盾构电液控制系统综合试验平台

摘要

本发明涉及了一种盾构电液控制系统综合试验平台，综合试验平台主要由液压控制系统、数据采集及控制系统和控制系统软件三部分组成。液压控制系统主要包括三个单元：刀盘管拼装机螺旋输送机负载模拟系统，刀盘管拼装机螺旋输送机驱动及控制系统；推进负载模拟系统，推进驱动及控制系统；多自由度管片拼装定位控制系统。数据采集与控制系统主要用于盾构电液控制系统的监控，同时实时采集和记录来自试验平台中各种传感器和设备的运行数据，从而保证液压系统单元中的刀盘驱动模拟、推进系统动作以及泵、马达和阀的性能测试等各试验的顺利开展。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验平台，尤其涉及一种盾构电液控制系统综合试验平 台。

背景技术

盾构作为地下隧道工程开挖的重要施工装备，它是用机械破碎岩石、出碴 和隧道支护实行连续作业的一种综合设备。盾构是一种高智能化，集机、电、 液、气、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。其最大特点就是 整个隧道掘进过程都是在这个被称作护盾的钢结构掩护下完成的，可最大限 度地避免坍塌和地表变形。与传统的隧道掘进技术相比，盾构施工具有安全 可靠、机械化程度高、工作环境好、施工进度快等优点，尤其在地质复杂的 高水压大埋深的隧道，只能依赖盾构法施工。

电液控制系统通常用在盾构的刀盘主驱动、管片安装机、螺旋输送机、推 进系统、同步注浆机等装置上。刀盘主驱动位于盾构的前部，是切削土体的 装置，包含切削刀、刀盘、马达、减速机、旋转轴承、液压控制装置、数据 采集及控制装置等组成；管片安装机是用于支护隧道的钢筋混凝土管片拼装 的一种装置，包含支撑梁、旋转机构、管片抓举机构、伸缩油缸、液压控制 装置、数据采集及控制装置等组成；螺旋输送机是用于输送刀盘切削下来的 土体的一种装置，包含封土闸门、外筒、螺杆、泡沫注入口、伸缩油缸、液 压控制装置、数据采集及控制装置等组成；盾构的推进系统是依靠支承环内 大体等距布置的推进油缸作用于管片从而提供反作用力的装置，它为盾构前 进提供推进力。包含推进油缸、撑靴、支撑架、液压控制装置、数据采集及 控制装置等组成。

盾构不同于其它工程机械，它具有“量体裁衣”的针对性，需要针对隧道 工程的地层地质及其它要求进行设计制造，适应性的设计方法和技术在盾构 的发展中显得格外重要。因为隧道岩土工程的复杂性和现有数学计算的局限 性，物理模拟试验成了盾构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。目前我国尚没有适合国情的适应性设计理论的指导和盾构行业 设计通用的标准，同时也没有盾构电液控制系统的设计经验数据库和施工经 验数据库，系统的安装、调试技术也未完全掌握。所以有必要建设盾构电液控 制系统综合试验平台，为完善系统设计理论提供试验数据和指导思想。

发明内容

为了克服背景技术中提到的盾构设计制造中存在的问题，满足施工生产的 要求，本发明的目的在于提供一种盾构电液控制系统模拟试验和关键元器件 的技术测试。从而对盾构电液控制系统在设计、组装和调试上的正确性进行 检验，避免了在电液控制系统不完善时就直接与盾构联机带来的风险，缩短 了盾构电液控制系统新产品的研发周期。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：综合试验台液压系统方案及用 于该液压系统的数据采集与控制系统方案。

一种用于盾构电液控制系统综合试验平台，所述试验平台包括液压控制系 统、数据采集及控制系统和控制系统软件三部分；所述液压控制系统包括三 个单元：刀盘\管拼装机\螺旋输送机负载模拟系统，以及刀盘\管拼装机\螺 旋输送机驱动及控制系统单元；推进负载模拟系统，以及推进驱动及控制系 统单元；多自由度管片拼装定位控制系统单元；数据采集与控制系统主要用 于盾构电液控制系统的监控，同时实时采集和记录来自试验平台中各种传感 器和设备的运行数据，从而保证液压系统单元中的刀盘驱动模拟、推进系统 动作以及泵、马达和阀的性能测试等各试验的顺利开展。

所述的综合试验台液压系统主要分为以下三个单元：刀盘\管拼装机\螺旋 输送机负载模拟和驱动试验单元；模拟推进控制系统试验单元；多自由度管 片拼装机构液压缸运动控制测试系统试验单元。

