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液压系统的合规性及其应用在盾构机系统设计的延伸

摘要：作为最重要的性能，液压系统的合规性被定义为适应外部负载突然变化的能力。由于兼容任务的不同要求，现有的机械系统的方法不能用于液压系统的分析与设计。在本文中，对液压系统合规性的定义和表达及运行情况进行了评价，分析了液压系统在突变载荷下的工作情况。由于在开挖过程中可能产生的地质条件，可能会对盾构掘进机产生突然的变化荷载，顺应论在液压系统推力中的应用。通过分析基本操作推力液压系统的原理和常用的结构，合规性的推力液压系统设计提出方法。此外，一个隧道的情况下，在本文研究中，作为一个例子来说明验证的设计程序。总之，液压系统的合规性，可以作为一个符合负载冲击评价的能力，为盾构挖掘机推力液压系统的设计提供支持。

关键字：合规性，液压系统，负载冲击，推力系统设计，盾构机

1. 简介

由于其高耐久性，高功率的重量比和快速响应，液压驱动系统已在各种各样的行业应用中发挥着非常重要的作用。特别是对重型机器和那些在最坏的或极端条件下运行的，如建筑机械，液压传动是最好的而且大多数是唯一的解决方案。由于液压系统遭受相当大的冲击载荷是不可避免的，所以适当的相互作用执行器和环境在这样的应用程序中的问题在是必不可少的。在这种情况下，液压系统应配合应用于其上的外部负载，使能量的影响消退和实现所需的工作压力有一个尽可能的稳定反应。正常情况下的冲击响应之间的过渡可能会涉及不受欢迎的冲击力，驱动一个稳定的操作系统到不稳定，甚至对系统造成巨大伤害。稳定在过渡运动的影响效果可以接近从观点[ 1 - 4 ]：（一）研究动态压力或流量反馈控制系统的响应特性（Ⅱ）提高系统随着能量储存设备的增加吸收液压冲击或负载冲击。

然而，到目前为止还没有一个参数或变量可用于定义和评估系统的响应特性是否足够好，通过特定的苛刻的工作条件，无论是定量或定性。液压系统的合规性，只涉及这个问题在液压传动系统中遇到的问题，即如何有效地减少一个给定的液压系统由于外部冲击载荷的伤害。

机械系统的合规理论及其相应的评价方法一直受到研究者的关注。许多研究成果已应用于工业领域[ 5，8 ]。这些调查主要配合工业机器人和机械手，考虑的刚度或灵活性的机制和执行的合规控制，以确保力或运动是符合经营环境，例如，插入一个螺栓孔装配过程中。不幸的是，在液压系统中的合规性是相当差的，因此，在设计和分析的机械系统中采用的是不适用于液压系统

盾构机是一种专用于各种地质条件下的隧道施工的现代化施工机械。推力系统是液压系统的重要组成部分，由于其受力较大，由液压系统驱动的。地下条件是如此复杂，通常不可预测的推力系统可能会暴露在极端的工作条件和遇到的冲击载荷，如从隧道掘进面与岩石的冲击力。推力系统的合规性是最突出的问题，需要解决的过程中的逆冲过程。一些研究人员已经确定了盾构机的设计与分析和设计的符合性。他们定义的机械系统的刚度和等效接触刚度的隧道面。此定义主要涉及机械结构和部件的负载传输特性，因此相关的研究不能适用于液压作动器由于其不同的侧重点。

本文的主要目的是开发一个液压系统的定义和评价系统，并将其应用于盾构机推力液压系统的设计。文章组织如下。第2节介绍了液压系统的定义和数学描述。在3节，液压系统的合规性在分析和设计的推力液压系统中找到了一个典型的应用于盾构机系统。在4节，基于合规的推力液压系统设计的具体施工现场复杂的地质层，包括兼容的性能比较与现有系统。最后，结论部分5。

2.液压系统的合规性

为了研究液压系统的合规性，一个指数是指通过一个表达式的物理参数的组合。该定义可容纳许多因素，确定液压系统的兼容性能。

2.1定义和表达

液压系统的合规性是一个指标，用于评估系统的容量，以适应突然的负载变化和负载的影响。该产品的总体积变化和工作压力与给定的液压系统工作在一个严重变化的负载下工作压力变化的比例。如下：

其中C代表的合规性和无量纲，V和Delta;V代表总量及其变化，PN是正常工作压力，Delta;P是压力变化，T_C是遵守时间。

应注意以下内容。1）突然负载意味着施加在液压系统上的外力足够大，以产生非常高的工作压力，并在系统中打开安全阀。在正常工作条件下，小的压力波动发生在这项研究中是不关心的。2）总体积的变化不仅包括从冲击负荷造成的闭式液压室的扩张，但也等效体积变化的总和是瞬时流量通过溢流阀在Delta;T时间。换句话说，在这项研究中所采用的体积及其变化是一个动态的，而不是静态的对象。

