摘要：推进系统是盾构机的关键系统之一。本文阐述了盾构机推进液压系统的原理。利用AMESim仿真工具对该系统进行了仿真。仿真结果表明常规压力控制会引起流量的剧烈波动，常规流量控制又会引起压力波动，而压力流量复合控制方式既可以进行压力闭环控制又可是进行流量闭环控制，从而减小压力和流量的波动，达到对推进压力和推进速度的实时控制的目的。
关键词：盾构机，推进液压系统，压力流量复合控制；AMESim仿真1.前言
盾构掘进机是一种用于地下隧道工程开挖的复杂机电系统，具有开控切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，比之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势，有着良好的综合效益。
推进系统承担着整个盾构机械的顶进任务，要求完成盾构掘进机的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动，使得盾构掘进机能沿着事先设定好的路线前进，是盾构机的关键系统之一。
考虑到盾构掘进机具有大功率、变负载和动力远距离传递及控制特点，其推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配及控制。
本文针对盾构推进液压系统的工况要求采用AMESim仿真工具进行了系统的相关分析研究。仿真结果对实际系统的设计具有重要意义。
2推进液压系统原理介绍
盾构机推进液压系统原理图如图1所示。比例溢流阀3调节液压缸压力，达到压力控制；比例调速阀14来调节进入系统的流量，达到速度控制；三位四通电磁阀12实现推进缸的推进、后退和停止状态；插装阀1可以为推进油缸的快速运动时提供快速流通通道，减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装13可以实现为推进缸快速退回提供快速流通通道，减小液压油回程阻力。溢流阀10可以对系统起缓冲作用，当液压缸进行推进的瞬间进油口会出现瞬时的过载，这样溢流阀就会立即开启形成短路，使进、回油路自循环，过载油液得到缓冲；二位二通阀7通电可以对故障中液压缸进行卸载检修，减小卸载中的压力冲击。阻尼孔用来调节插装阀的开启速度，改变插装阀的静动特性和减小液压冲击，同时可防止二位二通阀7卸载时产生的压力冲击。阻尼孔的直径范围一般为0.8～2.5mm。
3推进液压系统仿真分析
3.1仿真模型
盾构推进时，系统的插装阀1处于关闭状态，三位四通阀12置于右位，液压油通过比例调速阀14和三位四通阀12流入液压缸无杆腔，有杆腔液压油通过三位四通阀12和比例溢流阀1流回油箱。当盾构掘进时，插装阀1打开，三位四通阀12置于左位，液压油流入液压缸有杆腔，使油缸回退。通过比例液流阀和比例调速阀来设定系统的压力和调节系统的速度。为简化分析且便于仿真的进行可以省略插装阀1，插装阀13和三位四通阀12，得到简化原理图如图2所示。
利用AMESim建立系统简化的仿真原理模型图如图3所示。液压输入取恒压输入模型PRSEC，作为执行元件的液压缸选用系统模型HJ010，管道选用系统HL000[5]。由于AMESim软件自身没有带比例调速模型阀和比例压力阀模型，故利用HCD（液压元件设计模块）建立其HCD模型如图3所示。
仿真时压力达到设定8.5Mpa时，负载速度从0载速度上升到0.001mm/s，负载力设定为常数：12361N。
3.1.1推进压力开环控制仿真
流量阀的流量设定为11.4L/min，压力阀为10.5Mpa，当液压缸压力达到8.5Mpa时负载速度从0上升到0.001m/s。压力阀在100s时调节为10.5Mpa，200s时调节到9.0Mpa。图4为调整压力时液压缸压力图和流量曲线图。其中1＃曲线为液压缸压力变化曲线，2＃曲线为液压缸流量变化曲线。
压力上调时，液压缸速度出现上升的较大波动，直到压力达到调压阀设定的新压力值。压力下调时，液压缸速度出现下降较大的波动直到压力达到调压阀设定的新压力值。因此，液压缸调节压力时应缓慢进行，防止缸速度变化太大。
3.1.2推进流量开环控制仿真
流量阀的流量设定为11.4L/min，压力阀为10.5Mpa，当压力达到设定值8.5Mpa后负载速度从0上升到0.001m/s。流量阀在100s时调节为11.4L/min，200s时调节到5.7L/min。负载速度在100s时调节为0.0005m/s，200s时调节为0.001m/s。图5为调整流量时液压缸压力和流量曲线图。其中1＃曲线为液压缸压力变化曲线，2＃曲线为液压缸流量变化曲线。
上调流量时，液压缸速度上升波动，压力有微小变化。下调流量时，液压缸速度下降波动，压力已有微小变化。液压缸压力微小变化取决于比例溢流阀溢流量的变化。
从图4和图5的仿真结果可以看到，单纯的压力控制会引起流量波动，单纯的流量控制又会引起压力的波动，两者都不能达到很好的控制效果。