As the most significant performance, compliance of hydraulic system is defined as the capacity to accommodate the sudden change of the external load. Due to the different requirements of the compliant tasks, the existing method for mechanical systems cannot be used in the analysis and design of the hydraulic system. In this paper, the definition and expression of compliance of hydraulic system are proposed to evaluate the compliance of the hydraulic system operating under sudden change load.Because the unexpected geological conditions during excavation may exert sudden change load to the shield tunneling machine,the compliance theory has found a right application in the thrust hydraulic system. By analyzing the basic operating principle and the commonly used architectures of the thrust hydraulic system, a compliance based thrust hydraulic system design method is presented. Moreover, a tunneling case is investigated in the paper as an example to expound the validation of design procedure. In conclusion, the compliance of the hydraulic system can be served as an evaluation of the capability in conforming to the load impact, giving supports for the design of the thrust hydraulic system of shield tunneling machines.
1 Introduction
Due to their high durability, high power-to-weight ratios and rapid responses, hydraulic drive systems have been playing a very important role in a diverse range of applications and industries. Especially for the heavy-duty machines and those operating under the worst or extreme conditions, such as construction machinery, hydraulic power transmission is the best and mostly exclusive solution. An essential issue in such applications is the proper interaction between the actuator and the environment, because it is inevitable for hydraulic systems to suffer considerably heavy impact loads. In such situations, the hydraulic system should be compliant with the external load applied on it, and make a stable response as much as possible to the environment while the energy of impacts is dissipated and the desired working pressure is achieved. The transition between the normal conditions to impact response may involve undesirable impact forces that drive a stable operating system into instability or even cause great damage to the system. Stabilizing the impact effect during the transitional motion can be approached from two viewpoints: (i) Study the dynamic response characteristics of the closed control system built up with pressure or flow feedback; (ii) improve the system with the addition of an energy storage equipment to absorb hydraulic shock or load impact.
However, until now no parameter or variable is available for defining and evaluating whether the system response characteristic is good enough to get through the specific severe working conditions, either quantitatively or qualitatively. The compliance of hydraulic system just deals with this issue encountered in hydraulic power transmission, that is, how effectively a given hydraulic system can reduce the harm due to the externa impact load.
The compliance theory and the corresponding evaluation method for mechanical systems have been frequently concerned by researchers. Many research achievements have been applied to industry fields. Those investigations mainly cope with industrial robots and manipulators, considering the stiffness or flexibility of the mechanisms and performing the compliance control to ensure the force or motion to be compliant to the operating environment, e.g., inserting a bolt into a hole in an assembly process. Unfortunately, the compliance in hydraulic systems is quite a difference, so those employed in the design and analysis of a mechanical system are not applicable to the hydraulic system.
Shield tunneling machine is a modern construction machine dedicated to building up tunnels through various geological conditions. The thrust system is a key part of the machine, driven by hydraulic system because of its large force. The underground conditions are so complicated and usually unpredictable that the thrust system may be exposed to extreme working conditions and encounter impact load, like force transmitted from tunneling face with rocks ahead of the machine. Compliance of the thrust system is one of the most pronounced issues that needs to be addressed during the thrusting process. Some researchers have defined the compliance of shield tunneling machine for analysis and design. They defined the stiffness of the mechanical system and the equivalent contact stiffness of the tunnel face. This definition mainly deals with the load transmission characteristics of the mechanical structure and parts, so the related investigations cannot be applicable to the dynamic process of the hydraulic actuators due to their different focuses.
The main motive of this paper is to develop a definition and evaluation system for the compliance of the hydraulic system, and apply it to the design of thrust hydraulic system of shield tunneling machine. The article is organized as follows. Section 2 describes the definition and the mathematical description of the compliance of the hydraulic system. In Section 3, the compliance of the hydraulic system finds a typical application in analysis and design of the thrust hydraulic system of shield tunneling machine. Compliance based thrust hydraulic system design for a specific construction site characterized by complex geological layers is conducted in Section 4, including the compliant performance comparison with the existing systems. Finally, conclusions are presented in Section 5.
2 Compliance of hydraulic system
In order to investigate the compliance of the hydraulic system, an index is defined by means of an expression with combination of the physical parameters. The definition accommodates many factors that determine the compliant performance of a hydraulic system.
