（機械制造及其自動化專業(yè)論文）土壓平衡式盾構機推進液壓系統(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 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明 所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的 論文 中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外 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位而使用過 的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名 譚拖戚 e t 期 硼噼1 r 憫 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留 使用 學位論文的規(guī)定 即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論 文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人同意東北大學可 以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 交流 作者和導師同意網(wǎng)上交流的時間為作者獲得學位后 半年口一年 一年半口兩年口 學位論文作者簽名 譚拖戌 簽字目期 q 啦 耳葉目 導師簽名 肚恒雙 u 簽字日期 功d 噼了同每回 東北大學碩士學位論文 摘要 土壓平衡式盾構機推進液壓系統(tǒng)的研究 摘要 隨著我國城市地鐵建設的迅速發(fā)展 盾構法隧道施工技術以其獨有的智能化 安全 快捷等特點和優(yōu)勢 越來越得到推廣和應用 盾構掘進機是集電氣 液壓 測量導向 控制 材料等多學科技術于一體的隧道工程專用的大型高科技綜合施工設備 推進液壓 系統(tǒng)是盾構機的一個重要的組成部分 對其的精確控制是盾構機正常工作的關鍵 本文論述了國內(nèi)外盾構機的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀 闡明了我國發(fā)展盾構技術的意 義 在對盾構技術進行充分調(diào)研的基礎上 設計了盾構機的推進液壓系統(tǒng) 根據(jù)盾構機 施工要求 推進液壓缸采用分組控制的原則 推進液壓系統(tǒng)采用電液比例控制技術控制 推進缸的壓力和速度 并在此基礎上提出了比例壓力流量控制策略 本文建立了推進壓力速度復合控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 根據(jù)建立的模型運用 m a t l a b 仿真工具 對系統(tǒng)的壓力控制與速度分別進行了開環(huán)控制 p i d 控制 自適 應模糊p i d 控制的仿真 結果表明采用p i d 控制和自適應模糊p i d 控制能夠顯著的提 高系統(tǒng)的控制質量 達到壓力和速度實時可調(diào)的目標 相比之下 自適應模糊p i d 控制 在系統(tǒng)的動 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 和自學功能較強 本文對盾構推進液壓系統(tǒng)進行了p l c 控制設計 實現(xiàn)了盾構推進和管片拼裝兩種 工作狀態(tài)的電氣控制 關鍵詞 盾構機 推進液壓系統(tǒng) p i d 自適應模糊p i d p l c i i 東北大學碩士學位論文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 東北大學碩士學位論文 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 東北大學碩士學位論文 目錄 目錄 獨創(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 盾構掘進機簡介 1 1 2 1 盾構機的構造 1 1 2 2 盾構機的工作原理 2 1 3 國內(nèi)外盾構機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 3 1 3 1 國外盾構機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 3 1 3 2 國內(nèi)盾構機研究現(xiàn)狀及存在的問題 4 1 4 課題意義 5 1 5 論文的主要研究內(nèi)容 6 第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 7 2 1 盾構推進系統(tǒng) 7 2 1 1 盾構推進系統(tǒng)結構設計 7 2 1 2 盾構推進系統(tǒng)壓力流量復合控制 8 2 2 盾構推進液壓系統(tǒng)的組成 1 0 2 3 盾構推進液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)計算及選型 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 東北大學碩士學位論文 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 