盾构机推进系统电液控制原理探究.docx
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盾构机推进系统电液控制原理探究
海瑞克盾构机推进系统电液控制原理探究
海瑞克盾构机推进系统液压阀组众多，电气控制系统复杂，PLC连锁条件繁琐。
加之现场维保人员对其工作原理认知不深，控制思路理解不透，无法将液压、电气及PLC控制有效融合，导致故障排查时间久效率低。
为此，现以海瑞克S465盾构机推进系统为例，结合液压、电气图纸及PLC控制程序详细阐述推进系统的电液控制原理，为快速排查液压电气故障提供理论依据。
另外，为方便探究原理，特将推进系统电磁阀、传感器、电位器在电路液压图、PLC中的标签及功效列表呈现。
一、操作原理
上图为推进系统的操作面板，面板上包括两种工作模式按钮，15-6S4按钮为正常掘进模式，15-6S7按钮为管片拼装模式，红色按钮15-6S2为停止操作按钮。
在正常推进时，按一下15-6S4按钮，调节四组油缸的压力调节电位器，直到理想的压力值，然后调节速度电位器15-11R6，速度电位计控制所有四组油缸的比例阀开口相同；当需要调节某一组油缸的速度时，就根据需要调节改组油缸的推进压力电位器（A组15-27R5、B组15-45R5、C组15-63R5、D组15-82R5）。
需要整体增加推进速度时，需要调节速度旋钮15-45R5，当调节速度调节按钮不能满足掘进速度要求时，需要对各组压力提高。
当进行盾构机的姿态调整时，通过调节各组油缸的压力调节旋钮使盾构沿设计曲线掘进。
每组油缸中都设有位移传感器，显示每组油缸的行程。
二、推进系统速度、压力调节的电液控制原理
1、基础设计
为实现推进及拼装功能，海瑞克盾构机推进系统需具备以下能力：
推进阀组满足推进速度的要求，能够实现方向调节、可远程连续调整推进方向及推进速度，能够实现推进油缸的快速回退。
（1）推进速度控制
推进系统的自动控制模式在自动控制的模式下工作，PLC可以根据已建立的推进压力解算出当前在所处的地质状况下的推进速度，因为推进速度是由推进压力所决定的，在一定的推进速度下所需的最小工作流量是可以确定的，进而建立比例流量阀的合适开口，以提供合适的流量，进一步，根据比例流量阀的最小工作压差（可知的不变量），可以解算出泵出口的最小压力，从而使系统工作在最佳的效率点上。
（2）推进方向控制
每组油缸的三位四通换向阀均处在推进工作位置，插装换向阀处于关闭位置，远程比例压力阀根据操作人员的调节建立推进压力，推进压力经压力传感器检测反馈到PLC，推进方向控制是在四组控制模块所建立的控制压力大小不同，且产生的合成推力偏离盾体中心线时，将产生转弯扭矩，迫使盾体转弯。
（3）推进缸的快速退回控制
在快退时，所选油缸的换向阀处于向油缸有杆腔供油的位置，进油路上的插装阀接通，采用大流量供油，实现快速返回，油缸无杆腔的回油经插装阀流回油箱。
2、控制原理
推进系统分为两种工作模式，掘进模式和管片拼装模式。
合起来为一个工作循环，按先后顺序分解为五个步骤：
推进（掘进模式）、保压、卸荷、快收（管片拼装模式）、快伸（管片拼装模式）。
这两种模式五个步骤通过改变不同阀的工作来实现不同的功能。
推进泵采用远程压力控制柱塞泵，由比例溢流阀控制出口压力，泵出口装有两级安全阀及压力传感器。
推进系统的自动控制模式在自动控制的模式下工作，PLC可以根据已建立的推进压力解算出推进速度（在所处的地质状况下），在一定的推进速度下所需要的最小工作流量是可以确定的，进而建立比例流量阀的合适开口，以提供合适的流量，进一步，根据比例流量阀的最小工作压差（可知的不变量），可以解算出泵出口的最小压力，从而使系统工作在最佳的效率点上。
为此海瑞克将控制算法设计为推进泵先导控制比例溢流阀的压力根据泵出口压力P泵和推进油缸压力传感器的显示压力Pmax（四组油缸A、B、C、D中最大的一组）加20bar通过PLC进行PID控制自动调节，调节范围是0-350bar；通过程序中的PID控制使泵建立一种动态平衡就是P泵=Pmax+20。