<stron
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</stron
柔度是液压系统最重要的性能指标，其定义为承受外部载荷突变的能力。由于柔性任务的不同要求，现有的机械系统方法不能用于液压系统的分析和设计。本文提出了液压系统柔度的定义和表达式，用以评价液压系统在突变载荷作用下的柔度。由于在盾构掘进过程中，突发性的地质条件会对盾构掘进机产生突变载荷，柔度理论在推力液压系统中得到了很好的应用。通过分析推力液压系统的基本工作原理和常用结构，提出了一种基于柔度的推力液压系统设计方法。并以隧道施工为例，阐述了设计过程的验证。综上所述，液压系统的柔度可以作为评价盾构掘进机推力液压系统是否符合载荷冲击能力的指标，为盾构掘进机推力液压系统的设计提供依据。
1 介绍
由于其高耐久性、高功率重量比和快速响应，液压驱动系统在各种应用和行业中发挥着非常重要的作用。特别是对于重型机械和那些在最恶劣或极端条件下工作的机械，如工程机械，液压传动是最好和最独特的解决方案。在这类应用中一个基本的问题是执行器和环境之间的适当的相互作用，因为液压系统不可避免地要承受相当大的冲击载荷。在这种情况下，液压系统应与施加在其上的外载荷相一致，在消耗冲击能量和达到期望的工作压力的同时，对环境做出尽可能稳定的响应。从正常条件到冲击响应之间的过渡可能涉及不希望出现的冲击力，这些冲击力会使一个稳定的操作系统变得不稳定，甚至对系统造成巨大的破坏。稳定过渡运动过程中的冲击效应可以从两个方面着手:(1)研究压力或流量反馈建立的闭环控制系统的动态响应特性;(ii)通过增加储能设备来吸收液压冲击或负载冲击来改善系统。
然而，到目前为止，还没有可用的参数或变量来定义和评估系统响应特性是否足够好，以通过特定的苛刻的工作条件，无论是定量的还是定性的。液压系统的可塑性正好解决了在液压传动中遇到的问题，即给定的液压系统如何有效地减少外部冲击载荷的危害。
机械系统的柔度理论及其评价方法一直是研究人员关注的热点。许多研究成果已应用于工业领域。这些研究主要针对工业机器人和机械手，考虑到机构的刚度或灵活性，并进行柔度控制，以确保力或运动符合操作环境，例如，在装配过程中将螺栓插入孔中。不幸的是，液压系统的柔度有很大的不同，所以那些用于机械系统设计和分析的柔度并不适用于液压系统。
盾构机是在各种地质条件下建造隧道的现代化施工机械。推力系统是机床的关键部件，因其力大而由液压系统驱动。地下条件非常复杂，通常是不可预测的，推力系统可能会暴露在极端的工作条件下，并遇到冲击载荷，比如掘进工作面与掘进机前方的岩石所传递的力。推力系统的可塑性是推力过程中需要解决的最突出的问题之一。已有研究人员对盾构掘进机的柔度进行了分析和设计。他们定义了机械系统的刚度和隧道表面的等效接触刚度。这一定义主要针对机械结构和零部件的载荷传递特性，由于研究的侧重点不同，不能适用于液压执行机构的动态过程。
本文的主要目的是建立液压系统柔度的定义与评价体系，并将其应用于盾构掘进机推力液压系统的设计中。本文组织如下。第2节介绍了液压系统柔度的定义和数学描述。第三部分是液压系统柔度分析在盾构掘进机推力液压系统分析与设计中的典型应用。第四部分针对具有复杂地质层特征的特定施工场地进行了基于柔度的推力液压系统设计，包括与现有系统的柔度性能比较。第五部分为结论部分。
2 液压系统可塑性
为了研究液压系统的可塑性，通过结合物理参数的表达式来定义指标。该定义包含了许多决定液压系统顺应性能的因素。
2.1 定义和表述
液压系统的柔度是评价系统承受突然载荷变化和载荷冲击能力的指标。它是给定的液压系统在剧烈变化的载荷作用下，一般体积变化和工作压力的乘积与一般体积和压力变化的乘积之比。也就是说,
其中C为顺从，无量纲，V和∆V分别代表总体体积及其变化，p_n为正常工作压力，∆p为压力变化，t_c为顺从持续时间。
应该注意以下几点。1)这里的突然载荷是指施加在液压系统上的外力足够大，可以产生很高的工作压力，打开系统中的安全阀。本研究不考虑正常运行条件下的微小压力波动。2)一般体积变化不仅包括因荷载冲击而导致的封闭液压腔体的膨胀，还包括在∆t持续时间内通过安全阀的瞬时流量之和的等效体积变化。换句话说，本研究中使用的体积及其变化是动态的，而不是静态的。
