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液压外文翻译

外文翻译文献

译文：

液压系统的合规性和推力系统的设计及其应用

液压系统的合规性和推力系统的设计及其应用

Complianceofhydraulicsystemanditsapplicationsinthrust

systemdesignofshieldtunnelingmachine

SHIHu,GONGGuoFang,YANGHuaYong&MEIXueSong

SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China

StateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,Hangzhou310027China

ReceivedJanuary4,2013;acceptedApril7,2013;publishedonlineMay16,2013

摘要

液压系统最重要的性能为拥有适应外部负载突然变化的能力。

由于该标准根据任务有不同要求，现有液压系统设计分析方法无法应用在机械系统上。

在本文中，液压系统的合规性表达了液压系统在突变负载下操作的可靠性。

因为在盾构掘进机在开挖过程中载荷可能突然发生变化，所以要从理论中得出推进液压系统的正确应用。

通过分析基本工作原理和推力液压系统中常用的架构，得出一个基于合规性的推进液压系统的设计方法。

此外，对一个隧道工程实例进行研究，阐述了设计过程的验证。

总之，液压系统的合规性可以作为冲击负荷的能力评价，为盾构掘进机液压推进系统的设计提供支持。

关键词：

合规性，液压系统，冲击负荷，推力系统设计，盾构掘进机

1引言

由于液压系统拥有高耐久性，高利用率比和快速响应等优点，所以液压驱动系统已在各种不同的应用和行业起着非常重要的作用。

特别是重型机器在不理想或者极端的条件下操作。

在工程机械中，液压传动是最好和最独特的解决方案。

在工程中一个重要问题是如何确保执行器与环境之间的良性互动，因为工程中液压系统受冲击载荷较大是不可避免的，在这种情况下，液压系统应顺应其上施加的外部负载，通过一个稳定的手段尽可能的减少这种能量的影响和稳定所需达到的工作压力。