在管片拼装模式下，压力是通过人机界面输入参数值（一般为50-100bar），然后通过PLC控制溢流阀的溢流压力，来控制泵的出口压力与设置值相符。
下面以A组18#油缸为例结合电液控制原理图、液压图、电路图和PLC程序详细阐述其工作原理。
电液控制原理图
A组压力调节电位器【15-27R5】是一个滑动电阻，加载0-10V直流电。
当从小拧到大时，电阻从大变到小，电压从0-10V平滑过渡,该电压作为一个模拟量输入【pew534】到PlC参与运算，运算完毕后输出【paw522】一个0-10V的电压信号，该电压信号做放大器的输入变量，放大器运算后输出一个230-530ma的电流信号，这个大电流直接连接到比例阀的电磁铁上用于改变磁通量，电流越大磁通越大。
如果是溢流阀，电流大则溢流压力高，通过油缸的油压就越大；如果是调速阀，电流越大则节流孔开口越大，流量越大，速度越快。
这就是旋转旋钮，速度和压力能够跟着变化的根本原因。
现在按照盾构机施工流程按先后顺序分五个步骤详细阐述推进系统工作原理：
1、推进：
正常掘进的情况，电液换向阀右端（A174）15-21Y4得电，此时电磁换向阀（A120）15-25Y3、电磁换向阀（A789）15-90Y3和电磁球阀（A418）15-88Y3失电,压力油由泵的出口经单向阀、球阀、滤清器、比例调速阀（A110）15-28Y2、三位四通电磁阀右位（A174）15-21Y4进入推进缸无杆腔，回油经三位四通电磁阀流回油箱，油缸向前推进。
此时推进压力由比例溢流阀（A100）15-28Y4进行控制，推进速度由比例调速阀15-28Y2（A110）进行控制。
液压原理图——18#油缸推进
电路控制图——18#油缸换向
电路控制图——A组推进速度压力调节
PLC控制梯形图——18#油缸伸缩
2、保压：
当按下停止按钮时所有电磁铁断电，电液换向阀回到中位，液控单向阀V4使高压油无法回流，起到保压作用。
液压原理图——18#油缸保压
3、卸荷：
在完成一个推进工序后紧接着便是管片拼装模式下的油缸快收。
在回收前先让卸荷阀A418（15-88Y3，对应PLC程序数字量输出点Q15.5）先得电1S钟，使得油缸无杆腔的高压得以释放，避免对换向阀阀芯产生强烈冲击。
该步骤PLC控制图同步骤1推进。
液压原理图——18#油缸卸荷
电路控制图——18#油缸卸荷
4、快收：
在主机室的控制面板上，将推进控制切换到管片拼装模式，此时插装阀A120（15-25Y3）得电；比例溢流阀A100（15-28Y4）得电（溢流压力最大），此时的溢流压力为最大值；比例调速阀A100（15-28Y2）得电，流量为最大；收油缸时，三位四通电液换向阀Y2阀头A174（15-21Y4）得电，这时卸荷阀A418（15-88Y3）得电，1秒后插装阀A798（15-90Y3）得电，压力油经过插装阀A120（15-25Y3）、电液换向阀A174（15-21Y4）进入有杆腔，无杆腔压力油先经过电磁球阀A418（15-88Y3）卸荷，然后主要经过插装阀A798（15-90Y3）回回油管。
这样设计的目的是管片拼装模式下推进油缸不再承受极大负载，系统对压力没有专项要求，追求的是油缸的快速回收以便缩减油缸回收时间提高拼装效率。
下面列举液压电气原理图及PLC控制原理图，详细阐述管片拼装模式下的油缸快收。
液压原理图——18#油缸快收
电路控制图——18#油缸快收时进油路插装阀
电路控制图——18#油缸快收时进油路插装阀
PLC控制梯形图——A组油缸快速伸缩插装阀
5、快伸：
在管片拼装模式下伸油缸时，三位四通电液换向阀Y1端A175（15-21Y2）得电，这时卸荷阀A418（15-88Y3）、插装阀A798（15-90Y3）不得电，压力油经过插装阀A120（15-25Y3）、电液换向阀Y1端A175（15-21Y2）进入无杆腔，有杆腔压力油经过三位四通电液换向阀回到回油路。
液压原理图——18#油缸快伸
电路控制图及PLC梯形图同上述步骤，这边不再赘述。