所述的综合试验台液压系统的数据采集与控制系统方案包含数据采集单 元和控制系统单元。

一、刀盘\管拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验单元

刀盘\管片拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验系统单元采用闭式回 路，主要由驱动和负载模拟两部分组成，其中驱动部分采用变量泵驱动变量 马达形式，同时回路中包含比例方向流量阀，系统可以在泵控和阀控之间切 换，以满足不同系统模拟试验要求。负载模拟部分可以组成闭式系统和开式 系统，以满足不同系统负载模拟的要求。该试验系统单元采用模块化设计， 可以通过各阀工作状态的切换使系统能够模拟盾构刀盘\管拼装机旋转\螺旋 输送机驱动试验，在保证试验符合盾构实际工作状态的条件下，最大程度上 简化了试验系统结构，降低了成本。此外，模块化的另一方面意义是可以对 系统中的某些模块进行替换，以满足不同类型盾构系统测试的要求，具有可 扩展性。

1、刀盘\管拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验子单元为刀盘驱动模 拟试验。刀盘驱动模拟部分，左侧驱动部分组成变量泵控制马达系统，通过 改变变量泵的排量来改变刀盘转速，进行刀盘调速试验；刀盘负载模拟部分， 刀盘的惯性负载主要是通过试验台中的固定惯性轮和活动惯性轮模拟，液压 泵对刀盘驱动部分进行加载，刀盘驱动马达通过减速机驱动液压泵，主要模 拟盾构掘进时刀盘切削土体和克服摩擦的扭矩。

2、刀盘\管拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验子单元为管片拼装旋 转自由度驱动控制试验。左侧驱动部分，调整电磁阀组使液压泵和液压马达 的输入信号为定值，系统为闭式回路；调整换向阀控制马达转速和方向；调 整平衡阀实现马达在超越负载作用下管片定位的准确性和稳定性。载荷模拟 部分，调整电磁阀使加载系统变为开式回路；调整减压阀输入信号，模拟管 片拼装机在不同转角下受到不同扭矩的实际工况。

3、螺旋输送机负载模拟和驱动试验系统子单元为螺旋输送机模拟试验。 当进行螺旋输送机驱动控制试验时，左侧驱动部分组成变量泵控制马达系统， 通过改变变量泵的排量可以改变螺旋输送机转速，进行调速试验。

刀盘负载模拟和驱动实验单元：液压马达21通过联轴器19与力矩测速仪 20连接，再通过联轴器同固定惯性轮连接，即负载泵15驱动液压马达21， 液压马达通过联轴器、力矩测速仪驱动固定惯性轮以此来实现刀盘驱动系统 模拟实验，通过增减不同数量、大小的活动惯性轮16实现刀盘不同负载模拟 实验。

二、模拟推进控制系统单元

模拟推进控制系统主要有四个推进液压缸、四个加载液压缸、四个位移传 感器、四个力传感器、液压缸安装支架、支架拉力螺杆、支架底座等组成。 推进液压缸与加载液压缸采用对顶配置，整个模拟推进控制系统中每组液压 缸的压力与流量分别独立控制，可以对推进系统在不均匀负载条件下多缸同 步控制性能进行研究。整个系统由共用的液压泵站提供动力源。

推进系统负载模拟实验单元：采用4组推进油缸与4组负载液压缸通过拉 力螺杆与机架连接起来，即推进油缸推出，负载液压缸负载带压被动缩回， 以此模拟盾构推进系统负载实验，同时可以模拟在不均匀负载条件下多缸同 步控制问题及模拟盾构姿态调整。

三、多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统单元。

多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统主要由两个竖直提升液 压缸、一个水平移动液压缸、控制液压缸的比例方向阀、位移传感器、竖直 导轨、水平导轨、惯性负载装置、安装支架等组成，整个系统由共用的液压 泵站提供动力源。

多自由度管片拼装机液压控制测试系统单元：使用竖直液压缸32后部与 机架连接，前部与水平液压缸机架连接，通过竖直导轨29来模拟拼装机举升， 水平液压缸31通过水平导轨30来模拟拼装机水平移动，惯性载荷模拟拼装 机负载条件下的控制系统实验。

四、数据采集单元

数据采集来源于电气单元和液压单元。电气单元主要采集电机电流、电机 功率等；液压单元主要采集转速测试仪、压力传感器、流量传感器、功率传 感器、温度传感器、位移传感器、扭矩传感器、电磁阀组等的信号；

