土压平衡式盾构机液压系统设计与分析开题报告.docx
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土压平衡式盾构机液压系统设计与分析开题报告
2开题报告
2.1选题背景及其意义
由于隧道岩土工程的复杂性和现有数学的局限性,物理模拟试验成为盾构掘进机设计和关键技术进步的基础,是提高盾构可靠性的有效手段.目前我国盾构尚没有适合国情的适应性设计理论的指导,也没有系统的设计经验数据,系统的安装、调试技术也未完全掌握,所以有必要建立高水平的盾构模拟试验平台,为完善系统设计理论提供试验数据和指导思想[3].推进系统是盾构掘进机的关键系统之一,主要承担着整个盾构掘进机的顶进任务,要求完成盾构掘进机的转弯纠偏、曲线行进、姿态控制以及同步运动.实际施工过程中,由于土层土质条件的复杂性以及施工过程中诸多不可预见因素的作用,常出现盾构掘进机偏离设计轴线的情况;有时还需进行转弯或曲线行进,这需要靠合理调节液压缸的推进压力,以得到所需扭矩来完成盾构姿态的调整.另外,推进过程中还会引起地层扰动,使得地表沉降超过控制范围,这也需要靠调节液压缸的推进速度使开挖面达到稳定.
2.2国内外发展现状
由于液压系统和整机结构方面,已经比较成熟,国内外液压系统的发展主要体现在控制系统方面。
微电子技术的飞速发展,为改进液压系统的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能。
相比来讲,国内机型虽种类齐全,但技术含量相对较低,缺乏技术含量高的高档机型,这与机电液一体化,中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。
在国内外液压系统产品中,按照控制系统,液压系统可分为三种类型:
一种是以继电器为主控元件的传统型液压系统;一种是采用可编程控制器控制的液压系统;第三种是应用高级微处理器(或工业控制计算机)的高性能液压系统。
三种类型功能各有差异,应用范围也不尽相同。
但总的发展趋势是高速化、智能化。
(1)继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式,其电路结构简单,技术要求不高,成本较低,相应控制功能简单,适应性不强。
其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产(如餐具、厨具产品等),其也可组成简单的生产线,但由于电路的限制,稳定性、柔性差。
现在,国内许多液压系统厂家是以这种机型为主,使用对象多为小型加工厂,或加工精度要求不高的民用产品。
国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力,而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生产。
(2)可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术,计算机技术,通讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置。
目前已被广泛的应用于各种生产机械以及自动化生产过程中。
随着技术的不断发展,可编程序控制器的功能更加丰富。
早期的可编程序控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制。
后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可编程序控制器的中央处理单元(CPU),从而扩大了控制器的功能,使其不仅可以进行逻辑控制,而且还可以对模拟量进行控制。
因此,可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制机控制方式之间的一种控制方式。
可编程控制器有较高的稳定性和灵活性,但在功能方面与工业控制机相比有一定差异。
现在,国内有些厂家采用可编程控制器控制方式,如天津锻压机械厂有近60%的产品装有PLC。
通过采用PLC控制,使系统的控制性能和可靠性大大提高。
国外厂家如丹麦的STENHQJ公司采用了SIEMENS的可编程控制器,实现对压力和位移的控制。
(3)工业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高技术含量的控制方式。
这种控制方式以工业控制机或单片/单板机作为主控单元,通过外围接口器件(如A/D,D/A板等)或直接应用数字阀实现对液压系统的控制,同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统,达到精确控制的目的。
