盾构管片拼装机液压控制系统.docx

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盾构管片拼装机液压控制系统

盾构管片拼装机液压控制系统

第38卷2007年11月工程机械

4结束语

本文所介绍的前移式叉车液压系统具有以下

特点:

（1）采用电磁比例阀实现货叉下降的无级调速.

（2）采用电磁换向阀代替传统的手动换向阀,

实现远程控制,液压组合阀和操纵手柄可以分离,方

便整体布局.

（3）采用基于CAN总线的液压控制系统,实现

液压泵电机控制器和组合电磁阀控制器问的通信;

通过液压泵电机控制器的精确控制,实现货叉上升,

门架前移及门架后移等动作的无级调速.

上述液压系统已在安徽叉车集团公司研发的

前移式叉车上成功应用,并批量销售,用户反映良

好.

参考文献

[1]章宏甲,黄谊.机床液压传动[M].jE京:

机械工业出版

社,1986.

[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:

北京

航空航天大学出版社,1996.

通信地址:

安徽省合肥市望江西路15号安徽叉车集团公司

技术q~,b（230022）（收稿日期:

2007—06—20）

盾构管片;并装机液压控制系统米

华东交通大学机电工程学院胡国良胡爱闽

浙江大学流体传动及控制国家重点实验室龚国芳魏建华

牛年

3I摘要:

盾构是一种专用于地下隧道开挖的技术密集型重大工程装备,管片拼装机是盾构的重要组{:

3成部分,它主要负责将管片安装到刚开挖好的隧道表面,形成衬砌,使隧道一次成型.要实现对管片拼装F

3I的准确定位,就必须采用电液比例控制技术.对实现管片拼装的6个自由度运动及一个抓持运动的液压j:

j控制系统进行了详细分析,包括管片拼装机纵向,径向及周向液压控制系统以及姿态液压控制系统和抓{:

3f持液压控制系统,同时对液压控制系统的关键元器件液压泵和电液比例多路阀的选型进行了分析.现场

3}管片拼装测试表明该液压控制系统是合理可靠的,能完成管片的拼装工作.同时该液压控制系统设计时j:

综合考虑了整个管片拼装的运动过程,不但能实现完全自动控制,而且能准确定位,可为不同类型盾构管￡

3f片拼装的液压驱动控制提供参考.j:

咕一竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹母

关键词:

盾构管片拼装机液压控制系统

管片拼装机,又称举重臂,是盾构的重要组成

部分.它是一种设置在盾尾部位,可以迅速把管片

拼装成确定形式的起重机械.盾构顺利掘进完一环

后,管片拼装机负责将预先制好的管片安装到刚开

挖的隧道表面,形成衬砌,以此来支护新开挖的隧

道表面[.

管片拼装的质量将对地下水土的渗透和地表沉

降直接产生影响.为了保证隧道的安全及洞壁强度,

前后左右各个管片之间都要用螺栓固定起来,因此

要求管片能够快速定位,若速度慢,则直接影响施工

速度;同时又要求准确定位,否则连接螺栓就无法安

装.基于此,要求操作人员能看到正在被安装的管片

基金项目:

国家863高技术研究发展计划（2003AA420120）

上的螺栓孔与已安装好的管片螺栓孔的相对位置,

一

边操作管片拼装机械手对正在安装的管片位置进

行微调,使管片之间的螺栓孔能快速对位.一般来

说,管片拼装均采用电液比例控制技术,这样可对管

片运动进行准确有效的控制[31.

国外先进盾构管片拼装机从管片输送车抓起管

片,进行姿态调整,到输送到位,共由7个动作组成,

可实现全自动准确控制.国内自行开发的中小型盾

构的管片拼装机准确定位性较国外要稍差一些,而

且有时不能完全实现6自由度运动,只能实现几个

必要动作,这样就容易导致施工进度和掘进效率降

低.另外,国内几个大型盾构施工单位从国外引进的

一

53—

_工霍蓐辩ll.

盾构机技术严格保密,很难深入了解掌握引进的管

片拼装自动控制的核心技术.基于此,本文综合考虑

了管片拼装的运动过程,采用电液比例控制技术对

管片拼装的自动控制及准确定位进行详细分析,相

关研究结果可为不同类型盾构管片拼装的液压驱动

控制提供参考帮助.