五、控制系统单元

控制系统主要包括硬件和软件。硬件包含工业控制机、PLC(可编程控制 器)及相应模块、数据采集卡、试验装置控制台；软件包含操作系统软件、 组态软件和监控系统软件。

本发明所述的试验平台，主要包括机械元件、液压元件和电气元件。机 械元件包含固定惯性轮、活动惯性轮、联轴器、水平导轨、垂直导轨、拉力 螺杆、底座支架、安装支架、操作台、管路、阀门等其他辅助元件；液压系 统元件包括减速器、定量泵、液压缸、变量泵、比例溢流阀(带放大器)、比 例减压阀、比例调速阀、油箱等其他辅助元件；电气元件包括电机、PLC、工 控机、转速测试仪、压力传感器、流量传感器、功率传感器、温度传感器、 位移传感器、扭矩传感器、控制柜及其他配套元件。

所述的试验平台中的刀盘\管拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验单 元，是用于盾构的刀盘、管片拼装机、螺旋输送机的负载模拟和驱动试验。

所述的试验平台中模拟推进控制系统单元，是用于模拟盾构推进控制系 统及多路阀的测试试验。

所述的试验平台中的多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统单 元，是用于模拟盾构多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试试验。

所述的试验平台中的液压泵站单元，该单元为液压动力源，为所述的试 验平台提供液压动力，是一个共用单元。

所述的试验平台中的数据采集与控制系统单元，是用于盾构电液控制系 统的监控，同时实时采集和记录来自试验平台中各种传感器和设备的运行数 据，从而保证刀盘驱动模拟、推进系统动作以及泵、马达和阀的性能测试等 各试验的顺利开展。

本发明中的“盾构电液控制系统综合试验平台”具有功能全面、仿真度高、 虚实结合、便于扩展等优点。这种试验平台用于开展盾构电液控制系统模拟 试验和关键元器件技术测试。从而对盾构电液控制系统在设计、组装和调试 上正确性进行检验，避免在电液控制系统不完善时就直接与盾构联机带来的 风险，缩短盾构电液控制系统新产品的研发周期。同时，可以提高盾构电液 控制系统可靠性，自主开发盾构电液控制系统和核心元器件，实现可持续发 展等具有重要的现实和战略意义。

附图说明

图1是本发明的刀盘\管片拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验系统 单元的液压原理示意图；

图2是刀盘负载模拟和驱动实验单元结构示意图；

图3是推进系统负载模拟实验单元结构示意图；

图4是多自由度管片拼装机液压控制测试系统单元结构示意图；

图5是实验装置控制台结构示意图；

图6是液压泵站结构示意图；

图中：1双向变量液压泵、2两位三通换向阀、3电液比例三位四通换向 阀、4两位三通换向阀、5单活塞杆缸、6双向变量液压马达、7双向定量液 压泵、8两位三通换向阀、9两位四通阀、10比例溢流阀、11两位三通换向 阀、12两位三通换向阀、13两位两通换向阀、14单向定量液压补油泵；15- 负载泵，16-活动惯性轮，17-固定惯性轮，18-机架，19-联轴器，20-力矩测 速仪，21-液压马达，22-实验控制台，23-负载液压缸，24-拉力螺杆，25- 机架，26-行程传感器，27-推进油缸，28-力传感器，29-竖向导轨，30-水平 导轨，31-水平液压缸，32-竖直液压缸，33-竖直位移传感器，34-液压泵站。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本实施例中是对盾构电液 综合试验平台的刀盘\管片拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验单元进行 模拟试验。

当进行刀盘驱动模拟试验时，两位三通换向阀2和两位三通换向阀12电 磁铁得电，两位三通换向阀4电磁铁失电，此时附图左侧驱动部分组成变量 泵控制马达系统，通过改变变量泵的排量实现改变刀盘转速，进行刀盘调速 试验。在右侧负载模拟部分中，刀盘的惯性负载通过试验台中的固定惯性轮 17和活动惯性轮16模拟，液压泵7用于对刀盘驱动部分进行加载，刀盘驱 动马达通过减速机驱动液压泵7，主要模拟盾构掘进时刀盘切削土体和克服 摩擦的扭矩。两位三通换向阀8和11电磁铁失电，负载扭矩的控制可以通过 比例溢流阀10调整加载系统压力实现。另外，可以通过设定阀10的输入信 号控制加载扭矩形式，满足变载荷及不同负载条件下刀盘调速、系统节能及 突变载荷适应性等试验要求。在加载泵和液压马达连接轴上装有力矩转速测 试仪20，可以实时检测马达输出扭矩。在整个试验过程中，两位两通换向阀 13电磁铁得电，补油泵14同时向左右两个闭式回路进行补油。

