǒng)效率較低等不足 故多用于小功率場(chǎng)合 后者具有節(jié)能 功耗小 效率高等優(yōu)點(diǎn) 也存在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差等不足 故多用于中 大功率液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 針對(duì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的特殊應(yīng)用場(chǎng)合 由于系統(tǒng)需進(jìn)行分組控制 且各分組相對(duì)獨(dú) 立 分別進(jìn)行壓力 流量的復(fù)合控制 通過分組間的協(xié)調(diào)來完成要求的控制目標(biāo) 同時(shí) 考慮到系統(tǒng)屬大功率應(yīng)用場(chǎng)合 本著避免壓力損失與能量損失 實(shí)現(xiàn)泵與負(fù)載間的功率 匹配以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的 對(duì)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了以上兩種壓力 流量復(fù)合控制方式 即在供 9 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 油端采用負(fù)載敏感控制技術(shù) 使用恒壓變量泵 通過傳感器檢測(cè)出負(fù)載變化信號(hào) 由負(fù) 載變化信號(hào)對(duì)泵的流量做相應(yīng)的調(diào)節(jié) 使其輸出流量始終與各分組所需的流量相適應(yīng) 在獨(dú)立分組中 采用節(jié)流控制方式 通過比例溢流閥和比例調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)壓力 流量的 復(fù)合控制 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 2 8 1 其系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)圖如圖2 2 所示 壓力指令 i 速度指令 圖2 2 系統(tǒng)控制原理圖 f i g 2 2s k e l e t o no fc o n t r o ls y s t e m 2 2 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的組成 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的原理圖如圖2 3 所示 盾構(gòu)推進(jìn)時(shí) 所有三位四通電磁換向閥 1 5 均處在推進(jìn)工作狀態(tài)a 位 二位二通電磁換向閥1 2 處于關(guān)閉狀態(tài) 壓力傳感器1 9 檢測(cè)到的壓力信號(hào)和設(shè)定的壓力信號(hào)進(jìn)行比較 得到的信號(hào)輸入反饋到比例溢流閥1 4 上 自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載壓力大小 保證液壓缸的輸出力為所需的設(shè)定值 推進(jìn)速度的大小可 由液壓缸內(nèi)的位移傳感器2 0 檢測(cè)到的信號(hào)反饋到比例調(diào)速閥1 3 上 從而調(diào)節(jié)比例調(diào)速 閥1 3 中節(jié)流閥開度大小來實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)中多余流量可從比例溢流閥1 4 流回油箱 推進(jìn)液壓缸的快速回退控制回路可實(shí)現(xiàn)液壓缸的單獨(dú)退回操作 以滿足管片拼裝的 要求 快退時(shí) 所選液壓缸的三位四通電磁換向閥1 5 切換到工作狀態(tài)b 位 進(jìn)油路上 的二位二通電磁換向閥1 2 導(dǎo)通 短路比例調(diào)速閥1 3 系統(tǒng)采用大流量供油 實(shí)現(xiàn)快速 回退 液壓缸無桿腔的回油經(jīng)平衡閥1 7 流回油箱 在每一組液壓缸控制回路中 均設(shè)有一個(gè)平衡閥1 7 該平衡閥可在管片拼裝 液 壓缸單獨(dú)退回時(shí) 起到平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的作用 而且可防止推進(jìn)過程中由于意外情況可能出現(xiàn) 的液壓缸的后退 兩個(gè)液控單向閥組合成雙向液壓鎖1 6 與具有y 型中位機(jī)能的三位 四通電磁換向閥1 5 組成在一起成為鎖緊回路 可很好地防止油的泄漏 1 0 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文笫2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖2 3 液壓系統(tǒng)原理圖 f i g 2 3t h es k e t c ho fp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs y s t e m 2 3 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)計(jì)算及選型 盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格有 最大推力 2 5 0 0 0 k n 最大推進(jìn)速度 8 0 m m m i n 推進(jìn)油缸數(shù)量 2 2 個(gè) 油缸行程 l5 0 0 m m 2 3 1 液壓缸參數(shù)的確定 每個(gè)液壓缸所承受的作用力 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) f n oax 2 5 0 0 0 1 0 3 11 3 6 3 6 3 6 n i n 一 按額定壓力確定液壓缸尺寸 f m x 三d 2 仨 f 焉4 x1 1 3 霧6 3 6 3 6 m 0 2 1 9 m 2 1 9 一 圓整后取d 2 2 0 m m d 1 6 0 m m 2 3 2 比例溢流閥的選擇 由于系統(tǒng)的最高壓力為3 0m p a 因此選用力士樂公司的型號(hào)為 d b e t 5 0 3 1 5 g 2 4 k 4 m 的無電反饋式電液比例溢流閥 比例溢流閥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2 2 所示 表2 2 比例溢流閥技術(shù)參數(shù) t a b l e2 2t e c h n i c a lp a r a m e t e ro fp r e s s u r er e l i e fv a l v e 名稱 參數(shù) 最高調(diào)節(jié)壓力 m p a 設(shè)定為零時(shí)的最小調(diào)節(jié)壓力 m p a 流量 l m i n 3 1 5 0 8 最大值2 最大控制電流 m a8 0 0 滯環(huán) 最高壓力調(diào)節(jié)值的 1 5 重復(fù)精度 小于最高壓力調(diào)節(jié)值的 2 線性度 最高壓力調(diào)節(jié)值的 3 5 切換時(shí)間 m s5 0 