章盾構推進液壓系統(tǒng)的建模 1 5 3 1 盾構推進液壓系統(tǒng)建模方法簡介 1 5 3 2 推進液壓系統(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 章盾構推進系統(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)境簡介 3 1 4 3 盾構推進液壓系統(tǒng)的仿真 3 2 4 3 1 盾構推進壓力控制 3 2 4 3 2 盾構推進速度控制 3 5 第5 章盾構推進系統(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 東北大學碩士學位論文 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 控制基本技術及原理 4 0 5 3 推進系統(tǒng)模糊p i d 控制器設計 4 1 第6 章可編程控制器設計 4 7 6 1p l c 概j 苤 4 7 6 1 1p l c 特點 4 7 6 1 2p l c 的應用領域 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 硬件設計 5 5 6 3 1 電控系統(tǒng)實現(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)的抗干擾設計 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 5 8 6 5 控制系統(tǒng)軟件設計 5 9 6 5 1s t e p 7 的程序結構分類 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 程序測試和修改 6 4 東北大學碩士學位論文目錄 第7 章結論與展望 6 5 參考文獻 6 7 致謝 7 1 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 1 1 前言 第1 章緒論 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會生活的需要 一些基礎設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對周圍環(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 盾構施工法是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法 它使用盾構機在地下進行 掘進 在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面穩(wěn)定的同時 在機內(nèi)安全地進行隧洞 的開挖和襯砌作業(yè) 盾構機是盾構施工法中的主要施工機械 盾構機具有自動化 程度高 節(jié)省人力 施工速度快 一次成洞 不受氣候影響 開挖時可控制地面 沉降 減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點 在隧洞 洞線較長 埋深較大的情況下 用盾構機施工更為經(jīng)濟合理 因此盾構機成為修 建地鐵和地下隧道的重要設備1 2 j 1 2 盾構掘進機簡介 盾構機 全名叫盾構隧道掘進機 是一種隧道掘進的專用工程機械 現(xiàn)代盾 構掘進機集光 機 電 液 傳感 信息技術于一體 具有開挖切削土體 輸送 土碴 拼裝隧道襯砌 測量導向糾偏等功能 涉及地質 土木 機械 力學 液 壓 電氣 控制 測量等多門學科技術 而且要按照不同的地質進行 量體裁衣 式的設計制造 可靠性要求極高 盾構掘進機已廣泛用于地鐵 鐵路 公路 市 政 水電等隧道工程f 3 1 1 2 1 盾構機的構造 盾構機主要由護盾 挖掘機構 推進機構 排土機構 襯砌機構及輔助機構 等部分組成 如圖1 1 所示 護盾一般由切口環(huán) 支承環(huán)和盾尾三部分組成 挖掘 機構主要由刀頭或刀盤及其支撐裝置組成 推進機構主要由液壓設備如油泵 油 馬達 液壓千斤頂?shù)冉M成 排土機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和皮帶運輸機組成 襯砌機構主要是管片自動拼裝機 1 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 械手 輔助機構包括壁后灌漿裝置 導向測量及控制裝置等 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 推進千斤頂6 盾尾密封7 管片8 帶式輸送機 9 管片拼裝機1 0 刀盤驅動11 螺旋輸送機 圖1 1 土壓平衡式盾構機的構造 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 盾構機的工作原理 盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對 土壤進行挖掘 該圓柱體組件的殼體即護盾 它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起 著臨時文撐的作用 承受周圍土層的壓力 有時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)在護盾的掩護下進行 