图1显示了负载变化、体积变化和突然负载工作之间的关系。上下孵化区指一般的体积和压力的变化，分别为。以这种方式，液压系统的合规性可以作为一个能量转换和释放过程。根据物理学知识，存在一个方程：

其中p是液压系统的工作压力，一个是液压缸的活塞面积，和Delta;X是距离由于活塞产生突然的负荷。

实际上，当液压系统的工作压力高于正常值，遇到突然负载，负载峰值开始做工作，并导致一般的体积变化。因此，在突然负载下的能量瞬间累积消散。从图1可以看出，碳与孵化区的比例是相等的。显然，更大的值表示液压系统的更好的合规性。

图1液压系统在突然载荷下的合规性原理

方程（1）解释理论中的液压系统的合规性，但总的体积通常是不可测量的。因此，它是非常困难的，通过这种表达的液压系统的合规性评价。另一方面，当一个液压系统在运行时，我们会更加注意系统与环境的相互作用。液压系统的性能主要考虑的是宏观的角度来看，有关的外部力量和工作压力。为了评估该液压系统符合特定的负载突然定量，另一个变量的引入揭示外部负载的变化和工作压力的变化之间的关系，如式（3）。它清楚地表明了冲击荷载传递和减少从外部环境通过液压系统，如图2所示。合规性评价指标可以被定义为

在Delta;F是外力作用于液压系统的变化，Delta;P是液压系统的测量工作压力的变化，一是有效作用面积的液压执行机构

图2给出了式表达一个简单的图形的解释（3）。正常情况下，外力F0应用于液压执行机构。突然，外力变化为2f0。由于液压系统的合规性，在工作压力转换得到的等效力1.5f0。因此，液压系统的合规性评价指数为2，变化幅度进行比较。显然，合规性是密切相关的外部负载，是一个负载相关的特性，由于一个给定的液压系统。

图2冲击载荷传递的示意图

事实上，尽管式（1）和（3）从不同的角度描述了液压系统的合规性，它们与理论一致。根据定义，一个更大的总体积变化和较小的压力变化总是意味着更大的值的C和Crsquo;。后者是前者在行动和反应负荷方面的反映。基于动态分析的液压对突发载荷的响应，我们可以得到

K为影响因素的系数将在下一节中讨论

2.2影响因素

根据式（1），变Delta;V是确定液压系统的合规性的最重要因素。遭受相同的负载变化，较大的体积变化，使液压系统释放更多的瞬间累计能量，实现更好的遵守。根据定义，我们可以得到

其中Q是在遵守时间对应的总体积变化的总流量、总流量QR是通过减压阀，Delta;是液压流体的有效体积弹性模量，和QL是其他同等流量在履约过程中，包括泄漏流。

根据式（5），一个基本的液压系统，依从性的影响因素主要包括液压油的有效体积模量，结构参数对减压阀，液压管路，蓄能器。通过理论分析，并在某些情况下，我们可以得出以下结论：

1）有效体积模量决定了液压系统的响应速度。较高的有效体积模量使得系统对负载变化的响应速度更快，从而降低了液压系统的合规性。

2）为泄压阀，较大的开口直径意味着较小的液压阻力。因此，它可以容纳更多的溢出量，并增加液压系统的合规性。

3）液压管的直径和长度以及蓄能器的容积与液压系统中的闭式操作腔的体积直接相关。显然，增加量可以有利于液压系统的合规性。

3.推力系统及其合规性

盾构机对隧道施工的自动化和分解，进行钢柱盾构的开挖、卸料、安装等工序进行施工。作为盾构机的重要组成部分，推力系统执行的任务是推动机器前进，而隧道。由于其巨大的推力，推力系统完全由液压系统驱动。盾构机大多采用了意想不到的地质层，在推覆过程中遇到突然变化的荷载是不可避免的。通过这些苛刻的条件下得到的能力是非常重要的推力液压系统，它可以被描述的系统合规性。当推力液压系统有坏的合规性，故障或意外，可能会发生在隧道。因此，本研究考虑了推力液压系统的合规性。