三、推进系统电磁阀、传感器、电位器在电路液压图、PLC中的标签及功效
为方便对S465/466盾构机推进系统电液控制原理进行探究，理清液压图、电路图及PLC程序间的脉络关系，深层次领会推进系统工作原理，便于电气液压故障排查，现将推进系统电磁阀、传感器、电位器在电路液压图、PLC中的标签及功效以图表形式呈现如下。
推进系统电磁阀、传感器、电位器在电路液压图、
PLC中的标签及功效
序号
阀组
分组
线号
阀号
PLC点位
功效
1
retrateextend
A
15-21Y2
A175
A9.0
18#油缸收
15-21Y4
A174
A9.1
18#油缸伸
15-21Y6
A177
A9.2
19#油缸收
15-21Y8
A176
A9.3
19#油缸伸
15-22Y2
A179
A9.4
20#油缸收
15-22Y4
A178
A9.5
20#油缸伸
15-23Y2
A141
A9.6
1#油缸收
15-23Y4
A140
A9.7
1#油缸伸
15-23Y6
A143
A10.0
2#油缸收
15-23Y8
A142
A10.1
2#油缸伸
B
15-39Y2
A145
A10.4
3#油缸收
15-39Y4
A144
A10.5
3#油缸伸
15-39Y6
A147
A10.6
4#油缸收
15-39Y8
A146
A10.7
4#油缸伸
15-40Y2
A149
A11.0
5#油缸收
15-40Y4
A148
A11.1
5#油缸伸
15-41Y2
A151
A11.2
6#油缸收
15-41Y4
A150
A11.3
6#油缸伸
15-41Y6
A153
A11.4
7#油缸收
15-41Y8
A152
A11.5
7#油缸伸
C
15-57Y2
A155
A12.0
8#油缸收
15-57Y4
A154
A12.1
8#油缸伸
15-57Y6
A157
A12.2
9#油缸收
15-57Y8
A156
A12.3
9#油缸伸
15-58Y2
A159
A12.4
10#油缸收
15-58Y4
A158
A12.5
10#油缸伸
15-59Y2
A161
A12.6
11#油缸收
15-59Y4
A160
A12.7
11#油缸伸
15-59Y6
A163
A13.0
12#油缸收
15-59Y8
A162
A13.1
12#油缸伸
D
15-76Y2
A165
A13.4
13#油缸收
15-76Y4
A164
A13.5
13#油缸伸
15-76Y6
A167
A13.6
14#油缸收
15-76Y8
A166
A13.7
14#油缸伸
15-77Y2
A169
A14.0
15#油缸收
15-77Y4
A168
A14.1
15#油缸伸
15-78Y2
A171
A14.2
16#油缸收
15-78Y4
A170
A14.3
16#油缸伸
15-78Y6
A172
A14.4
17#油缸收
15-78Y8
A172
A14.5
17#油缸伸
2
segmentplacing
A
15-25Y3
A120
A10.2
A组快放
B
15-43Y3
A121
A11.6
B组快放
C
15-61Y2
A122
A13.2
C组快放
D
15-80Y3
A123
A14.6
D组快放
3
pressureregulation
A
15-28Y2
A110
PAW520
A组流量
15-28Y4
A100
PAW522
A组压力
15-29B2
PEW536
A组压力传感器
B
15-46Y2
A111
PAW524
B组流量
15-46Y4
A101
PAW526
B组压力
15-47B2
PEW540
B组压力传感器
C
15-64Y2
A112
PAW528
C组流量
15-64Y4
A102
PAW530
C组压力
15-65B2
PEW544
C组压力传感器
D
15-83Y2
A113
PAW532
D组流量
15-83Y4
A103
PAW534
D组压力
15-84B2
PEW548
D组压力传感器