当进行管片拼装旋转自由度驱动控制试验时。首先，在左侧驱动系统中， 阀2、阀4和阀12电磁铁失电，液压泵和液压马达的输入信号为定值(此时 相当于定量泵和定量马达)，系统为闭式回路，马达转速和方向控制可以通过 改变电液比例换向阀3的输入信号实现，该回路中在马达的进出油口均装有 平衡阀，以保证马达在超越负载作用下管片定位的准确性和稳定性。在右侧 负载模拟部分，系统惯性负载仍通过惯性轮模拟，此时，阀8和阀11的电磁 铁均得电，使得加载系统变为开式回路，减压阀用于控制回路输入液压油的 压力，通过改变减压阀的输入信号，模拟管片拼装机在不同转角下受到不同 扭矩的实际工况，阀9用于改变载荷扭矩方向。由于负载回路为开式回路， 阀13电磁铁失电，补油泵14仅向左侧驱动回路进行补油。

当进行螺旋输送机驱动控制试验时，两位三通换向阀2和阀12电磁铁得 电，两位三通换向阀4电磁铁失电，此时左侧驱动部分组成变量泵控马达系 统，通过改变变量泵的排量可以改变螺旋输送机转速，进行调速试验。另外 螺旋输送机系统的闸门液压缸和马达为单泵供油，因此通过控制阀4得电或 失电决定系统是否引入液压缸运动的干扰，当引入干扰时可以验证采用流量 补偿控制策略的单泵供油系统的有效性，即能否消除液压缸运动扰动而准确 的调整马达转速。

实施例2：

本实施例中是对盾构电液综合试验平台的推进控制系统进行模拟试验。

模拟推进控制系统的推进液压缸27与加载液压缸23采用对顶配置；推进 液压缸输出力和推进速度有两种控制模式：比例减压阀控制模式和比例溢流 阀+比例调速阀控制模式，可以通过两位三通换向阀实现两种不同控制模式的 切换。可以完成两种典型推进系统性能对比试验与两种推进模式切换扰动规 律试验研究。

整个系统中一共设有4组液压缸，采用每组液压缸压力与流量分别独立控 制，可以对推进系统在不均匀负载条件下多缸同步控制性能进行研究。4组 液压缸在空间上均匀分布，通过对各缸单独控制，可以实现模拟盾构姿态调 整过程。加载液压缸的高压腔压力通过比例溢流阀调节，因此推进液压缸的 负载可以通过改变加载回路比例溢流阀的输入信号实时调整。另外每个推进 液压缸活塞杆端装有力传感器28，可以直接测量各个液压缸的负载。

实施例3：

本实施例中是对盾构电液综合试验平台的多自由度管片拼装机构液压缸 运动控制测试系统进行模拟试验。

多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统用于模拟盾构管片拼装 机液压缸运动控制。系统主要由两个竖直提升液压缸32和一个水平移动液压 缸31以及控制他们的比例方向阀组成。通过比例方向阀控制进入液压缸的流 量以及方向可以实现液压缸运动速度和方向的控制，同时每个液压缸上均装 有位移传感器33，可以实时监测液压缸位移，将测得的位移信号反馈给控制 器与比例方向阀共同完成液压缸位移的闭环控制。竖直提升回路中的平衡阀 主要用于平衡管片的重力，以实现管片在垂直于主轴方向上的定位运动平稳 准备；水平运动回路中装有液控单向阀，可以保证管片在水平方向上准确定 位。系统由液压泵站34提供动力源，各种传感器的信号采集与控制由试验装 置控制台22完成。

实施例4：

本实施例中完成对盾构电液综合试验平台所有的数据采集、信号反馈与系 统控制。

盾构电液控制系统综合试验平台数据采集与控制系统主要用于盾构电液 控制系统的监控，同时实时采集和记录来自试验平台中各种传感器和设备的 运行数据，从而保证刀盘\管片拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动试验单元 、模拟推进控制系统单元、多自由度管片拼装机构液压缸运动控制测试系统 单元以及泵、马达和阀的性能测试等各试验的顺利开展。

本实施例中采用PLC、工控机、数据采集卡以及组态软件组成分布式监控 系统，集中设计一个试验装置控制台22。其中PLC完成底层控制，包括试验 台各底层设备(泵、阀等)控制，同时PLC还要完成与控制设备相关传感器 的数据采集工作；组态软件完成人机界面接口以及试验数据的采集和管理功 能。

试验台总体控制包括油泵电机启动、停止开关，电机启停指令，手动自动切 换，电源开启指示灯，电机启停指示灯等操作。系统控制硬件上先对各控制 设备以及各传感器的信号点数进行统计，进而对PLC及相应模块进行选型。 同时兼顾系统的先进性、安全性、经济性、相容性及可扩展性，考虑到控制 的复杂性与可靠性要求。软件上对试验台进行控制软件、监控界面以及操作 界面的编写。通过监控软件，可完成对整个盾构电液控制系统综合试验平台 的各底层设备控制、数据的采集、相关曲线的输出等试验工作。