盾殼支承著圍巖并保護著 刀盤等掘削系統(tǒng) 在刀盤扭矩力和推進油缸頂力的作用下 盾構在土層中利用布置在刀 盤上的切割刀 對土體進行切削 由刀盤切削下來的泥土進人泥土艙 再通過螺旋輸送 機不斷向后方排土口排出 由于泥土通過刀盤切削和擾動后會增加泥土的流塑性 因此 即使粘結性較大的泥土在受到刀盤旋轉切削擾動和螺旋輸送機傳送擾動后也會變得更 為松軟 具有較大的流動性 因而能較好的充滿泥土艙和螺旋輸送機殼體內(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)螺旋輸送機轉速或調(diào)節(jié)盾構推進液壓缸的推進 速度 使盾構開挖土量和排出土量保持或接近平衡 即同時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 盾構掘進時 為保持密封泥土艙土壓始終穩(wěn)定在設定的土壓范圍內(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 改變螺旋輸送機的轉速 控制排土量 以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式 此時盾構推進速度則由人工事先給定 2 控制進土量的推進操作控制模式 即通過土壓檢測來控制盾構千斤頂?shù)耐七M 一2 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 速度以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式 此時螺旋輸送機轉速也由人工事先給定 5 擊 1 3 國內(nèi)外盾構機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 盾構法自1 8 1 8 年法國出生的布魯涅爾取得專利權后經(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 國外盾構機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 盾構法第一次試用是1 8 2 5 年在英國泰晤士河下的第一座水底隧道中 當時利用的 盾構 在結構上是能獨立推進的結構式盾構 然而這種盾構因該隧道被水淹沒而停工 后經(jīng)改進才于1 8 4 3 年完工 前后經(jīng)歷了1 6 年 共推進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動式灰漿壓注機結合壓縮空氣的盾構修建烏爾維隧道 到2 0 世紀初 盾構施工法在英 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盾構法 1 9 3 8 年正式在國鐵關門隧道應用盾 構法施工 為日本盾構技術的發(fā)展奠定了基礎 1 9 6 7 年由英國提出的泥水加壓系統(tǒng)在 日本得到了實施 日本研制成功第一臺有切削刀盤 水力出土的泥水加壓式盾構 直徑 為3 1 m 土壓平衡式盾構機的開發(fā)始于2 0 世紀7 0 年代初 第一臺土壓平衡式盾構機 外徑為3 7 2 m 由日本i h i 設計制造 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)土壓平衡式盾構機 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 盾構技術得到了迅猛發(fā)展 己成功應用 于各種公路隧道 地鐵隧道 引水隧道以及市政公用設施隧道等 7 1 1 盾構的設計生產(chǎn)主要集中在美 日 歐等發(fā)達國家和地區(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)了很多盾構機 目前 世界上生產(chǎn)盾構的公司主要 有3 3 家 在盾構技術性能方面 日本盾構工法發(fā)展較快 其使用盾構工法在城市隧道 施工中占9 0 以上 這主要是因為日本經(jīng)濟 城市快速發(fā)展和高水位地質條件 尤其是 在土壓平衡式和泥水式盾構的發(fā)展領先于其他國家 德國的盾構技術發(fā)展也有獨到之 處 尤其是在地下施工過程中 在保證密封和高達o 3 m p a 氣壓條件下可更換刀盤上的 刀具 從而提高了盾構的掘進長度 總的說來日本和德國處于世界領先水平 其先進性 主要表現(xiàn)為 3 一 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 1 基本實現(xiàn)了掘進 襯砌 排土施工工藝的全機械化和全自動化 2 地層適應性廣 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 子母型盾構等 徑向尺寸從0 2 m 1 8 m 4 普遍采用液力驅動和電液控制技術 具有大功率 變負載 低能耗的特點 以及自動檢測 自動糾偏 故障診斷等功能 5 廣泛地采用了遙控技術 激光雷達技術 衛(wèi)星制導技術 現(xiàn)場總線控制技術 攝像及視覺信號處理技術等現(xiàn)代高新技術成果 1 3 2 國內(nèi)盾構機研究現(xiàn)狀及存在的問題 1 國內(nèi)盾構機研究現(xiàn)狀 1 9 6 3 年國內(nèi)第一臺盾構一直徑4 2 m 試驗性盾構問世以后 