负荷变化、容积变化与突然负荷功之间的关系如图1所示。上阴影区和下阴影区分别表示总体积和压力的变化。这样，就可以把液压系统的柔度看作是能量转换和释放的过程。根据物理学知识，存在这样一个方程
其中p为液压系统的工作压力，A为液压缸的活塞面积，∆x为由于活塞屈服于突然载荷而产生的距离。
事实上，当液压系统工作压力在受到突然载荷后高于正常值时，载荷峰值开始做功，导致总体积的变化。因此，在突然荷载作用下瞬间积累的能量得以耗散。从图1可以看出，C等于两个阴影区域的比例。显然，C值越大，说明液压系统的顺应性越好。
图 1 液压系统在突然载荷作用下的柔度原理
式(1)从理论上解释了液压系统的可塑性，但总体积通常无法测量。因此，直接用该表达式来评价液压系统的柔度是非常困难的。另一方面，当液压系统运行时，我们会更加关注系统与环境之间的相互作用。液压系统的性能多从宏观角度考虑，主要考虑外力和工作压力。为了评估合规的液压系统的特定突然加载定量,另一个变量引入揭示外部负载变化之间的关系和工作压力变化,如情商所示。(3)它清楚地显示冲击负载传输,减少从外部环境到液压系统,,如图2所示。合规评价指标定义为
其中∆F为作用于液压系统的外力变化，∆p为液压系统实测工作压力变化，andA为液压执行机构的有效作用区域。
图2对式(3)中的表达式进行了简单的图形化说明。在正常情况下，对液压执行机构施加一个外力F_0。突然，外力变成了〖2F〗_0。由于液压系统的柔度，工作压力换算得到的等效力为1.5F0。因此，通过比较变化幅度，得出液压系统的柔度评价指标为2。显然，柔度与外部载荷密切相关，是一个给定液压系统的载荷依赖性特征。
图2 冲击载荷传递和减小的原理图
事实上，尽管eqs。(1)和(3)从不同方面描述了液压系统的柔度，在理论上是一致的。根据定义，较大的总体体积变化和较小的压力变化总是意味着较大的C和C^的值。后者是前者在作用和反应载荷方面的反映。通过对突发性荷载作用下的水力响应进行动态分析，可以得到
其中k是与下一节将要讨论的影响因素相关的系数。
2.2 影响因素
根据式(1)，变量∆V是决定液压系统柔度的最重要因素。承受相同的负荷变化，更大的体积变化允许液压系统释放更多的瞬间积累的能量，实现更好的顺应性。根据定义，我们可以得到
问在哪里总流量对应于总体积变化在合规期间,q_r总流量是通过压力释放阀,beta;是液压油的有效体积弹性模量,和其他q_L是等效流量在合规流程,包括漏流。
根据式(5)，对于一个基本的液压系统，柔度的影响因素主要包括液压油的有效体积模量、减压阀的结构参数、液压管路以及某些情况下的蓄能器。通过理论分析，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系统对载荷变化的响应速度更快，从而降低了液压系统的柔度。
2)对于减压阀，较大的开孔直径意味着较小的液压阻力。从而可以容纳更多的溢流量，增加液压系统的柔度。
3)液压管路的直径和长度以及蓄能器的容积直接关系到液压系统中封闭操作腔的容积。显然，增加容积有利于液压系统的顺应性。
3 推力系统及其柔度
盾构掘进机在钢筒盾内进行开挖、出料、安装等工序，实现隧道施工的自动化和工厂化。推力系统作为盾构的关键部件，在盾构掘进过程中起着推动盾构前进的作用。由于推力大，推力系统完全由液压系统驱动。盾构多为突发性地质层，在推进过程中不可避免地会遇到载荷突变。通过这些苛刻条件的能力对推力液压系统是非常重要的，它可以用系统的柔度来描述。当推力液压系统柔度不佳时，在掘进过程中可能发生故障甚至事故。因此，推力液压系统的柔度在本研究中考虑如下
3.1 推力系统基本原则
由于盾构掘进机的前进需要较大的动力，所以推力系统的执行机构基本上是由几组液压油缸组成，它们在盾构截面的圆周方向上按一定的间隔安装。盾构掘进机推力液压系统由于其特殊的功能，本质上是一种典型的阀控缸式液压系统。如图4所示，控制阀通常分为压力控制型和流量控制型。它依赖于推力系统的两种不同的控制方式，以满足不同工况下的具体要求。在某些情况下，为了获得更好的隧道挖掘性能，需要采用复合控制策略。虽然推力系统由许多组液压缸组成，但推力缸的调节方式是相同的。因此，它们可以被视为一个整体，其截面积等于一组中每个圆柱体的和。换句话说，无论推力液压系统有多复杂，其原理都可以通过图3所示的原理图来简化和表达。据此，得到阀控缸液压系统的数学 模型如下:
图3 推力液压系统基本原理图
推导出圆柱体的流动方程为
