⒛11年5月第∞卷第9期机床与液压MACHINE ToOL&HYDRAULICSⅣIay2011Ⅴol。39No.9DOI:10.3969'勹issn.1o01-3881,2011.10.029新型盾构注浆泵液压系统设计与仿真研究杨俊卿,任德志,徐莉萍,李艳(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳狎1003)摘要:注浆泵是盾构施工中必不可少的关键性辅助设备之一,可以有效地控制地面沉降。在分析盾构注浆施工工作特点的基础上,设计满足盾构注浆工艺要求的注浆泵电液控制系统,并用AME⒊m对系统进行仿真分析,初步验证系统设计的正确性,为高性能注浆泵的研发提供参考。关键词:注浆泵;电液控制系统;仿真分析中图分类号:TH137,7 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(⒛11)9-094-3Design and sⅡnu1ation study of■IydrauⅡc systen1for New Grout PumpU Liping, LI YanYANG Junqing, REN Dezhi, Ⅹ(College c,f Mθchanical&Electrica1Enginee⒒ng,Henan University of science and Technology,Luoya羿g Henan471003, China)Abstract: Grout pump is one of the essential and key auxi1ia【1/equipments in shield coⅡstmction which can eⅡective1y controlthe1and subsideⅡce. On the basis of the characteristics of shieId gouting co⒒strllction work, an electro-hydrauhc controI system 茳bqout pump was designed, ~ˇhich could meet the requirements of shield grouting. The system was simulated in AMEsim and the coⅡness of thc systcm design was validated. It provides reference for山e research and development of high perfomance grout pump。ect-KeywOrds: Glout pump; Electro-hydraulic contro1system; simulation analysis由于盾构外壳外径比管片外径大,在盾尾脱出管片时,在管片隧道与土体之间就形成一个环形柱状间隙。如果不及时填充该间隙,就会导致上方土体产生较大沉降。为有效控制这一沉降,在间隙产生的同时,盾构通过预埋好的同步注浆管向该空隙注入一定量的混凝土,同时充满间隙的混凝土可提供压力来支持上方土体,防止盾尾脱出后较大瞬时沉降的产生。目前盾构机上注浆泵采用全液压方式,此结构由两个插装阀和三个二位四通液动换向阀构成换向控制系统,在保证主油缸一定的行程下,采用插装阀获取换向信号进而对换向系统进行控制达到吸浆或排浆。该系统结构复杂,逻辑控制较强,成本较高。作者根据盾构注浆施工要求及特点设计了一套注浆泵电液控制系统,具有结构简单、成本低、易实现控制等优点,为注浆泵在国内的研发提供了新的思路。