1盾构管片拼装机工作原理

管片是一块预先浇铸好的混凝土环状砌块,在

盾构的后部靠管片拼装机械手把它快速拼装起来,

要完成管片的拼装,管片必须能有6个方向的运动:

纵向直线运动（沿隧道轴线）,径向直线运动（隧道断

面方向）,圆周方向回转运动（绕隧道轴线）,以及管

片姿态调整的绕3个坐标的旋转运动.相应的管片

拼装机有6个自由度,其示意图如图1所示,6个自

由度的运动分别由电液比例控制模块通过液压马达

和液压缸来实现.

图1管片拼装机6自由度示意图

据现场实际使用过程中得出的施工数据表明,

当盾构所遇到的土质与盾构刀具设计工况相近时,

盾构能基本按照设计速度推进.在这种情况下,限制

盾构推进速度的主要因素是后部的管片拼装速度.

因此,高效,高可靠性且操作方便的管片拼装机在盾

构法施工中是最关键设备之一,尤其以管片拼装机

液压控制系统最为重要.

2盾构管片拼装机液压系统分析

先进盾构管片拼装机的运动过程共由7个动作

组成.包括纵向移动,沿掘进方向的直线运动;径向

移动,沿盾体径向的运动;周向回转,沿盾体圆周方

向的回转运动;管片头的回转,管片以盾体的任意径

向射线为回转轴的回转运动;管片头的摆动,管片母

--?

——

54---——

线与盾体中心线平行度的调整;管片头的倾斜,以管

片本身的中心母线为回转轴的回转运动;管片的抓

持.上述管片拼装机的6个自由度运动及一个抓持

运动均由液压控制系统来实现.

2.1管片拼装机纵向移动液压系统

管片拼装机纵向运动时运动范围大,行程为

2000mm;位置精度要求高,要求能满足轴向定位的

精度;运动惯量大,带负载后的总运动质量大于

10000kg;运动空间大,全范围运动时,将占据盾体

的全断面.

根据纵向移动的要求,设计了如图2所示的纵

向移动控制液压系统,其控制模块主要由平衡阀1,

安全阀2和电液比例多路阀3组成.该系统有如下

特点:

1.平衡闽2.安全闽3.电液比例多路阀

图2纵向移动控制液压系统筒图

（1）管片机的纵向运动控制采用带负载补偿型

的电液比例多路阀,既可以满足大范围快速的移动

要求,又可以兼顾轴向准确定位的要求.

（2）双向运动均设计有安全保护阀,如图2中

的平衡阀和安全阀,它们可以防止运动过程出现挂

拉,卡死时,损坏设备.

（3）保证双向运动的平稳性,系统采用回油背

压的方案,来解决管片拼装机在启动运行和停止过

程中产生的冲击,也为轴向的准确定位提供条件.

2.2管片拼装机径向移动液压系统

管片拼装机径向运动时运动范围较大,行程为

1200mm;径向定位精度要求高;运动惯量大,带负

载后的运动质量大于5000kg;运动空间大;存在大

的负向负载,大约为50000hT;由于负载较大,相应

的液压缸承受的转矩也较大,约为60000N?

m,所

第38卷2007年11月工程机械

以,液压缸必须采用特殊的结构设计.根据上述要

求,并结合具体工况,设计的管片拼装机单个液压缸

径向移动液压系统如图3所示.

1.安全阀2.电液比例多路阀3.平衡阀

图3径向移动液压系统简图

管片机的径向运动控制采用两个电液比例多路

阀同时控制两个液压缸的伸缩动作,这样既可以满

足大范围快速的移动要求,又可以兼顾径向准确定

位的要求;另外,利用两个液压缸的差动控制（一伸

一

缩）,实现管片的倾斜姿态控制.

液压缸两腔设计有自锁式它控平衡阀3,具有

双向液压锁和平衡阀的组合功能,可以用来解决负

向负载问题和锁紧保持问题.

2.3管片拼装机周向运动控制液压系统

管片机周向运动控制采用安全冗余的设计原

则,用两个电液比例多路阀共同完成控制任务,一旦

某一个控制阀出故障,用另一个控制阀仍可将机构

调整到安全的姿态,以便维修;在应急的情况下,使

用一个控制阀也可完成管片拼装任务,但工作效率

会低一些.