4
pre-reliefvalve
A
15-88Y3
A418
A15.0
18#油缸卸荷
15-88Y5
A419
A15.1
19#油缸卸荷
15-88Y7
A420
A15.2
20#油缸卸荷
15-89Y3
A401
A15.3
1#油缸卸荷
15-89Y5
A402
A15.4
2#油缸卸荷
B
15-93Y3
A403
A16.2
3#油缸卸荷
15-93Y5
A404
A16.3
4#油缸卸荷
15-93Y7
A405
A16.4
5#油缸卸荷
15-94Y3
A406
A16.5
6#油缸卸荷
15-94Y5
A407
A16.6
7#油缸卸荷
C
15-98Y3
A408
A17.4
8#油缸卸荷
15-98Y5
A409
A17.5
9#油缸卸荷
15-98Y7
A410
A17.6
10#油缸卸荷
15-99Y3
A411
A17.7
11#油缸卸荷
15-99Y5
A412
A18.0
12#油缸卸荷
D
15-103Y3
A413
A18.6
13#油缸卸荷
15-103Y5
A414
A18.7
14#油缸卸荷
15-103Y7
A415
A19.0
15#油缸卸荷
15-104Y3
A416
A19.1
16#油缸卸荷
15-104Y5
A417
A19.2
17#油缸卸荷
5
catridge
A
15-90Y3
A798
A15.5
18#油缸快收
15-90Y5
A799
A15.6
19#油缸快收
15-90Y7
A800
A15.7
20#油缸快收
15-91Y3
A781
A16.0
1#油缸快收
15-91Y5
A782
A16.1
2#油缸快收
B
15-95Y3
A783
A16.7
3#油缸快收
15-95Y5
A784
A17.0
4#油缸快收
15-95Y7
A785
A17.1
5#油缸快收
15-96Y3
A786
A17.2
6#油缸快收
15-96Y5
A787
A17.3
7#油缸快收
C
15-100Y3
A788
A18.1
8#油缸快收
15-100Y5
A789
A18.2
9#油缸快收
15-100Y7
A790
A18.3
10#油缸快收
15-101Y3
A791
A18.4
11#油缸快收
15-101Y5
A792
A18.5
12#油缸快收
D
15-105Y3
A793
A19.3
13#油缸快收
15-105Y5
A794
A19.4
14#油缸快收
15-105Y7
A795
A19.5
15#油缸快收
15-106Y5
A796
A19.6
16#油缸快收
15-106Y7
A797
A19.7
17#油缸快收
6
行程传感
A
15-31B2
PEW2048-2051
B
15-49B2
PEW2052-2055
C
15-67B2
PEW2056-2059
D
15-86B2
PEW2060-2063
7
电位器
A组压力
15-27R5
PEW534
15-27K2
A10.3
B组压力
15-45R5
PEW538
15-45K2
A11.7
C组压力
15-63R5
PEW542
15-63K2
A13.3
D组压力
15-82R5
PEW546
15-82K2
A14.7
推进速度
15-11R6
PEW532
15-10K2
A8.7
8
推进压力
15-9B2
A303
PEW530
加载阀
15-9Y7
A349
A8.6
泵出口压力
15-10Y4
A300
PAW516
推进系统作为盾构机主要核心功能件，以阀组众多，电控复杂，连锁繁琐著称。
目前我国盾构机的保有量已经超过了1500台左右，这些盾构机大部分与海瑞克盾构机同根同源，以海瑞克S465盾构机为例深度探究其推进系统电液控制原理，既能提升技能修为，便于排查隐患故障，更能举一反三，掌握盾构机其余系统的控制原理。
为降低设备因故停机时间，提高机械有效利用率提供有力保障。
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