3.1推力系统的基本原理

由于盾构机需要大功率向前推进，推力系统的执行器基本上由若干组的液压缸组成，在圆周方向上的周向方向上安装了一段固定的时间间隔。盾构机采用的是一种典型的阀控式液压系统，其功能是在其特殊功能的作用下进行的。如图4所示，控制阀通常分为压力和流量控制类型。在不同的工作条件下，它是依赖于不同的推力系统的控制模式，以满足特定的要求。在某些情况下，复合控制策略是必要的，以实现更好的隧穿性能。虽然推力系统由许多组的液压缸，推力缸是受同样的方式。因此，他们可以被视为一个完整的气缸，其截面面积等于一组中的每个气缸的总和。换句话说，无论推力液压系统是多么复杂，它的原理可以简化，并在图3中所表达的示意图。因此，阀控缸液压系统的数学模型可以得到如下。推导了圆柱体的流动方程

QL是缸内流动，A是一个有效工作面积

图3推力液压系统基本原理示意图

X气缸位移，C_TC的泄漏系数，V总作用量，Delta;有效体积弹性模量。圆柱体的动力学方程为：

其中m是运动部件的总质量，BV粘性阻尼系数，F_L外载荷、冲击载荷和FI_MP突然施加的外部环境。

3.2架构的推力系统

推力液压系统虽然基本上是一个阀控缸系统，该阀和气缸在这里指的是阀组和气缸组，分别为。在推力液压系统中采用阀和气缸组，以产生大的力来克服隧道面上施加的载荷。的推力系统不仅执行的任务驱动盾构掘进机，而隧道，但也控制盾构机的姿态，这确保盾构可以前进，从而为建设规划的隧道。事实上，前者的功能是通过同步扩展的推力系统的所有液压缸，和后者的控制动作是通过许多液压缸组的协调控制。一般情况下，盾构掘进机的液压缸在现场应用服务分为四组，在圆周方向的横截面，如图4所示。它显示了一个典型的推力气缸分布的盾构机直径为6m。总共有32缸，落入A组、B组、C组和D组在实践中，液压缸的数量不是一成不变的，它是在设计阶段确定的，强烈地依赖于特定的地质条件。最后，在每个相应的气缸组中有一组阀，如图5至7所示，在那里，CV是短的控制阀。盾构掘进机的横摆角和俯仰角可以与群内的执行机构协调配合，以及与之相结合的组。

图4盾构横截面的液压缸分布图

图5至7显示的典型的推力液压系统的结构类型，其中，乙，丙，丁代表相应的四组分别。所有这三种类型有四个控制阀组，以控制每个组的执行器。和其他工业液压系统一样，所有的液压系统都配有压力溢流阀来管理负载变化的突然变化。此外，也有一些布局上的差异，导致在不同的合规制度。

在我的系统中，只有一个压力安全阀为整个气缸。对于每个小组，没有安全阀。所有执行器的四组共享相同的救济渠道。相比之下，二型系统有四种压力缓解

每一个执行机构的阀门。当一组发生突然负载变化时，它可以轻松地打开它自己的安全阀。与前2种类型完全不同，仅对整个系统有一个泄压阀。唯一的安全阀必须满足气缸组和主回路的液压系统的要求。

图5：推力液压系统示意图Ⅰ型

图6：推进液压系统Ⅱ型

图7：推进液压系统原理图III型

根据影响因素的影响，压力安全阀和液压管路与推力液压系统的合规性密切相关。显然，这三种类型的推力液压系统在这2个方面有所不同。例如，在图6中的系统有更多的安全阀，这将有助于压力响应突然变化。管道布置影响符合性表达量。

3.3典型的推力系统比较

为了进一步深入研究推力液压系统的合规性，对三种不同类型的盾构掘进机在不同施工场地的三种盾构掘进机的合规性进行了详细的比较。它们具有相同的公称直径和推力。在这些机器中采用了相应的推力液压系统的类型。三型推力液压系统的主要参数为表1 。

这三个系统的合规性可以通过公式计算（1）。然而，它是很难得到的解析解的变量的定义表达式中，由于液压系统的非线性。由于数值模拟技术，它使的可能性。在这里，我们建立了各系统的模型并进行仿真在AMESim环境得到各变量的数值解。在软件中采用碰撞模型生成突发负载。首先，液压缸在正常速度和压力下延伸。突然，质量弹簧阻尼模型碰撞，和标准的过程中要分析开始。相关的参数和它们的值在文献[ 11 ]。应注意的是，合规过程中的变量是随时间变化的突然负载响应。我们考虑到符合标准的特点，在0.1秒后的突然负载作用。计算结果如表2所示。可以看出，Ⅱ型系统具有最佳的合规性，而Ⅲ型系统的最大值是最小的。在第二类系统中，每一组都有一个溢流阀，其定义表达式中的一般体积变化也随之增加。

1. 合规为基础的推力系统设计

由于在突

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