在正常条件下的冲击产生的不良影响力量可能使一个稳定的操作系统不稳定，甚至会对系统造成巨大的损害。

过渡运动期间，稳定的影响可以从两个观点来说明[1-4]：

（i）研究动态响应特性，建立闭环控制系统用以测试压力和流量；（ii）提高系统的能量存储，消除液压冲击或载荷。

然而，到现在为止没有参数或变量可用于定义和评估系统是否好到能拥有在特定恶劣环境下工作的能力，无论是定量或定性。

液压系统的合规是处理这个问题的方法，这时，就需要解决如何有效地给液压系统减少外部冲击载荷带来的危害这个问题。

顺应性理论和机械系统的相应的评价方法已被研究人员经常关注。

许多研究成果已应用于工业领域[5]。

这些调查主要应对工业机器人和机器人，考虑了机构的刚度或灵活性和保证运动服从操作环境，进行合规控制。

例如，插入螺栓在装配过程中。

不幸的是，液压系统中的依从性依旧很差，因此机械系统的设计和分析是不适用于液压系统。

盾构掘进机是建造不同地质条件下隧道的现代工程机械。

推进系统是机器的一个关键部分，液压驱动系统为其提供动力[9]。

地下条件复杂，通常不可预知，推力系统可能被暴露在极端的工作条件下和遇到的各种冲击载荷，如机器前方的岩石对机器的力。

推力系统的合规是一个最明显的问题，需要解决的过程中的推力。

一些研究人员已经对盾构掘进机的进行新的分析和设计。

他们确定了机械系统的刚度和接触面[10]等接触刚度。

这主要是机械结构和部分负荷的传输特性，所以相关调查不能适用的液压致动器，由于其不同的动态过程。

本文的主要目的是开发一个定义，液压系统的合规性评价系统，并将其应用于盾构掘进机推进液压系统。

本文的组织如下。

第2节描述的定义及液压系统的合规性的数学描述。

在3节中，液压系统的合规性和盾构掘进机推进液压系统的设计分析中发现的典型应用。

基于合规性的推进液压系统设计为一个特定的网站建设具有复杂的地质层在4节进行，包括与现有系统的兼容性能比较。

最后，结论在第5节。

2.1液压系统合规性

为了研究液压系统的合规性，参数是以物理参数组合的表达方式定义。

定义中确定液压系统的兼容性能的因素有很多。

液压系统的合规是一个负载突然变化条件下的适应能力的评价体系和负载的影响的评价体系。

它是根据剧烈变化的负荷下的总体积的变化和工作压力对总体积和压力的变化而给定的液压系统的比例表示。

如下，

C代表的合规性和无量纲，V和

一般量及其变化，分别，

是正常的工作压力，

压力变化，并遵守时间

。

以下应该注意。

（1）负载突然变化意味着外部施加的力对液压系统是足够大，从而产生一个非常高的工作压力，系统打开安全阀。

小的压力波动发生在正常的操作条件下与本研究无关。

（2）总体积的变化不仅包括负载的影响所导致的闭式液压室的扩张，也包括通过减压阀在4T持续时间的瞬时流量的总和。

换句话说，流量及其变化，本研究采用的是动态的而不是静态的对象。

图1在负载突降下合规的液压控制系统

该图展示的负荷变化，体积变化和突然的负载的关系，如图1所示。

上部和下部的阴影区分别是指一般的体积和压力的变化。

在这种方式中，液压系统的顺应性可以作为一个能量转化和释放过程。

根据物理知识，存在一个方程

其中p是液压系统的工作压力，A是液压缸的活塞面积和距离，

是由于活塞产生突然的负载。

事实上，当液压系统的工作压力高于正常值遇到突然负荷后，负载峰值开始做工作，导致总体积的变化。

因此，能源突发载荷消散。

可以从图1中C等于两个孵化地区看到的比率。

显然，更大的C值表明依从性好的液压系统。

图1说明了液压系统的合规性相符原理水力学系统

（1），在突加负载在理论上，但总的体积通常是不可测的。

所以这是评价一个液压系统的合规性直接由这种表达很困难。

另一方面，当液压系统工作，我们会一如既往地专注于系统和环境之间的相互作用。

液压系统的性能是一个宏观，大多认为由外部力和工作压力影响。

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。

显示外部负载的变化和工作压力的变化之间的关系，如式所示（3）。

它清楚地表明了冲击载荷的传递和减少从外部环境的影响通过液压系统，如图2所示图。

合规性评价指标可以被定义为

是外力作用于液压系统的变化，

是液压系统的工作压力变化的测量，A是有效作用面积的液压执行器。

图2冲击载荷传递和减少示意图

图2给出了方程组的表达一个简单的图形化（3）。

正常情况下，外力施加在液压系统，突然，外力变化为2f0。

由于合规冲击载荷传递和减少示意图见图2

液压系统的工作压力，通过转换得到的等效力1.5f0。

因此，根据施加外力为2f0液压系统，变化幅度进行比较。

显然，合规与外部载荷密切相关。

事实上，

（1）和（3）从不同的角度描述了液压系统的合规性，它们的理论相互支持。

根据定义，一个更大的总体积的变化和一个较小的压力变化总是意味着更大的C和C’的值。

后者是前者的一个反射方面的映射和反应负荷的表达。

基于负载突然变化[11]液压动态响应分析，我们可以得到

其中K是一个系数的影响因素与他在下一节讨论。

2.2影响因素

根据式

（1），变量

是确定液压系统的合规性最重要的因素。

因为同样的负荷变化而进行的体积变化，使液压系统瞬间积累的能量得到释放，实现更好的依从性。

根据定义，我们可以得到

其中q是在遵守时间相应的总体积变化的总流量，QR是总流量通过减压阀，β是液压流体的有效体积模量，和QL是其他同等流量在履约过程中，包括泄漏流体。

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，减压阀的结构参数，液压管路，和在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[11]：