这种控制方式的主要特点如下:
①具有友好的人机交互性,操作简单。
如:
BROWN BOGGS公司的产品,可通过数字面板显示输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压/停机时间参数,极大减轻了劳动强度。
②控制精度高。
数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械式的行程开关控制相比,精度有极大的提高。
一般控制精度可达到0.05mm[2]。
③易于实现高速化,提高生产效率。
如美国的FERRA公司通过采用电子微处理控制方式,工作循环比以前快60%。
④可顺利实现对工作参数(压力、速度、行程等)的单独调整。
通过对控制参数的单独控制,调整被加工材料的流动,能进行复杂工件、不对称工件的加工。
⑤预存工作模式,可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调用,缩短调整时间。
这与柔性加工要求相适应。
⑥对高速下的换向冲击可利用软件来消除,以降低噪声,提高系统的稳定性。
⑦在安全方面,可利用软件进行故障预诊断,并自动修复故障和显示错误。
如STENHQF的机型和BROWN BOGGS公司都有此项功能。
⑧易实现生产线的集成控制,组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现调度控制。
现在,国外众多液压系统生产厂家生产这种高性能的工业控制机控制方式的液压系统产品,如美国MULTIPRESS,丹麦STENHQJ及加拿大的BROWN BOGGS等公司。
正是因为采用这种先进的控制方式,使整机的控制性能,生产效率都有很大提高。
而与国外发展情况相比,国内极少有采用工业控制机控制方式的产品,成熟的产品是采用可编程控制器(PLC)的控制方式。
作为液压系统两大组成部分的主机和液压系统,由于技术发展趋于成熟,国内外机型无较大差距。
主要差别在于加工工艺和安装方面。
良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面,有较明显改善。
在油路结构设计方面,国内外液压系统都趋向于集成化、封闭式设计。
插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。
国外已开始广泛采用封闭式循环油路设计。
这种油路设计有效地防止泄油和污染。
更重要的防止灰尘、污物、空气、化学物质侵入系统,延长了机器的使用寿命。
由于加工工艺等方面的原因,国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。
在安全性方面,国外某些采用微处理器控制的高性能液压系统利用软件进行故障的检测和维护,如BROWNBOGGS产品可实现负载检测、自动模具保护以及错误诊断等功能。
发展趋势
(1)高速化,高效化,低能耗。
提高液压系统的工作效率,降低生产成本。
(2)机电液一体化。
充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。
(3)自动化、智能化。
微电子技术的高速发展为液压系统的自动化和智能化提供了充分的条件。
自动化不仅仅体现的在加工,应能够实现对系统的自动诊断和调整,具有故障预处理的功能。
(4)液压元件集成化,标准化。
集成的液压系统减少了管路连接,有效地防止泄漏和污染。
标准化的元件为机器的维修带来方便。
2.3解决的主要问题及研究的基本内容
本文解决的主要内容是设计一个合适的盾构推进系统液压系统,并对它的系统进行仿真分析。
研究的基本内容是液压推进系统油路的设计,系统仿真模型的建立和数据分析,确认系统是否满足设计参数的要求以及系统的改进。
2.4研究方法以及技术路线
首先是盾构推进系统液压系统油路的设计,液压推进系统要求能符合多变的工作条件,油路设计尽可能简单,使用更少的液压元件,并且具有良好的抗干扰性,稳定性,便于安装使用且价格低廉。
其次是系统仿真模型的建立和数据分析,要求仿真模型尽可能接近真实的模型,减少数据误差,并且对各种工况进行模拟分析,确保系统性能能满足各种要求。
最后是系统的改进,将不满足系统要求的部分进行改进或将不满足要求的元件进行更换。
2.5目前完成的工作有:
2.5.1主油路的设计:
图1推进液压系统主油路的工作原理。
1.电机;2.联轴器;3.钟形罩;4.变量泵;5.球阀;
6.吸油过滤器;7.压力表;8.安全阀;9.压力管路过滤器;
10.单向阀;11.二位四通换向阀;12.压力传感器;13.油箱
推进系统分组工作油路设计:
图2推进系统分组工作油路
1.二位二通电磁换向阀;2.电液比例调速阀;
3.电液比例溢流阀;4.三位四通电磁换向阀;
