液压抓斗纠偏系统的建模与数值仿真

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1、上海海事大学本科生毕业设计（论文）一、引言我国60年代开始研究地下连续墙施工技术，70年代初研制了国内第一台导杆式液压抓斗，并用于上海地铁试验段漕宝路矩形隧道工程，取得了成功。地下连续墙的液压抓斗纠偏控制系统的动态特性是有效保证槽段几何尺寸和垂直度的关键。因此分析液压抓斗纠偏控制系统的动态特性显得尤为重要。功率键合图是分析复杂系统的很有效的方法。MATLAB可以对系统进行数值仿真以分析系统的机械特性。因此采用基于功率键合图以及MATLAB数值仿真可很好的分析该系统的动态性能。从而保证液压抓斗纠偏控制系统的试验性、操作性以及合理性。（一）工程背景地下连续墙开挖技术起源于欧洲。它是根据打井和石

2、油钻井使用泥浆和水下浇注混凝土的方法而发展起来的，1950年在意大利米兰首先采用了护壁泥浆地下连续墙施工，20世纪50~60年代该项技术在西方发达国家及前苏联得到推广，成为地下工程和深基础施工中有效的技术。1958年，我国水电部门首先在青岛丹子口水库用此技术修建了水坝防渗墙，到目前为止，全国绝大多数省份都先后应用了此项技术，估计已建成地下连续墙120万~140万平方米。地下连续墙的主要施工机械为液压抓斗。液压抓斗有以下优点：分槽段施工，速度快，槽幅平面长度一般在3．8～7.2米，液压抓斗挖土效率高，一幅6米宽，25米深的普通地下连续墙施工可在24小时内完成。成槽垂直精度高：液压抓斗上设有倾

3、斜仪和纠偏液压推板，随时调控成槽垂直度。适应性强：能适应各种平面多边形的地下连续墙围护结构，能与导墙成90°，60°，45°等多种角度开挖(必要时还能骑导墙开挖)。对周围环境影响小：作业噪声小、无振动、无污染。能接近构筑物施工，对周围建筑物、道路交通、地下管线的影响小。液压抓斗适用于地铁车站、地下厂房、地下车库、地下街、地下变电站、高层建筑地下室等深基坑工程及围护结构，尤其适用于在城市密集建筑群区域中进行深基坑施工。还可用于防渗墙和构筑地下深基础施工。 本抓斗适应于在N<40的粘性土、砂性土及其他土层中挖掘成槽。 目前施工的地下连续墙最大挖掘深度为42米，宽度为60～120厘米。连续墙液压

4、抓斗的基本施工方式是在拟建地下连续墙的地面上，先构筑导墙，液压抓斗沿导墙壁挖土，并以倾斜仪测定抓斗的垂直度．然后通过操作液压纠偏控制系统22上海海事大学本科生毕业设计（论文）调整液压抓斗的垂直状况，以控制成槽精度。在挖槽同时用泥浆护壁，防止壁面土体坍落。在成槽结束后，通过扫孔清孔工序，清除槽底浮土，提高墙体承载力。最后放入钢筋笼，进行水底混凝土浇筑。在施工开挖过程中抓斗往往会出现“吃软不吃硬”的现象，从而对纠偏装置提出了更高的要求。抓斗的纠偏装置在保证墙体的垂直度方面至关重要，而保证墙体的垂直度一直是地下连续墙施工过程中的一个技术难题。抓斗体内具有倾角传感器以及液压纠偏装置，可以检测并及时

5、调整抓斗体的垂直度及旋转角度从而保证良好的成槽性。当倾角超出允许值时，倾角传感器将信息发送至处理器进行处理，由处理器发出纠偏信号到横向、纵向2组液压缸，调整抓斗状态。从而有效保证墙体的垂直度。那么液压纠偏系统的动态性能就显得尤为重要，因此无论在设计、使用还是维修时都需要保证液压纠偏控制系统的动态性能良好。基于这个目的，本文就液压纠偏系统的动态特性就行数值仿真很分析。（一）液压抓斗纠偏系统分析及简化1.液压抓斗纠偏系统工作原理抓斗X轴方向（X轴方向如图1.1所示）纠偏液压系统如图1.2所示。液压抓斗是由内框和外框两大部分组成，在纠偏时是内框相对外框转动，在该图所示位置时，液压抓斗处于正常状态

6、。槽宽方向X轴方向图1.1当纠偏系统油路处于图1.3所示位置时，若抓斗需要向后纠偏，则应使图中左侧油缸缩回，此时三位阀（切换阀）、二位阀（纠偏阀）同时置为左位，这时由于右侧油缸处于行程的终点，因此虽然右侧油缸有杆腔虽然接到高压油，但不会发生动作。该状态下将抓斗内框回复中位时，则将三位阀处右位，二位阀处右位，此时左侧油缸无杆腔得油伸出，右侧油缸有杆腔接高压油，但由于其活塞处于行程终点。22上海海事大学本科生毕业设计（论文）3211－三位四通电磁阀，2－二位四通电磁阀，3－背靠背液压缸图1.2抓斗X轴方向纠偏液压系统简图当抓斗内框处于中位需向后方纠偏，则需要将三位阀置于右位，二位阀置于左位。此

7、时右侧油缸无杆腔接高压油使活塞伸出，而左侧油缸无杆腔也接高压油，但此时它已经处于行程的终点，不会产生动作。此时若需要将内框回复中位时，则将三位阀置于右位，二位阀同样置于右位，此时，右侧油缸有杆腔接高压油而缩回，左侧油缸无杆腔同样接高压油，但由于活塞已经运动到行程终点，不会发生动作。纠偏液压系统如图1.2所示（仅考虑内框相对外框转动的纠偏油路，系统处于图1.3所示状态时，抓斗内框处于中位，即0º位置）：1.液压抓斗纠偏系统