管片周向运动控制液压系统简图如图4所示,

电液比例多路阀出口压力油大部分进人马达平衡模

块2,另外一小部分压力油则经过梭阀1自动选取

A,B油口最高压力,然后通过三通减压阀3后去控

制液压马达制动液压缸5.

马达平衡制动模块在管片拼装机周向回转液压

1.梭阀2.马达平衡控制模块3.减压阀4.光电码

盘传感器5.制动液压缸6.马达

图4周向运动控制液压系统简图

系统中占有重要地位,本系统中选取的是Bucher公

司的马达平衡控制专用模块.该马达平衡控制模块

能有效地降低由于管片质量较大而引起的超越负载

的影响.其性能完善,体积小,工作可靠,而且此控制

模块集马达的平衡控制,防气蚀控制,制动控制,无

泄漏保压控制和安全保护控制多项功能为一体,是

理想的马达控制模块.

系统中两个马达6均带机械制动,这样管片机

回转的安全保护措施有:

第1个马达机械制动,第2

个马达机械制动,无泄漏保压制动（平衡阀制动）.在

管片拼装机实际使用过程中,在一个马达上安装有

光电码盘传感器4,用于周向定位,以便将管片准确

安装到预定位置.

2.4管片头抓持控制和姿态控制液压系统

管片抓持控制和姿态控制液压系统主要完成管

片头的抓持动作和管片头的回转,摆动及倾斜3个

方向的姿态控制,其主要原理图如图5所示.

在管片头抓紧过程中,系统对安全性要求高,因

为只能在可靠抓紧后,方能启动后续的操作,但同时

还要考虑到空载操作问题,这个矛盾可由电气控制

系统的控制逻辑来实现;抓紧系统中有一个压力继

电器4和一个行程开关7,均可提供抓持的状态信

息.抓持动作存在负向负载,需考虑平衡问题,故在

系统中选用了单向平衡阀3.为了以防压力过高,损

坏管片和设备,系统加装了安全阀5.系统中液控单

向阀6用来防止泄漏,保证管片在长时间内被可靠

抓持.

一

55一

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|

蓐耩参量辩1.Il|I

1.压力补偿阀2.电液比例方向流量阀3.单向平衡

阀4.压力继电器5.安全阀6.液控单向阀7.行

程开关8.抓持用液压缸9.摆动用液压缸1O.回

转用液压缸11.双向平衡阀

图5管片抓持及姿态控制液压系统简图

由于管片头回转用液压缸l0的行程较小,根据

计算控制所需的流量很小,所以选用小流量的电液

比例方向流量阀2作为控制元件,以此来满足姿态

调整的精度要求.同时选用双向平衡阀l1来解决负

向负载的平衡问题和防气蚀问题.系统中采用进口

压力补偿阀l,以此来稳定流量,起负载敏感作用.

管片头摆动控制液压系统与管片头回转液压系

统相同,故在这里不再赘述.另外,管片倾斜姿态控

制与管片径向移动控制共用一套控制系统,两个液

压缸一伸一缩实现差动控制,达到调整管片倾斜姿

态的目的.同时注意到,姿态调整是微量调节,其控

制过程与移动定位相同.

3液压系统主要元器件选型及分析

3.1主驱动液压泵的选择及分析

液压泵选择时首先应满足系统对流量,压力的

要求.液压泵的输出流量应根据系统所需的最大流

量及泄漏量来确定,通常为执行元件实际所需最大

流量的1.1一1.3倍.而液压泵的工作压力应根据执

行元件液压缸或马达的最高工作压力来确定.考虑

到液压泵至执行元件管路中的压力损失,通常泵的

额定压力为液压缸最高工作压力的1_3—1.5倍.与此

同时,在选择液压泵时,还要兼顾温升和噪声等性能

要求四.

本系统中选择Rexroth公司的A10VODFLR型

一

56一

轴向柱塞泵,实现压力,流量,功率复合控制.由于管

片拼装机工作过程中管片泵始终处于运行状态,对

噪声要求较高,这一点A10VO能较好地满足.而且

该泵具有较好的吸入特性以及很宽的控制范围,较

好地满足了系统的要求.图6为其变量控制形式油

路图.也是管片拼装6个自由度和1个抓持动作的

供油源.

