摘要：對(duì)當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)所采用的流量計(jì)和串聯(lián)檢測(cè)液壓缸 2 種超挖量間接檢測(cè)方法，分析其液壓控制系統(tǒng)原理，推導(dǎo)出各自的超挖量計(jì)算模型。綜合考慮傳感器測(cè)量誤差和累計(jì)測(cè)量誤差，研究分析 2 種檢測(cè)方法的誤差來源及誤差消除措施。分析結(jié)果表明，串聯(lián)檢測(cè)液壓缸方法能夠有效消除累計(jì)測(cè)量誤差，且位移傳感器的測(cè)量精度較流量計(jì)要高很多，其超挖量檢測(cè)精度明顯高于流量計(jì)檢測(cè)方法。
超挖刀系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部件，是為盾 構(gòu)機(jī)曲線掘進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、糾偏而設(shè)計(jì)，通過超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏[1]。
1 超挖刀裝置概況
超挖刀安裝在刀盤的邊緣 (見圖 1)，通過液壓缸來控制超挖刀的伸縮。盾構(gòu)機(jī)在轉(zhuǎn)向掘進(jìn)時(shí)，可操作液壓缸使超挖刀沿刀盤的徑向伸出，擴(kuò)大開挖直徑，以便于盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)向。
如果盾構(gòu)機(jī)刀盤外周全體超挖，不對(duì)伸出量進(jìn)行控制，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)向容易，但方向難以控制，且對(duì)土體擾動(dòng)大，會(huì)造成較大的土體沉降[2-3]。常用的盾構(gòu)機(jī)大多具有超挖刀伸出量控制功能，并且超挖刀系統(tǒng)設(shè)置有位移檢測(cè)裝置，超挖刀能夠根據(jù)需要將切削刀頭突出刀盤外周一定長(zhǎng)度，使旋轉(zhuǎn)刀盤在局部范圍完成超挖 (見圖 2)，滿足盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)向的需要。
2 液壓控制系統(tǒng)原理及分析
目前盾構(gòu)機(jī)超挖刀位移檢測(cè)裝置分為 2 種，直接檢測(cè)和間接檢測(cè)。直接測(cè)量是在超挖刀液壓缸上安裝位移傳感器，如鐵建重工生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，但信號(hào)需要通過旋轉(zhuǎn)接頭傳遞，存在信號(hào)衰減和干擾問題，難以保證測(cè)量準(zhǔn)確度，因此很少采用[4]。間接測(cè)量主要有 2 種設(shè)計(jì)方案。一種是在超挖刀液壓缸其中一個(gè)油路上串聯(lián)流量計(jì)，如日本小松生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，通過檢測(cè)液壓油的流量和時(shí)間，計(jì)算油液體積變化，間接檢測(cè)超挖刀液壓缸的伸出量，檢測(cè)原理如圖 3 所示。換向閥 1 實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮控制，當(dāng)超挖刀伸出/ 縮回時(shí)，右/ 左位接入系統(tǒng)。單向節(jié)流閥 2 調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮速度，液壓鎖 3 實(shí)現(xiàn)液壓缸位移的鎖定。流量計(jì) 4 與超挖刀液壓缸 6 有桿腔串聯(lián)，超挖刀液壓缸伸出/ 縮回時(shí)，通過流量計(jì)測(cè)得進(jìn)入液壓缸的流量，計(jì)算出液壓缸有桿腔體積變化，除以有桿腔有效面積，即可間接計(jì)算出超挖刀的位移量。