經(jīng)過2 0 多年應用實踐 和改進 到1 9 8 1 年為建設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 至此國內(nèi)自行研制開發(fā)的盾構一網(wǎng)格擠壓型盾構已基本定型化 這種盾構具有構 造簡單 操作方便和造價低等優(yōu)點 但對控制地面變形要求高的地區(qū)施工 還缺乏嚴格 的技術措施 隨著國家經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展 在城市市區(qū)采用盾構修建地鐵和各種隧道 任務 日益繁重 為了避免由于盾構施工引起的地面變形給地面建筑和交通帶來干擾和影響 因而必將對盾構技術和盾構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 首次從日本引進一臺直徑4 3 m 的小刀盤土壓 平衡盾構 通過工程應用 在軟弱粘性土層中掘進 土壓平衡技術得到了較好的發(fā)揮 因該盾構僅裝有小刀盤 在盾構開挖全斷面上仍有相當面積帶擠壓作用 當盾構掘進到 粉砂土層時 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 年為建設上海市南站電纜過江隧道 國內(nèi)首次研制了一臺直徑4 3 5 m 的土壓 平衡盾構 采用典型大刀盤結構 成功地掘進隧道5 3 0 m 其中約2 0 0 m 區(qū)段 盾構斷 面下部二分之一處于粉砂地層 工程進展順利 該盾構獲19 9 0 年國家科技進步一等獎 1 9 9 0 年 為建設上海吳徑熱電廠排水隧洞 研制了一臺直徑5 6 4 m 土壓平衡盾構 掘 進隧道長度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 從9 0 年代初期 土壓平衡盾構技術在上海有了長足的發(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 臺土壓平衡盾構 完成隧道掘進約5 0 0 0 m 1 9 9 4 年為南京秦淮河整治夾江隧道工程 研制了一臺國內(nèi)最大直徑 6 3 4 m 的土壓平衡盾構 掘進隧道長度4 0 3 m 盾構穿越的 4 一 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 地層主要為粉細砂層 含粘粒少 透水性大 地質條件較差 但施工質量優(yōu)良 與此同 時 1 9 9 0 年為建造上海地鐵一號區(qū)間隧道 一次從法國引進直徑6 3 4 m 的土壓平衡盾 構七臺 完成隧道掘進1 7 5 k m 隧道大部分埋設在市區(qū)商業(yè)街或建設物下面 施工質 量較好 該七臺盾構經(jīng)大修后又用于地鐵2 號線區(qū)間隧道施工 另外 1 9 9 8 年又從法 國引進了兩臺直徑6 3 4 m 的土壓平衡盾構 還有原用于南京秦淮河夾江隧道施工的盾構 經(jīng)大修后亦投人地鐵2 號線區(qū)間隧道的施工 共掘進隧道2 4 k i n 1 2 1 5 2 0 0 4 年1 0 月 通過國家 8 6 3 計劃 項目的研究 第一臺由中國人自己設計和制造 擁有自主知識產(chǎn) 權 直徑6 3 4 0 m m 的土壓平衡盾構機一8 6 3 盾構機 先行號 在上海隧道工程股份有限 公司誕生 8 6 3 盾構機 先行號 的誕生 結束了外資品牌一統(tǒng)天下的局面 其性能指 標達到了國際先進水平 在盾構制造技術方面 在3 8 m 6 3 4 m 國產(chǎn)土壓平衡盾構中采用的隧道導向和監(jiān)控 技術已達到國際先進水平 為測控技術的國產(chǎn)化奠定了良好的基礎 在異形刀盤 刀具 材料 以及襯砌 出土與密封技術等方面也取得了一批具有自主知識產(chǎn)權的先進成果 國產(chǎn)土壓平衡盾構和泥水加壓盾構技術已接近國際先進水平 在某些領域 如異形盾構 的研究方面 己擠身世界先進行列 1 6 1 7 但盾構電液控系統(tǒng)的研究與開發(fā)相對滯后 目 前國產(chǎn)中小型盾構電液控制系統(tǒng)主要元器件 如 液壓泵 液壓馬達 高性能電液控制 器等 幾乎全部依賴進口 液壓技術已經(jīng)成為制約我國盾構技術發(fā)展的主要瓶頸技術之 o 從市場需求上看 我國盾構技術水平明顯滯后于國民經(jīng)濟建設對盾構技術發(fā)展的要 求 特別是大中型隧道建設所使用的盾構 主要還是依賴進口 2 國內(nèi)盾構技術存在的主要問題 1 8 2 0 a 對土層地質條件的適應能力差 b 地表變形和地層擾動難以控制 c 可靠性低 自動化程度低 推進速度不能保證 d 設備能耗較高 發(fā)熱嚴重 e 耗材依賴進口 施工成本較高 f 盾構工法不多 地下盾構對接技術 豎井隧道施工一體化技術 盾構直接切 削豎井井壁的進出洞技術等課題目前均屬空白 1 4 課題意義 盾構是集多學科技術于一體的技術密集型重大工程裝備 其設計和制造工作在某種 5 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 意義上代表一個國家設計制造技術水平 隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展 我國城市有了很大 發(fā)展 城市的擴大 交通擁擠 為保護耕地 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 全斷面盾構技術是開發(fā)地下 空間的必然選擇 也是現(xiàn)在掘進技術發(fā)展方向 地下空間的開發(fā)利用水平是一個國際科 技經(jīng)濟實力的重要體現(xiàn) 長期以來我國采用盾構法施工的隧道掘進機幾乎全部依賴于進口 其中德國和日本 多家盾構制造商在中國市場的占有率超過了9 0 因此發(fā)展中國的盾構技術已成為當務 之急 必須在引進 消化 吸收國外先進技術的基礎上 認真分析制約中國盾構技術發(fā) 展的關鍵性瓶頸技術 并組織力量聯(lián)合攻關 以加速中國盾構機的國產(chǎn)化步伐 推進液壓系統(tǒng)是盾構機關鍵系統(tǒng)之一 對其的精確控制是盾構機正常工作的關鍵 推進液壓控制系統(tǒng)的構成以及建模與仿真這一課題正是為滿足此要求而設立的 它可以 在計算機上模擬盾構的推進過程 并給出推進缸相關的輸出參數(shù)的曲線 為實際設計和 制造提供了有利的參照和對比 節(jié)約了實物實驗經(jīng)費 減少不必要的損失 是現(xiàn)代設計 人員必不可少的步驟和環(huán)節(jié) 1 5 論文的主要研究內(nèi)容 1 盾構機推進系統(tǒng)設計 按照盾構機推進系統(tǒng)的施工要求 確定液壓系統(tǒng)的控制策略 合理設計液壓系統(tǒng)原 理圖 并根據(jù)設計參數(shù) 選擇主要液壓控制元件 2 盾構機推進系統(tǒng)建模與仿真 建立盾構推進電液控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 利用m a t l a b s i m u l i n k 軟件對推進系統(tǒng)的壓 力及速度的復合控制進行仿真 3 自適應模糊p i d 控制器設計 在p i d 算法的基礎上 通過計算當前系統(tǒng)誤差和誤差變化 利用模糊規(guī)則進行模糊 推理 查詢模糊控制表進行參數(shù)調(diào)整 控制系統(tǒng)在線運行過程中 通過對模糊邏輯規(guī)則 的結果處理 查表和運算 完成對p i d 參數(shù)的在線自校 f 4 電控系統(tǒng)設計 采用德國s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c 對電控系統(tǒng)進行設計 并利用s t e p7 編程軟件進行編程 6 東北大學碩士學位論文 第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 2 1 盾構推進系統(tǒng) 2 1 1 盾構推進系統(tǒng)結構設計 由于盾構機在地下工作 掘進過程中會受到土層的各種阻力 為確保盾構機能夠正 常施工 首先推進系統(tǒng)必須克服推進過程中所遇到的各種阻力 考慮盾構具有大功率 變負載和動力遠距離傳遞與控制等特點 其推進系統(tǒng)都采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)動力的傳 遞 分配與控制 推進系統(tǒng)主要由設在密封倉隔板后部沿盾構圓周均勻分布的多臺推進 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 呈對稱布置 布置形式如圖2 1 所示 圖2 1 盾構機推進液壓缸截面分布圖 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 刀盤應按照設定的路線前進 因此刀盤或刀架的精確進刀與對刀是非常 重要的 而被切削的地質比較復雜 刀盤受到地層的阻力往往是不均勻的 使刀盤的前 進方向在施工中發(fā)生偏離 這時就需要通過協(xié)調(diào)控制推進液壓缸來實現(xiàn)盾構姿態(tài)的調(diào)整 2 1 由于盾構的推進液壓缸較多 若系統(tǒng)對每個液壓缸單獨控制并同時實現(xiàn)對所有液壓 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)較為復雜難以實現(xiàn) 為了 使控制系統(tǒng)簡化 系統(tǒng)可采用對液壓缸分組聯(lián)合控制技術實現(xiàn)其方向控制 即將推進液 壓缸分為幾組 對每組液壓缸分別進行控制 并對相鄰兩組實行聯(lián)合控制 以實現(xiàn)整體 推進 單絹 前進或后退 相鄰兩組前進或后退等動作 從而實現(xiàn)盾構的上 下 左 右 左上 左下 右上 右下的姿態(tài)控制 使控制更符合實際工作要求 更容易控制 簡化 7 東北大學碩士學位論文第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 了控制程序 達到了控制目的 2 1 2 盾構推進系統(tǒng)壓力流量復合控制 在盾構法施工中 由于盾構推進會引起地層擾動 同時還要保證開挖面的壓力平衡 開挖面的壓力與土壓 而推進液壓缸在克服挖掘反推力的同時 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 盾構在地下掘進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 阻力發(fā)生隨機變化 為了保持土壓平衡 必須針對水土壓力及時調(diào)整推進液壓缸供油壓 力 因此必須對推進壓力進行控制 為了減少隧道施工對地表建筑的影響 在實際施工中 往往要求嚴格控制推進過程 中地表的沉降 盾構隧道地面沉降是由盾構推進對周圍土體擾動引起的 根據(jù)盾構所處 的相對位置 可將地面變形分為以下5 個部分 盾構到達前的地面變形6 盾構到達時 的地面變形6 盾構通過時的地面變形6 盾構通過后瞬時地面變形6 和地面后期固 結變形6 其中盾構通過時的地表變形與盾構推進速度有很大關系 推進速度越大 地表變形6 越大 這就對系統(tǒng)的推進速度提出較高要求 因此 必須對推進的速度進行 精確控制 2 2 彩 再者 在盾構施工中 隧道軸線與設計曲線的偏差量是衡量盾構施工質 量的一個重要指標 為達到要求 通常需要合理調(diào)節(jié)推進系統(tǒng)不同分組的推進壓力以得 到所需扭轉力矩來完成盾構姿態(tài)的調(diào)整要求 2 4 因此盾構掘進機的推進系統(tǒng)普遍采用壓 力流量復合控制 本文中電液控制系統(tǒng)的主要功能是控制推進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 但其價格昂貴 對油污十分敏感 因而對系統(tǒng)的 使用維護要求很高 電液比例控制系統(tǒng)的關鍵元件 電液比例閥 它與電液伺服閥相 比較 價格便宜 功率損失小 抗污染能力強 在控制特性上 除控制精度及響應快速 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 靜 動態(tài)特性足以滿 足大多數(shù)工業(yè)的應用要求 2 5 2 7 1 盾構掘進機傳遞功率大 運算復雜 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 壓力流量復合控制常用方法 前己述及 對系統(tǒng)而言 控制方式主要是進行壓力流量的復合控制 伴隨液壓技術 的發(fā)展 產(chǎn)生了多種復合控制方法 表2 1 列舉了常見的幾種方法 一8 東北大學碩士學位論文 第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 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 通過表中的總結可以看出 按照選用液壓元件的不同 壓力 流量復合比例控制分 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 可進行微流量調(diào)節(jié) 結構簡 單 操作方便等長處 但也存在能耗較大 系統(tǒng)效率較低等不足 故多用于小功率場合 后者具有節(jié)能 功耗小 效率高等優(yōu)點 也存在系統(tǒng)動態(tài)響應較差等不足 故多用于中 大功率液壓傳動系統(tǒng) 針對盾構機推進系統(tǒng)的特殊應用場合 由于系統(tǒng)需進行分組控制 且各分組相對獨 立 分別進行壓力 流量的復合控制 通過分組間的協(xié)調(diào)來完成要求的控制目標 同時 考慮到系統(tǒng)屬大功率應用場合 本著避免壓力損失與能量損失 實現(xiàn)泵與負載間的功率 匹配以實現(xiàn)節(jié)能的目的 對系統(tǒng)綜合應用了以上兩種壓力 流量復合控制方式 即在供 9 東北大學碩士學位論文第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 油端采用負載敏感控制技術 使用恒壓變量泵 通過傳感器檢測出負載變化信號 由負 載變化信號對泵的流量做相應的調(diào)節(jié) 使其輸出流量始終與各分組所需的流量相適應 在獨立分組中 采用節(jié)流控制方式 通過比例溢流閥和比例調(diào)速閥來實現(xiàn)壓力 流量的 復合控制 提高系統(tǒng)的動態(tài)響應 2 8 1 其系統(tǒng)控制原理簡圖如圖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 盾構推進液壓系統(tǒng)的組成 盾構推進液壓系統(tǒng)的原理圖如圖2 3 所示 盾構推進時 所有三位四通電磁換向閥 1 5 均處在推進工作狀態(tài)a 位 二位二通電磁換向閥1 2 處于關閉狀態(tài) 壓力傳感器1 9 檢測到的壓力信號和設定的壓力信號進行比較 得到的信號輸入反饋到比例溢流閥1 4 上 自動調(diào)節(jié)負載壓力大小 保證液壓缸的輸出力為所需的設定值 推進速度的大小可 由液壓缸內(nèi)的位移傳感器2 0 檢測到的信號反饋到比例調(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 推進液壓缸的快速回退控制回路可實現(xiàn)液壓缸的單獨退回操作 以滿足管片拼裝的 要求 快退時 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 進油路上 的二位二通電磁換向閥1 2 導通 短路比例調(diào)速閥1 3 系統(tǒng)采用大流量供油 實現(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 均設有一個平衡閥1 7 該平衡閥可在管片拼裝 液 壓缸單獨退回時 起到平穩(wěn)運動的作用 而且可防止推進過程中由于意外情況可能出現(xiàn) 的液壓缸的后退 兩個液控單向閥組合成雙向液壓鎖1 6 與具有y 型中位機能的三位 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 東北大學碩士學位論文笫2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 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 盾構推進液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)計算及選型 盾構推進系統(tǒng)的主要技術規(guī)格有 最大推力 2 5 0 0 0 k n 最大推進速度 8 0 m m m i n 推進油缸數(shù)量 2 2 個 油缸行程 l5 0 0 m m 2 3 1 液壓缸參數(shù)的確定 每個液壓缸所承受的作用力 東北大學碩士學位論文 第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 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 比例溢流閥的相關技術參數(shù)如表2 2 所示 表2 2 比例溢流閥技術參數(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 設定為零時的最小調(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 東北大學碩士學位論文第2 章盾構推進電液控制系統(tǒng)的設計 因此選用力士樂公司的型號為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)速相關技術參數(shù)如表2 3 所示 表2 3 比例調(diào)速閥技術參數(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 點時 偏差e 很大 應使系 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e 較小時 為了使系統(tǒng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應速度 應 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 當接近a 點時 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 當離開a 點時 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 實時可調(diào)性 4 5 東北大學碩士學位論文 第5 章盾構推進系統(tǒng)的模糊p i d 控制 p i d 控制原理簡單 易于實現(xiàn) 但超調(diào)量大 無法實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制 自 適應模糊p i d 有較強的自適應和自組織性 控制系統(tǒng)基本無靜差和超調(diào) 大大改善了系 統(tǒng)的動 靜態(tài)性能 4 6 東北大學碩士學位論文 第6 章可編程控制器的設計 6 1p l c 概述 第6 章可編程控制器設計 隨著微處理器 計算機和數(shù)字通信技術的飛速發(fā)展 計算機控制已經(jīng)廣泛地應用在 幾乎所有的工業(yè)領域 現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的反應 生產(chǎn)出小批量 多品種 多規(guī)格 低成本和高質量的產(chǎn)品 為了滿足這一要求 生產(chǎn)設備和自動生產(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這一要求出現(xiàn) 的 它是以微處理器為基礎的通用工業(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 簡稱p l c 它的應用面廣 功 能強大 使用方便 已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一 在工業(yè)生產(chǎn)的所有領域 得到了廣泛的使用 國際電工委員會 i e c 在1 9 8 5 年的p l c 標準草案第3 稿中 對p l c 作了如下定 義 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng) 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計 它采用可編程序的存儲器 用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算 順序控制 定時 計數(shù)和 算術運算等操作的指令 并通過數(shù)字式 模擬式的輸人和輸出 控制各種類型的機械或 生產(chǎn)過程 可編程序控制器及其有關設備 都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體 易于擴充其功能的原則設計 p l c 已經(jīng)廣泛地應用在各種機械設備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中 p l c 在其他 領域 例如在民用和家庭自動化設備中的應用也得到了迅速的發(fā)展 6 1 1p l c 特點 p l c