图6AIOVODFLR泵的变量机构

系统中选择的A10VO变量泵去除了泵的恒流

量特陛,主要是管片拼装机距离管片泵源较远,受安

装空间的限制,电液比例多路阀中梭阀网络压力未

反馈至变量泵,故实际上该泵为恒压,限功率变量

泵.电液比例多路阀中的压力补偿器能实现压力补

偿,而没有实现压力适应.因为管片安装过程为顺序

动作,一般工作在小流量工况（特别是在姿态控制

时）.所以通常情况下,该泵表现出恒压特性.但为了

适应不同大小的管片的拼装要求,系统的压力也可

以调整.例如,在周向回转及纵向移动系统中可以通

过主系统中的溢流阀调定系统压力;而在径向移动

系统中,系统加上了安全阀,也可以设定系统压力.

3.2电液比例多路阀的选型

由于本系统执行器较多,为了能实现多缸顺序

动作以及同时动作的要求,故选用了多路阀.同时考

虑比例阀与变量泵组合压力流量能与负载所需相匹

配,故选择了电液比例多路阀.

HAWEPSV系列电液比例多路阀具有紧凑的

结构,良好的环境适应能力.系统中选择PSV系列

带负载压力补偿的电液比例多路阀较好地满足了盾

构管片拼装机实际工况的要求,而且实际运行效果

良好.

多路换向阀一般由连接块,换向阀（可以有多

第38卷200711月工程机械

个）以及终端块组成.连接块与泵源和油箱连接,主

要是为系统提供卸荷安全保护以及为定量泵系统提

供低压卸荷等.终端块在多路阀的末端,连接整个阀

组,为下组阀连接作好准备.图7为周向回转及纵向

移动电液比例多路阀模块.该多路阀由三联换向阀

组成,安全阀1可调定系统压力,减压阀2为换向阀

提供控制油,压力补偿阀3作压力补偿用,使通过换

向阀口的流量与输入信号成正比,而与负载无关.由

梭阀4网络引出最高压力信号LS可作负载适应.

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1.安全阀2.减压阀3.压力补偿阀4.梭阀

图7电液比例多路阀工作原理图

4地铁隧道施工现场测试

一'J

在管片拼装过程中,一环管片由6块管片组成,

它们是3个标准块,2块临块和1块封顶块.其中,

封顶块可以有10个不同的位置,代表10种不同类

型的管环,通过选择不同类型的管环就可以使成型

后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合.隧道成型

后,管环之间及管环的管片之间都装有密封,用以防

水.另外,管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连

接.图8为管片方位示意图.管片拼装机大致按照

A,B,F,C,E和D的顺序将管片拼装成管片环.

F

图8管片环组成

对一环管片拼装过程进行了试验,表1为管片

拼装过程中,管片液压泵出口压力值.通过实测数据

可知所选液压元件以及参数计算较合理.泵的最大

表1管片泵出口压力MPa

径向液压管片机管片机回方位管片提升

缸伸出旋转初位

A18.018.516.5l1.0—19.0

B18.519.019.0l1.0—19.0

F18.518.818.5l1.0—19.0

C19.019.219.0l1.0—19.0

E19.019_319.0l1.0～19.0

D18_318.518.5l1.0～19.0

工作压力约19MPa,出现在管片拼装机周向大回转

过程中;而最小工作压力约为11MPa,出现在管片

拼装机初始位置.

5结束语

（1）选用了性能较好的液压元件,较好地满足

了系统性能要求,安全阀的使用,提高了系统的安

全性能.

（2）采用带负载补偿的电液比例多路阀,利用

电信号实现远距离控制或遥控.与管片拼装机无线

电液遥控器配合使用,可实现管片拼装机6自由度

的无线控制.

（3）现场施工测试可知,所选的管片拼装机液

压泵噪声小,系统温升小,说明所设计的液压系统是

可靠合理的.另外,该液压控制系统综合考虑了管片

拼装的全部运动过程,不但能实现完全自动控制,而

且定位准确,可为不同类型盾构管片拼装的液压驱

动提供借鉴.

参考文献

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叭矿山机械,2005,33（3）:

15—16.

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液压气动与密封,2004

（1）:

27—29.

f3】蔡河山.土压平衡盾构液压传动控制系统浅析一管片

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33-34.

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浙江大学,2005.

【5]吴根茂,邱敏秀,王庆丰,等.实用电液比例技术【M].

杭州:

浙江大学出版社,2005.

通信地址:

江西省南昌市华东交通大学机电工程学院

（330013）（收稿日期:

2007—07—30）

一

57—