1）有效体积模量确定液压系统的响应速度。

一个更高的有效体积模量使系统响应负载的变化越来越快，因此，它减少了液压系统的合规性。

2）一个减压阀，一个更大的开口直径会产生一个较小的液压阻力。

因此，它可以容纳更多的溢出量，提高液压系统的合规性。

3）液压管的直径和长度以及蓄电池的容量与封闭的操作室系统的量直接相关。

显然，增大体积可以受益的液压系统的合规性。

3推力系统及其合规

盾构掘进机进行开挖，放电，安装和其他程序。

然后在隧道中实现自动化施工。

作为盾构机的关键部件，推力系统执行掘进机在隧道中向前的任务。

由于需要巨大的力，推力系统专门用液压驱动系统。

盾构机会遇到意想不到的地质层，所以难免会遇到突然变化的冲击负载。

在这些恶劣条件下推进液压系统非常重要，它可以由系统符合描述。

当液压系统依从性差，盾构掘故障甚至发生事故在隧道。

因此，推进液压系统性考虑如下。

图3推进液压系统的基本原理示意图

图4液压缸截面分布

3.1推力系统的基本原则

由于盾构机需要很大的前进的动力，推进系统的执行器基本上是由液压缸安装在圆柱形屏蔽体的横截面上，圆周方向按组分间隔如图4所示。

针对其特殊的功能，推进液压系统采用盾构掘进机在本质上是阀控缸液压系统的典型类型。

控制阀通常分为压力和流量控制类型。

它依赖于顺序推力系统的两种不同的控制模式，以满足不同操作条件下的特殊要求。

在某些情况下，复合控制策略，以达到更好的施工性能[12]是必要的。

虽然推力系统由多组液压缸组成，信托的监管方式。

所以他们可以被视为一个整体柱的截面积等于各一组的缸。

换句话说，无论推进液压系统是如何复杂，其原理可简化为图3中的图表示。

因此，对阀控缸液压系统的数学模型，可以得到如下。

气缸的流动方程为

在QL的气缸内的流动，一个有效的工作区，

X气缸的位移，该泄漏系数，v总作用量，并β有效体积模量。

气缸的动力学方程

m是运动部件的总质量，

是粘性阻尼系数，从外部负载力，

是外部负载力，

突然的冲击载荷

3.2架构的推力系统

虽然推进液压系统基本上是一个阀控缸系统，阀和气缸在这里分别指的是阀组和气缸组。

阀门与气缸组在推进液压系统中产生巨大的力来克服在掘进工作面应用负载。

推力系统不仅可以驱动盾构机执行向前的任务，而且还控制盾构机姿态，确保盾构推进沿期望路径，从而构建正确的隧道线。

事实上，前者的功能是推力系统中的所有液压缸同步伸缩，后者控制行动是由许多液压缸组[13]的协调控制来实现的。

一般来说，在现场的盾构掘进机液压缸分为在横截面的圆周方向的四组，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，落在A组，B组，C组和D组，在现实中，液压缸的总人数不是一成不变的，它是在设计阶段确定的和非常依赖于特定的地质条件。

最后，装上相应的气缸组成的阀门，如图5至7所示，CV是控制阀。

盾构偏航和俯仰角可以通过A组与B组和C组、D组执行器的协调控制。

图5至图7显示了典型的推进液压系统类型的结构，其中，A，B，C，D分别代表相应的四组。

所有三种类型有四个控制阀组控制每一组致动器。

像其他工业液压系统，他们都配备有减压阀来管理负载突然变化的条件。

此外，也有一些差异，导致不同的合规体系布局。

I型系统，只有一个泄压阀的整缸。

对于每一组，没有溢流阀。

所有的执行器的四组共享相同的救济渠道。

相反，II型系统有四个泄压阀为执行器的每一个组。

当一组经历突然的负载变化时，它可以很容易地打开自己的安全阀，与前两者不同，III型只有对整个系统的一个减压阀，唯一的安全阀必须满足两个气缸组和液压系统主回路的要求。