環(huán)境溫度范圍 o c 2 0 8 0 一一 2 3 3 比例調(diào)速閥的選擇 每個(gè)油缸的流量為 g 型 1 掣 8 0 1 0 3 m 3 m i n 3 0 4 1 0 3 m 3 m i n 3 0 4 l m i n 44 一 一 上 下位區(qū)的6 個(gè)油缸的總流量為1 8 2 4 l m i n 又比例溢流閥的最大流量為 2l m i n 1 2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 因此選用力士樂公司的型號(hào)為2 f r e l 0 4 0 2 5 l b k 4 m 的比例調(diào)速閥 比例調(diào)速相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2 3 所示 表2 3 比例調(diào)速閥技術(shù)參數(shù) t a b l e2 3t e c h n i c a lp a r a m e t e ro ff l o wc o n t r o lv a l v e 名稱參數(shù) 最高允許工作壓力 m p a 最小壓降 m p a 流量q v 啷 l m i n 最大控制電流 a 滯環(huán) 重復(fù)精度 流量控制溫度漂移 環(huán)境溫度范圍 o c 3 1 5 o 5 2 5 1 5 l 1 0 e c 0 由于在o 點(diǎn)時(shí) 偏差e 很大 應(yīng)使系 統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度越快越好 即以消除偏差為主 取較大的積分值 較小的比例 值和較大的微分值 當(dāng)e 較小時(shí) 為了使系統(tǒng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度 應(yīng) 取較小的積分值 比例值和微分值的大小要適中 b 如圖5 4 所示 當(dāng)接近a 點(diǎn)時(shí) e 很小 為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量 比例值 要增大 積分值要減小 而微分值要取適中 當(dāng)離開a 點(diǎn)時(shí) e 0 8一一r 1 一一一 1 一一一一一r 一r 一 一l 一 一 1 一一 tr o 4 一 l j 一 一 j 一一一一 l 一l 一 一 一 j 一 一 l 一一 蔫 o 2 1 t r t r r i點(diǎn)0 0 2 謄 0 40 壁 0 1 8 11 21 41 61 82 i i 萋 警 i i 一 二 圖5 7 白適應(yīng)模糊p i d 控制系統(tǒng)調(diào)定速度曲線 f i g 5 7c u r v eo fv e l o c i t yo fa d a p t i v ef u z z yp i dv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m 從圖5 8 可以看出 模糊p i d 控制改善了系統(tǒng)速度的調(diào)節(jié)性能 改善了系統(tǒng)速度的 實(shí)時(shí)可調(diào)性 4 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第5 章盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的模糊p i d 控制 p i d 控制原理簡(jiǎn)單 易于實(shí)現(xiàn) 但超調(diào)量大 無法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制 自 適應(yīng)模糊p i d 有較強(qiáng)的自適應(yīng)和自組織性 控制系統(tǒng)基本無靜差和超調(diào) 大大改善了系 統(tǒng)的動(dòng) 靜態(tài)性能 4 6 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第6 章可編程控制器的設(shè)計(jì) 6 1p l c 概述 第6 章可編程控制器設(shè)計(jì) 隨著微處理器 計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展 計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在 幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域 現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速的反應(yīng) 生產(chǎn)出小批量 多品種 多規(guī)格 低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品 為了滿足這一要求 生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線 的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性 可編程序控制器正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn) 的 它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置 可編程序控制器 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 簡(jiǎn)稱p l c 它的應(yīng)用面廣 功 能強(qiáng)大 使用方便 已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一 在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域 得到了廣泛的使用 國際電工委員會(huì) i e c 在1 9 8 5 年的p l c 標(biāo)準(zhǔn)草案第3 稿中 對(duì)p l c 作了如下定 義 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì) 它采用可編程序的存儲(chǔ)器 用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算 順序控制 定時(shí) 計(jì)數(shù)和 算術(shù)運(yùn)算等操作的指令 并通過數(shù)字式 模擬式的輸人和輸出 控制各種類型的機(jī)械或 生產(chǎn)過程 可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備 都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體 易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì) p l c 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中 p l c 在其他 領(lǐng)域 例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展 6 1 1p l c 特點(diǎn) p l c