5.液压锁;6.平衡阀;7.压力传感器;8.液压缸
表1电磁动作顺序表
1Y
2Y
3Y
4Y
快进
-
+
-
+
工进
-
-
-
+
快退
-
+
+
-
停止
+
-
-
-
系统元件选型与建模:
表2液压推进系统的主要参数
名称
参数
油缸行程
1500mm
油缸个数
n=8个
推进速度
0-40mm/min
额定推进力
最大总推进力
额定压力
P=21Mpa
最大压力
最大流量
每组液压缸的缩回速度
总重力G=3000KN,加减速时间为
,静摩擦因数
,动摩擦因数为
。
通过要求选择的液压元件:
表3液压元件明细表
序号
元件名称
最大通过流量、L.min-1
额定压力MPa
型号
1
双联变量轴向柱塞泵
218.5
35
PHV95D
2
单向阀
240
31.5
RVP-16
3
电动调节球阀
6.4
ZAJV(O)
4
吸油过滤器
250
YLX-250
5
电机
ABB-M2QA11KW-4B35PAC380Va
6
压力表
YTXG-100
7
溢流阀
250
40
DBD-15
8
压力继电器
35.0
HED1K
9
二位四通电磁阀
120
31.5
DSG-03-2D2-50
10
压力传感器
0~0.2~250
PT214/214B
11
电液比例调速阀
0~2
21
2FRE6-20B/2QE
12
二位二通电磁阀
120
31.5
DSG-03-2D2-50
13
电液比例溢流阀
200
DBEM-10
14
三位四通电磁换向阀
120
31.5
DSG-03-2D2-50
15
液控单向阀
300
31.5
SL20G-30
16
平衡阀
560
2-31.5
FD30-B12
17
单杆双作用液压缸
31.5
HSG-200
2.5.2液压基本回路仿真
盾构推进系统工作分组回路,把回路进行仿真
图3盾构推进系统仿真回路和控制回路
这个回路的功能是能实现快进、工进、快退、停止。
仿真时,按start键电磁铁2Y,4Y得电,1Y、3Y不得电,四个油路全部开启,进入快进回路,当液压缸活塞杆碰到行程开关(B1、B2、B3、B4),电磁铁4Y得电,其余不得电,快进回路切换到工进回路,当活塞杆继续前进碰到行程开关(C1、C2、C3、C4),电磁铁2Y,3Y得电,1Y、4Y不得电,工进回路切换到快退回路,当活塞杆回到原点,油压升高,溢流阀开通,当按下stop键时,电磁铁1Y得电,其余不得电,油液通过二位四通电磁换向阀流回油箱,工作回路没有压力。
这个回路除了可以总控制每个液压缸,还可以由start1、start2、start3、start4来分控每个液压缸的行程,可以实现转弯等功能,能在出现故障在任何一个位置停下来后,随时启动。
2.6完成论文的条件
首先,已经具有明确的研究对象,研究方向,即盾构推进系统液压系统设计。
其次,已经准备好研究所需要的资源。
下载了大量关于构推进系统液压系统设计和仿真分析的相关文献并安装好AutomationStudio5.0,AutoCAD2007,Proe-wildfire软件。
AutoCAD2007是二维图纸的绘图工具,proe-wildfire和AutomationStudio5.0是液压系统仿真工具。
第三,液压课程和二维和三维系统软件的基础学习也是本文研究所需要的基本知识。
2.7课题进度安排
1~3周查找资料,完成外文翻译、文献综述和开题报告。
4~6周学习AutomationStudio5.0,AutoCAD2007Proe-wildfire软件。
7~8周设计盾构推进系统液压系统油路。
9~13周系统仿真模型的建立和数据分析,改进系统。
14~15周完成论文和答辩。
参考文献:
[1]刘仁鹤.土压平衡盾构技术综述[J].世界隧道,2000
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1~7.
[2]NaitohK.Thedevelopmentofearthpressurebala数控edshieldsinJapan[J].Tunnels&Tunnelling,1985(5):
15~18.
[3]杨华勇,龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用[J].液压气动与密封,2004
(1):
27~29.
[4] 胡国良,龚国芳,杨华勇,等.盾构模拟试验平台液压推进系统设计[J].机床与液压,2005
(2):
92~94.
[5]imaginecompany.AMESimusermanual[M].Fra数控e:
ImagineS.A.,2002.
- 配套讲稿:
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- 压平 盾构 液压 系统 设计 分析 开题 报告