根据依从性的影响因素，泄压阀和液压管线紧密与推进液压系统的依从性相关。

显然，这三种类型的推进液压系统在上面这两个方面的不同。

例如，图6中的系统具有更高的安全阀，这肯定会有助于负载突然变化的压力响应。

管道的布局影响依从性的表达量。

图5液压系统原理图工具图：

I型

图6液压系统原理图工具图：

II型

图7液压系统原理图工具图：

III型

3.3比较典型的推力系统

为了推进液压系统符合，进一步调查得出的三种类型的推进液压系统的依从性进行了详细的比较，介绍了三种类型的盾构机在不同的网站建设工作。

他们有相同的公称直径和推进速度。

这些机器采用的是推进液压系统对应的类型。

三种类型的推进液压系统的主要参数是表1中列出的[11]。

三个系统的合规性可以通过公式计算

（1）。

然而，它是很难定义的表达由于液压系统的非线性获取变量的解析解。

由于数值模拟技术，它使存在可能性。

在这里，我们建立了各系统的模型并进行仿真，AMESim软件环境获得的每个变量的数值解。

突然的负载是由软件中使用的碰撞模型产生的。

首先，液压缸是在正常的速度和压力的延伸。

突然，质量与弹簧阻尼器模型的碰撞，得出的值与标准过程进行分析，相关的参数和它们的值在文献[11]。

应该指出的是，合规的过程和变量与突然的负载响应时间不同。

我们考虑荷载作用后，突然的负载兼容0.1的特征。

计算结果如表2所示。

可以看出，Ⅱ型系统具有所有的Ⅲ型系统的C值最好的依从性是最小的。

有一个救济在II型系统各阀组，并在定义表达的总体积的变化是逐渐增加。

推进液压系统在突变负载下的响应特性进行评价合规性，我们可以设计一个理想的、特定的负载条件下考虑合规体系。

在这一部分中，我们将处理情况为基础推力的设计及其应用。

4.1设计程序

一个好的盾构掘进机应配备一个推进液压系统，适用于特定的地质条件和相应的外部负载。

基于合规性的推进液压系统是实现这一目标的设计。

设计程序的流程图如图8所示。

在设计之前，我们必须得到详细的施工场地的地质信息。

然后，我们可以计算出的推力负荷和选择最佳的系统结构以及参数。

推进系统根据客户所要求的稳定性和其他特性的考虑。

合规的计算在负载突变非常集中的工作条件下，在正常情况下是不关心。

当系统参数，根据具体情况确定，其关键影响因素，将被认为是这样，我们可以得到几组值构建可能的液压系统，并进行计算的潜在性。

一系列可选的系统中，用最好的合规系统最终采用和验证，给出了相应的地质条件。

事实上，液压系统的待定参数值是不连续的，并由授权机构建立了设计标准必须遵循的。

因此，计算的依从性对不同系列的标准参数值组合的基础上进行的。

由系统参数与器件参数相结合，一系列相对优化得到的系统为合规。

通过这种方式，与预期符合可以得出系统。

图8液压系统的设计符合流程图

4.2案例研究

盾构机在极其复杂的地质环境工作，与预期符合的推进液压系统是至关重要的。

如图9所示，沿着隧道设计轴线，有许多不同种类的土壤和岩石覆盖，还有丰富的地下水。

图9中给出的设计程序，我们将设计一个推进液压系统匹配在图9所示的地质条件造成的负荷。

为了使一个清晰的对比，对盾构机直径是本设计的情况下被认为是约6米。

从图9可以，盾构机已挖掘通过六层，从粘土花岗岩第一百环第四百环中看到。

每个开挖面土体硬度不均匀，此外，盾构机穿越水位以下土层。

在这种复杂条件下的隧道，它是经过突变负荷是必然的。

实际的负载力施加的推力系统描述为固体线图10。

可以看出，负载变化剧烈和异常大的变化存在着第二百五十环。

根据计算的结果符合，Ⅱ型结构系统是最好的。

因此，我们引入了这一基本结构设计系统。

假设推力速度为6厘米/分钟，进行计算。

液压系统由16个油缸通过3＋4＋4＋5模式分组。

为了提高标准的性能，开裂压力37MPa，与一个5升的体积累加器溢流阀设置为一组。

基于给定的地质条件如图10所示。

由于外部负载的情况下，进行合规性评价指标计算和比较。

如前所述，山负荷变化很大，最大值为1.5倍正常水平。

相应的方程（3），如果负载突然变化被表示为一个单位，然后再由系统产生的推力为0.69。

因此，它可以从图10，地质条件为基础的柔度可以写为1/0.69。

在突然变化的部分，外部负载的峰值下降到69%。

事实上，这种推进液压系统已被应用在大型多功能试验台盾构掘进机掘进。

应当指出的是，通常情况下负载力变化比较平滑，除了在中间部分的突然变化。

基于柔度的定义，很容易推断，这两个部分遵守不一样的函数。

此外，基于特定的地质条件，合规性评价的结果也呈现在图11。

研究结果表明，I，II和III是1/0.86，1/0.79和1/0.92（分别在负载突然变化的部分）。

很显然，地质评价结果根据式（3），基于公式的计算结果吻合良好

（1）。

图9一个典型的施工现场地质剖面

图10液压系统的设计符合性评价

图11液压系统的设计符合性评价

5结论

在本文中，液压系统的合规性的定义及其相应在表达式中（压力和体积变化的液压系统）提出了。

对盾构掘进机推进液压系统，符合系统的设计进行了研究，解决遇到的问题，在极端的工作条件下由于地质环境恶化。

通过理论分析和典型地质条件为基础的推进液压系统的计算，可以得出如下结论。

合规性提出的液压系统在发生巨大的突变负载情况下是一种非常有效的评价指标，所以作为设计一个液压推进系统时必须考虑的重要特征。

II型结构的推进液压系统比I型和III在同一标准的下，有更好的依从性。

施工现场的一个典型的地质条件评价结果表明，II型系统可以减少突变负荷峰值为79%，优于其他推进系统明显。

基于合规性的液压推进系统的设计，必须满足一个盾构机能够安全的穿越极端的地质层。

按照本文提出的设计程序，一个在特定的地质条件下，设计出的液压推进系统的合规性可达到约1/0.69。

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