q_L缸流,有效工作区域,x油缸的位移,C_tc泄漏系数,V驱动总额,beta;有效体积弹性模量。圆柱的动力学方程为
其中M为运动部件的总质量，B_v为粘滞阻尼系数，F_L为外载荷力，F_imp为外界环境施加的突然冲击载荷。
3.2 推力系统组成
虽然推力液压系统基本上是阀控缸系统，但这里的阀和缸分别是指阀组和缸组。在推力液压系统中，为了产生大的力来克服施加在掘进工作面上的载荷，采用了多组阀门和气缸。该推进系统不仅完成了掘进时盾构掘进的任务，而且控制了盾构的姿态，保证盾构能够按照预期的路径进行掘进，从而完成隧道规划线的施工。实际上，前一种功能是通过推力系统各液压缸的同步扩展来实现的，后一种控制作用是通过多个液压缸组[13]的协调控制来实现的。现场应用的盾构掘进机液压油缸一般沿断面周向分为四组，如图4所示。这是典型的直径为6m的盾构推力缸分布。共有32个液压缸，可分为A组、B组、C组和d组。在实践中，液压缸的总数并不是一成不变的，它是在设计阶段确定的，并强烈地依赖于具体的地质条件。最后，每个对应的气缸组有一组阀门，如图5 - 7所示，其中CV为控制阀的缩写。盾构掘进机的偏航角和俯仰角可分
别由A组和C组、B组和D组执行机构协调控制。
图4 液压缸在盾构截面上的分布
图5 - 7为推力液压系统结构的典型类型，其中A、B、C、D分别代表相应的四组结构。这三种类型都有四个控制阀组来控制每组执行器。与其他工业液压系统一样，所有的液压系统都配有压力安全阀，以应对突然的负载变化情况。此外，还存在一些布局差异，导致了不同的法规遵循系统。在I型系统中，整个钢瓶只有一个减压阀。每个组都没有安全阀。四个组的所有执行器共享相同的救济通道。相比之下，II型系统有四个减压阀，适用于每组执行机构。当一个组承受突然的负荷变化时，它可以轻松地立即打开自己的安全阀。与前两种类型不同，III型整个系统只有一个减压阀。唯一的安全阀必须同时满足油缸组和液压系统主回路的要求。
从柔度的影响因素来看，减压阀和液压管路与推力液压系统的柔度密切相关。显然，上述三种推力液压系统在这两个方面是不同的。例如，图6中的系统有更多的减压阀，这肯定有助于对突然的负载变化做出压力响应。管道的布局影响遵从性表达式中的容积。
Figure 5 Schematic diagram of thrust hydraulic system: Type I.
Figure 6 Schematic diagram of thrust hydraulic system: Type II
Figure 7 Schematic diagram of thrust hydraulic system: Type III
3.3推力系统典型型式比较
摘要为了深入研究推力液压系统的可塑性，并对三种推力液压系统的可塑性进行详细的比较，介绍了三种不同施工现场的盾构掘进机。它们具有相同的公称直径和推力速度。这些机器采用了相应类型的推力液压系统。三种推力液压系统的主要参数如表1所示。
通过式(1)可以计算出三种系统的柔度，但由于液压系统的非线性，很难得到定义式中各变量的解析解。由于数值模拟技术，它使这种可能性成为可能。在此，我们建立了各系统的模型，并在AMEsim软件环境下进行仿真，得到各变量的数值解。该软件采用碰撞模型来产生突发载荷。首先，液压缸以正常的速度和压力延伸。突然间，质量与弹簧-阻尼器模型发生碰撞，开始分析柔性过程。参考文献[11]提供了相关的参数及其值。需要注意的是，在突然的负载响应过程中，顺应过程和变量是随时间变化的。我们考虑了突然加载后0.1秒的顺应特性。计算结果如表2所示。可以看出，II类系统的顺应性最好，而III类系统的C值最小。在II型系统中，每个组都有一个安全阀，因此增加了定义表达式中的总体容积变化。
Table 1 Main parameters of three type thrust hydraulic systems
4 基于柔度的推力系统设计
由于推力液压系统在突变载荷作用下的响应特性可以通过柔度来评价，因此我们可以通过考虑柔度来设计一个理想的隧道掘进系统。在本节中，我们将讨论基于可塑性的推力系
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[239207]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