向管片与周围土体环形间隙中及时填充,充满间隙的混凝土提供相应压力来支持上方土体和确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密封性,从而有效地控制盾构掘进过程中引起地面沉降和减少结构漏水的一种方法。其原理如图1所示。、∶・丬∶・・‘・丬・・・◆‘・・・・・・〈∶∶・∶∶‘∶・∶∶∶∶∶∶∶∶・∶・・∶∶∶∶∶・∶犭∶∶∶∶t∶:・:・`∶\"∶:∶(∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∶∴∶∶∶∶∶∵∴∴∶∶∶∶∶∴∶∶∶玷兽∴∶∶∶∶∴∶i・:・I∶I∶:(∶1∶+∶:i∶,∶:∶图1 同步注浆原理图1 液压系统设计1.2 注浆泵工作原理分析注浆泵工作原理如图2所示。工作时,液压缸1无杆腔进油,活塞2在压力油作用下带动料缸活塞4右移,此时吸浆口关闭,排浆口打开。混凝土在压力作用下通过排浆口压人输送管道送至盾尾环形间隙。液压缸1有杆腔进油,料缸活塞4左移,料斗内的混凝土在自重和吸力作用下吸进料缸2,完成吸浆过程。料缸在液压缸的往复驱动下,交替进行吸浆和排浆,实现混凝土的连续泵送。1.1 盾构注浆工况分析盾构注浆是指在盾构掘进隧道过程中,将已经搅拌好的水泥、粉煤灰、膨润土、砂等混合成的混凝土,利用单一管路,保持一定压力,不间断地从盾尾收稿日期:2010-05-27作者简介:杨俊卿(19骈一),男yangJunΦng@126,com⊙,硕士研究生,主要研究方向为电液比例控制自动化。电话:13叨”09130,E-m碰l:第9期杨俊卿等:新型盾构注浆泵液压系统设计与仿真研究吸浆口1一液压缸・95・或及时更换滤芯,设在过滤器盖内的旁通阀会自动开启,以达到保护系统的目的。油箱中装有液位控制继电器,当液压油液位处于最低极限位置时,会发送开关信号给控制器,可以由控制器给出相应的警告信息。图3中电磁铁D1和D2布置在主液压缸9的回路中,Ds布置在辅液压缸的回路中。系统工作压力由比例溢流阀5调定。电机4得电后带动液压油泵3卜料缸口浆滞硎嵛活塞卜混凝土2-液压缸活塞杆图2 注浆泵工作原理简图吸浆口和排浆口的开启关闭特性是注浆泵的关键部分,其位于料斗、料缸缸和输送管三者之间,协调混凝土的进出,其性能的好坏直接影响注浆泵的使用性能(如堵管问题、输送容积效率以及工作可靠性等)。转动,液压油泵3输出液压油。液压油经过压差开关1.3 液压系统设计根据上述对注浆泵的工作原理及运动分析,设计如图3所示液压系统。用1个比例阀配合1个两位四通阀构成3个液压缸的液压控制系统。执行机构由3个液压缸组成,1个液压缸单独地伸出和收回形成吸浆和排浆,另2个液压缸作为辅助缸相应地收回和伸出形成吸浆口和排浆口的相应动作。7分成两路:一路进人主油缸回路,一路进人辅助缸回路。当阀8得电和阀13不得电时,液压缸9带动料缸10推送混凝土,此时D3不得电,液压缸H缩回,排浆口打开,排出混凝土。液压缸12伸出,吸浆口关闭,隔离漏斗以防止混凝土倒吸。当液压缸9运动到远端极限位置时,对应的信号发生装置15发出电信号控制换向阀13的电磁铁得电,液压缸11先伸出,液压缸12紧接着缩回。两缸动作瞬间完成但有先后顺序。当两缸都运动到指定位置时触发装置16和19,发出电信号控制比例阀8换向,液压缸9缩回进行吸浆。当液压缸9缩回到近端极限位置时,触发信号发生装置14进行辅助液压缸换向,而主液压缸换向则由辅助液压缸控制。如此循环,电磁铁D1和D2不断地得电和失电,液压缸9随之伸缩,液压缸11和12随之相应动作,控制料缸将混凝土连续不断地输送到工作面上。