摘要：随着科学技术的发展，我国各行各业中机械的应用越来越广泛。在隧道工程掘进的过程中，盾构机的应用非常广泛。盾构机的液压推进系统承担着盾构机的顶进任务，能够实现盾构机的纠偏、转弯、姿态控制等功能。若推进系统出现故障，则会引发地表的沉降或者隆起，甚至造成停工。此次研究是利用AMESim液压仿真软件对盾构机的液压推进系统进行建模和仿真，研究故障产生的特点与机理，并借助于盾构电液控制系统综合试验平台对仿真结果进行验证。
关键词：盾构机；液压推进系统
1盾构机简介
盾构机是盾构隧道掘进机的简称，是一种在金属壳体的保护下，进行土体开挖、输送土碴、管片拼装和衬砌、推进纠偏等作业的软土暗挖的大型工程机械。运用的技术主要包过通信、光学、电信、机液、传感等，涉及的学科主要包括土木、力学、电液、机械、测绘、控制等。由于盾构机具有施工效率高、可靠性强、自动化程度高、受天气影响小、对地面建筑物及交通影响小等优点，被广泛地用于越江隧道、市政工程、铁路、公路、地铁、矿山隧道和供排水隧洞等各种隧道工程的施工中。
2盾构机的推进系统介绍
2.1推进系统结构及其作用
液压推进系统是盾构机的关键系统之一，具有维持盾构机的掘进、调向纠偏及姿态控制的作用。“天和一号’，是中交集团承建的南京市纬三路过江通道量身打造的。其推进系统由泵控装置、推进油缸、数据采集和监测系统组成[mo0该盾构机直径达到14.93米，单套总重达到4758吨，液压推进系统采用28组双缸。由于盾构机在掘进过程中承受的来自周边土体的阻力不均匀，所以每个分组中推进油缸的数量是不同的。
2.2推进系统工作原理
盾构机的液压推进系统在工作时，主驱动液压缸的推进力的大小由比例溢流阀控制，压力传感器能够实时的量测这一推进力的大小，二者构成了压力闭环反馈调节控制系统;系统的流量的大小由比例调速阀决定，内置式位移传感器能够实时的量测该流量的大小，二者构成了流量闭环反馈调节控制系统。当插装阀和二位三通换向阀接通时可短路比例调速阀，实现主驱动液压缸的快速运动，尽可能多的减少系统内部沿程的压力损失;当插装阀和二位三通电磁换向阀接通时，可用来实现主驱动液压缸的快速回缩，尽可能多的减少系统内部回程的压力损失。主驱动液压缸的前进、后退和停止这三种状态的切换可以通过调节三位四通换向电磁阀实现。溢流阀的主要作用是保证液压推进系统在推进的瞬间不会出现瞬时过载的现象，二位二通电磁换向阀的主要作用是在盾构机停止工作时减小系统的压力冲击。
3液压推进系统故障的特点及建模方法
3.1液压系统故障的非线性
非线性是量化复杂问题的重要方法之一，重叠、软参数、摩擦这三类非线性现象在液压系统中是最常见的。对系统的动态特性有影响的非线性因素主要包括:液压油中的空气含量，油液的粘性指数以及液压阀压力流量的变化等。液压系统的非线性环节包括两个方面，即:连续非线性环节和不连续非线性环节。
3.2液压系统故障的复杂性
(1）隐蔽性由于液压系统的故障大多发生在系统的内部，且液压元件不易拆卸，检测时不能直接观查到故障的部位。液压泵、马达、液压缸及控制阀等关键部件极易出现此类的故障。(2）随机性在液压系统运行时，载荷的变化、周围环境的变化、操作人员操作机器的熟练程度以及液压系统受污染的程度等随机性因素的变化都会导致各种故障的发生，给故障的检测增加了难度。(3)祸合性液压系统的各个元件连接紧密，在运行时不同元件之间的参数相互祸合，即其中一个元件的参数值发生变化时，就有可能引起其所在的子系统发生故障，进而导致与子系统相关的其他系统的故障。(4)差异性由于在生产时加工材料不同、厂家不同或者生产环境不同，液压元件并没有统一的标准，只能根据具体的液压元件确定具体的磨损评价标准。
3.3盾构液压推进系统常见的故障类型
3.3.1液压推进系统主要元器件的故障类型