另一種方案是在超挖刀液壓缸油路有桿腔串聯(lián)一個(gè)檢測(cè)液壓缸，利用超挖刀液壓缸和串聯(lián)的檢測(cè)液壓缸之間流量相等的原理，間接測(cè)量超挖刀液壓缸的位移。中鐵裝備和德國海瑞克生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)多采用該方案，其檢測(cè)原理如圖 4 所示。
當(dāng)超挖刀伸出時(shí)，電磁換向閥 1 右位接入系統(tǒng)，同時(shí)電磁換向閥 8 得電。油液經(jīng)主電磁換向閥 1、單向節(jié)流閥 2、平衡閥 3、旋轉(zhuǎn)接頭 4 進(jìn)入超挖刀液壓缸無桿腔。超挖刀液壓缸有桿腔的油液經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭 4、平衡閥 3、換向閥 8 右位，進(jìn)入檢測(cè)液壓缸無桿腔，將超挖刀液壓缸的有桿腔和檢測(cè)液壓缸的無桿腔之間串聯(lián)起來。檢測(cè)液壓缸有桿腔的油液經(jīng)單向閥和主電磁換向閥 1 或電磁換向閥 8 回油箱。當(dāng)超挖刀縮回時(shí)，主電磁換向閥 1 左位接入系統(tǒng)，同時(shí)電磁換向閥 8 失電。油液經(jīng)主電磁換向閥 1 左位、電磁換向閥 8 左位、平衡閥 3、旋轉(zhuǎn)接頭 4 進(jìn)入超挖刀液壓缸的有桿腔。超挖刀液壓缸無桿腔的油液，經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭 4、平衡閥 3、主電磁換向閥1回油箱。當(dāng)超挖刀液壓缸完全縮回后，超挖刀液壓缸有桿腔油壓升高，順序閥 9 打開，油液進(jìn)入檢測(cè)液壓缸小腔；檢測(cè)液壓缸大腔油液經(jīng)電磁換向閥 8 及單向閥回油箱，直到檢測(cè)液壓缸完全縮回。
4 誤差量分析
4.1 流量計(jì)法測(cè)量誤差分析
使用流量計(jì)的盾構(gòu)機(jī)超挖量間接測(cè)量方法，誤差主要有測(cè)量誤差和累計(jì)誤差兩部分。測(cè)量誤差從超挖量的計(jì)算公式分析，其計(jì)算精度主要取決于流量計(jì)的檢測(cè)精度，精度#高的容積式流量計(jì)測(cè)量誤差也在 0.05％ 以上。
由于液壓缸在重復(fù)伸縮的過程中，存在一定程度的內(nèi)泄，液壓缸多次伸縮動(dòng)作后，測(cè)量位移與實(shí)際位移也會(huì)存在較大的累積誤差，準(zhǔn)確度會(huì)逐步降低。
4.2 串聯(lián)檢測(cè)液壓缸法測(cè)量誤差分析
串聯(lián)檢測(cè)液壓缸的盾構(gòu)機(jī)超挖量間接測(cè)量方法，由于超挖刀收回時(shí)液壓缸完全縮回，可以消除累計(jì)誤差，因此測(cè)量誤差主要為計(jì)算誤差。
超挖量的計(jì)算精度主要取決于位移傳感器的檢測(cè)精度。傳感器的測(cè)量誤差小于 0.02%，重復(fù)誤差不超過滿量程的±0.001%。雖然液壓缸在伸縮的過程中存在一定程度的內(nèi)泄，但是由于系統(tǒng)的順序動(dòng)作設(shè)計(jì)，可以保證超挖刀液壓缸的完全縮回，消除累計(jì)誤差。這種檢測(cè)方法精度較高，目前被廣泛采用。
5 結(jié)語
對(duì)目前盾構(gòu)機(jī)常用的流量計(jì)檢測(cè)和串聯(lián)檢測(cè)液壓缸 2 種超挖量間接檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，研究了 2 種方法的檢測(cè)原理和誤差形成機(jī)理及誤差來源，得出以下結(jié)論。
(1) 流量計(jì)檢測(cè)方法的誤差來源主要是流量計(jì)的測(cè)量誤差和累計(jì)測(cè)量誤差。實(shí)際工作中，流量計(jì)的測(cè)量誤差難以消除，而且該方法又缺少消除累計(jì)誤差的有效措施，因此超挖量檢測(cè)精度較低，且檢測(cè)精度會(huì)隨著累計(jì)誤差的增大而進(jìn)一步降低。
(2) 串聯(lián)檢測(cè)液壓缸方法可有效消除累計(jì)測(cè)量誤差，其誤差來源是位移傳感器的測(cè)量誤差。由于位移傳感器的測(cè)量精度比流量計(jì)的測(cè)量精度高很多，因此該方法的檢測(cè)精度要明顯高于流量計(jì)檢測(cè)方法。
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