在输送管即注浆口处装有压1-油箱2一过滤器3宀油泵4一电机力检测器和流量检测器,用于检测混凝土的压力和流量,构成反馈信号,实时控制注浆泵,以达到满意注浆效果。5 8一比例阀9 主油缸5一比例溢流阀←单向阀7一压差开关1lˉ料缸11一排浆12-吸浆缸13一电磁换向阀14、15、I6、17、18、19一行程开关20一流量检测器21一压力检测器2 泵送负载计算注浆泵泵送压力是指注浆泵工作时,注浆泵输送缸活塞前端的压力,只是随着混凝土在管路中流动的阻力增加而增加。混凝土在输送管中的流动属于“”柱塞流。泵送压力从注浆泵出口处最高降低到管路末端的目标值。泵送负载是混凝土在输送管内流动时与管壁摩擦力、重力分力等的合力。管内混凝土在泵送压力作用下,使混凝土内的水泥砂浆被挤向外围,在管壁形成一薄层屈服剪应力较小的水泥砂浆,使管内混凝土成柱塞状在输送管中作整体流动,其泵送负载按下列公式进行计算图3 液压系统原理图比例阀8进行主液压缸流量控制和换向控制。液压缸11和12采用异步连接方式以达到两缸的逻辑顺序。吸浆时,液压缸11先伸出,关闭排浆口,接着液压缸12缩回,吸浆口打开,料斗中混凝土在自重和吸力作用下被吸进料缸。排浆时,液压缸⒓先伸出,关闭吸浆口,接着液压缸11缩回,排浆口打开,混凝土在压力作用下进人输送管道至盾尾环形间隙。这就要求主油缸、吸浆缸、排浆缸按顺序动作,使混凝土连续吸人和排出,防止混凝土倒吸,保证注浆泵正常工作。泵出口安装有单向阀6,用于系统检修或停止工作时防止油液倒流。压力回路过滤器设有差压发讯装置,当滤芯污染堵塞到进出油口压差为预设值时,发出开关信号,此时应立即更换滤芯。如不能马上停机P〓I彳|(Kl+凡○+昭葫neI彤+Pl其中:Κ1=(3.0-0.1s)×102Κ2=(4,0-0,1s) ×102式中:卩为泵送压力(Pa);P1为管片注浆口处的压力(h);ρ为混凝土的密度(kg/f);J为混凝土在输送管内的平均流速(【n/s):艿为输送管的长度(m);・96・机床与液压第39卷g为重力加速度(N/坨);r为输送管半径(m);e为输送管与水平面的夹角;Kl为混凝土与管壁的黏着应力强度;凡为与混凝土流速有关的阻力系数;s为混凝土坍落度(cm)。采用一种工况进行分析,输送管为水平布置,泵真分析。AME⒊m是法国IMAGINE公司推出的模块化建模仿真软件,具有大量的图形化元件模块库、智能的求解器、多种仿真模式、线性化分析工具,可在草图模式下搭建电液比例控制系统、在参数模式下根据实际元件性能设置相应的参数、在仿真模式下进行仿真,可以得到大量系统参数曲线,便于分析系统的′眭胄旨。送距离为20m,不考虑重力和惯性的影响。输送管采用DN100进行水平输送,混凝土的坍塌度s〓⒛mm,混凝土缸直径为0.18m,假定混凝土是不可压缩的,则输送管内混凝土的平均流速和输送缸中活塞速度v的关系为3.2 系统建模在草图模式下,从AME⒏m提供的液压库中拖出所需的液压泵、阀、液压缸、换向阀等模块,的从机械库中拖出电机、速度检测模块和位移检测模块,从信号库中拖出所需的信号发生模块、功能函数模块、比例放大模块和PID模块,按液压系统图连接成如图4所示的系统仿真模型。作者主要进行流量控制研究,即在一定压力下,研究注浆泵的运动情况。检测液压缸9的位移经处理后与作为反馈构成闭环控制,^=撇:=3・24v,最后得到主油缸末端的压力为p〓5丁丁×[70+550.8v] +500003 系统仿真验证3.1 仿真环境介绍作者采用AMEs血软件对设计的液压系统进行仿间接进行流量控制。扯’—ˉI段・ˉˉ’ˉ`一⊙Ιv4ˉ≡〓〓≡≡〓〓≡〓一〓〓・铲;图4 系统仿真模型图3.3 仿真曲线及分析在子模型模式下,为每个元件选择合适的子模型(即数学模型);在参数模式下,为每个元件设置相应的参数;然后进人运行模式进行仿真,设置仿真开始时间为Os,终止时间为7s(1个运动周期),采样间隔为0.1s。