盾构机液压推进系统的故障多种多样。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆某些故障源是可以通过现场有经验的操作人员或者检测故障的专家根据自身的经验找出的，比如:液压缸的外泄露、油缸的推力不足导致撑靴脱离管片等;有些故障是可以通过监测仪器对故障的征兆参数处理后确定的，比如:盾构机的机头偏离隧道的中心线;有些故障存在的环境比较隐蔽不易发现，比如:各种控制阀的故障、液压缸的内泄漏等。
3.3.2液压推进系统的失效形式
腐蚀失效、疲劳失效、断裂失效等是在工程机械故障中常见的失效形式，但由于盾构机的液压系统所使用的介质比较特殊，所以除了上述失效形式以外还有其他的失效形式，比如气蚀失效、泄漏失效、冲击失效等。
3.4盾构机液压推进系统的建模方法简介
3.4.1液压系统的模拟仿真
系统的建模过程首先要明确研究对象或者系统，在计算机上建立理论上的数学或者物理模型，然后使用标准化的计算机语言形成源程序或者模拟图，建立研究对象的仿真模型;在软件平台上运行建立的仿真模型，先通过仿真实验验证模型的可行性。仿真可以给实际的系统在调控或者优化方面提供可靠的依据。建立研究对象或者系统的模型是仿真关键所在，正确的数学或者物理模型是得到可靠的仿真结果的保障。建模方法的选择也是仿真模型在计算机上顺利运行的支撑，在仿真模型的运行中起着核心的作用。最优的建模方法可以使仿真的周期较短、结果更加准确以及耗费的人力物力较少。随着计算机技术的快速发展和应用范围的不断扩大，选择合适的建模方法更加重要。
3.4.2液压系统常用的建模方法
液压系统数学模型具有的特征如下:(1）建立的数学模型要能反应液压系统的在实际运行中的各个工作状况，能够准确的表示出系统内部各个元件之间的参数变量关系;(2）在软件中的求解形式要简洁，在众多的计算方式间选择最适用于计算甲软件的求解。（3）建立液压系统数学模型的过程即为分析研究对象、对研究对象进行抽象化表示、概括研究对象的数学或者物理的表达式、综合分析各个元器件之间的参数关系。
4基于AMESim的液压推进系统的故障仿真研究
4.1AMESim软件的介绍
AMESim是由法国的IMAGINE公司在功率键合图的基础上发展出来的专门用于流体(气体)/机械系统建模、仿真及动力学分析的工程设计软件。它具有23个模型库和2_500多个模型块，用户可以按照实际的物理系统，采用基本元素法搭建系统的仿真模型、自定义模型中的各个模块，避开了推导系统的数学模型这一繁琐的研究过程，使用户将更多地精力投入到建立模型以外的研究中。
4.2AMESim在液压系统中的应用
AMESim软件为液压系统模型的构建提供了多个可选库，比如:Hydrulic(液压库)包含的是一些通用的液压元件，只适用于测试元件的理想动态特性。HydrulicResistance(液阻库)的作用是创建或者修改大型的液压管网，评价系统或者元件的压力损失。Signal_Control(信号控制库)为机液系统选择合适的控制方式及控制信号。由于液压系统和液压元件的复杂性、多样性，Hydrulic(液压库)无法满足液压系统的设计要求，AMESim软件提供了HydrulicComponentDesign(液压元件设计库)，里面含有大量的构造液压元件的基本模块，这些模块可以构建任何机液系统。
结语
综上所述，本文以应用于南京纬三路过江通道的“天和一号”盾构机的液压推进系统为研究对象，在AMESim软件平台上对盾构机的液压推进系统进行建模和仿真，研究了比例调速阀、比例溢流阀、液压缸发生故障时对盾构机液压推进系统的影响，再借助于盾构电液控制系统综合实验平台对仿真结果加以验证分析，进而提出了根据盾构机液压推进系统操作平台上的运行图直接准确地判断出引起故障的原因，使故障可视化。
参考文献
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论文作者:孙硕
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/5/30
标签：盾构论文; 液压论文; 系统论文; 故障论文; 液压缸论文; 液压系统论文; 元件论文; 《基层建设》2018年第9期论文;