仿真结束后得到图5和6。图5为输人信号与反馈信号关系图,可知,在注浆泵有效行程内,液压缸呈直线运动,其活塞速度基本是恒定可控的。换向时由于辅助缸的分流,反馈信号出现平滑过渡,一方面减少了主油缸的液压冲击,一方面实现了辅助缸的运动。图6为3个液压缸的位移曲线,可以看出,3个液压缸是按先后顺序动作的,当液压缸9运动到远程控制端时液压缸11伸出,关闭排浆口(下转第104页)・104・80日 70直接求解法一◆离散点几何映射法机床与液压第39卷5 结论(1)对液力减速器叶片平面和循环圆曲面进行数学建模,分别利用基于曲面方程求解的直接求解法和基于空间几何关系的离散点几何映射法实现了变叶片参数下的叶片外轮廓曲线的求解。柃+ 4o扭营:5o30呈6020θ 5 10 15 20采点数目(2)通过对某型液力减速器动轮周期内流道模型进行参数化实例建模,分析对比了两种求解方法优缺点,结果表明:离散点几何映射法与直接求解法相比方法更优。参考文献:图9 卩=⑩°叶片外轮廓曲线曲率分析采用离散点几何映射法的计算结果,分别对叶片°30`笱角度卩〓,叶片厚度ε=4mm,叶片数`∞目z=⒛的液力减速器动轮进行周期流道参数化建模,结果如图10所示。1】姚寿文,王晓龙.液力减速器叶栅系统优化及制动动力【学仿真[J⒈机械设计,⒛07(12):21-⒛,辊.2】朱经昌,魏宸官,郑慕侨,车辆液力传动(上下册)[M⒈【北京:国防工业出版社,19叼3】郭刘洋,杜明刚.CFD为基的液力减速器结构优化仿真【[J⒈现代制造工程,⒛∞(1):104-106,n15。4】王峰,闫清东,马越,等基于CFD技术的液力减速器性【能预测研究[J⒈系统仿真学报,⒛07(3):1390-13叼,(a)卩=30°(b)`=45・1396严军,何仁,鲁明.液力缓速器变叶片数的三维数值模拟[J]江苏大学学报:自然科学版,⒛09(1):”[J⒈(c)卩=60°-31,6】严军,何仁液力缓速器叶片变角度的缓速性能分析【农业机械学报,zO09(4):⒛6-⒛9,⒛6.图10液力减速器动轮周期流道模型王小龙液力减速器虚拟仿真[D⒈北京:北京理工大叁蔫,2006.7.(上接第%页)(1)主油路中设置比例溢流阀,可动态地调整9开,接着液压缸12缩回,打开吸浆口;然后液压缸系统压力,保证系统正常工作,达到节能的目的;始缩回进行吸浆。当液压缸9运动到近程控制端时液压缸12先伸出,关闭吸浆口;接着液压缸11缩回,打开排浆口;然后液压缸9开始伸出进行排浆与实际运动情况相符。0,100.0θ0,;(2)通过1个比例阀和1个两位四通换向阀的组合,实现3个液压缸的换向动作,从一定程度上简化了液压控制系统;(3)辅助油缸采用异步连接,实现了吸浆口和1一缸90,-0.101一控制信号2一反馈信号排浆口的开闭关系,同时防止浆液倒吸;2一缸Ⅱ3-ˉ缶I21(4)通过仿真分析可以看出,常用的PID控制算法能够控制液压缸的位置,从而间接控制注浆流量,说明比例阀构成的阀控制液压系统能够满足注浆泵的流量控制。¨0,20ˉ0.30-0,40-0,~soθ・30日∽0.20o.100.00o。¨0,60+…0.0r/s0 2.0 4。o〃s图5控制信号与反馈信号关系图图6 液压缸位移曲线参考文献n】王杰,岩土注浆理论与工程实例[M⒈北京:科学出版:社,2001。2】许益民.电液比例控制系统分析与设计[M⒈北京:机械【工业出版社,⒛05,3】吴根茂,邱敏秀,王,等新编实用电液比例技术【[M⒈杭州:浙江大学出版社,⒛06.4 结论作者根据注浆泵运动特点设计出注浆泵液压系统,该系统具有以下特点: