摘要：對當前盾構機所采用的流量計和串聯檢測液壓缸 2 種超挖量間接檢測方法，分析其液壓控制系統原理，推導出各自的超挖量計算模型。綜合考慮傳感器測量誤差和累計測量誤差，研究分析 2 種檢測方法的誤差來源及誤差消除措施。分析結果表明，串聯檢測液壓缸方法能夠有效消除累計測量誤差，且位移傳感器的測量精度較流量計要高很多，其超挖量檢測精度明顯高于流量計檢測方法。
超挖刀系統是盾構機的重要組成部件，是為盾 構機曲線掘進、轉彎、糾偏而設計，通過超挖切削土體創造所需空間，保證盾構機在超挖少、對土體干擾小的條件下，實現曲線推進和順利轉彎及糾偏[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。盾構機在轉向掘進時，可操作液壓缸使超挖刀沿刀盤的徑向伸出，擴大開挖直徑，以便于盾構機的轉向。
如果盾構機刀盤外周全體超挖，不對伸出量進行控制，盾構機轉向容易，但方向難以控制，且對土體擾動大，會造成較大的土體沉降[2-3]。常用的盾構機大多具有超挖刀伸出量控制功能，并且超挖刀系統設置有位移檢測裝置，超挖刀能夠根據需要將切削刀頭突出刀盤外周一定長度，使旋轉刀盤在局部范圍完成超挖 (見圖 2)，滿足盾構機轉向的需要。
2 液壓控制系統原理及分析
目前盾構機超挖刀位移檢測裝置分為 2 種，直接檢測和間接檢測。直接測量是在超挖刀液壓缸上安裝位移傳感器，如鐵建重工生產的盾構機，但信號需要通過旋轉接頭傳遞，存在信號衰減和干擾問題，難以保證測量準確度，因此很少采用[4]。間接測量主要有 2 種設計方案。一種是在超挖刀液壓缸其中一個油路上串聯流量計，如日本小松生產的盾構機，通過檢測液壓油的流量和時間，計算油液體積變化，間接檢測超挖刀液壓缸的伸出量，檢測原理如圖 3 所示。換向閥 1 實現液壓缸的伸縮控制，當超挖刀伸出/ 縮回時，右/ 左位接入系統。單向節流閥 2 調節液壓缸的伸縮速度，液壓鎖 3 實現液壓缸位移的鎖定。流量計 4 與超挖刀液壓缸 6 有桿腔串聯，超挖刀液壓缸伸出/ 縮回時，通過流量計測得進入液壓缸的流量，計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一個檢測液壓缸，利用超挖刀液壓缸和串聯的檢測液壓缸之間流量相等的原理，間接測量超挖刀液壓缸的位移。中鐵裝備和德國海瑞克生產的盾構機多采用該方案，其檢測原理如圖 4 所示。
當超挖刀伸出時，電磁換向閥 1 右位接入系統，同時電磁換向閥 8 得電。油液經主電磁換向閥 1、單向節流閥 2、平衡閥 3、旋轉接頭 4 進入超挖刀液壓缸無桿腔。超挖刀液壓缸有桿腔的油液經旋轉接頭 4、平衡閥 3、換向閥 8 右位，進入檢測液壓缸無桿腔，將超挖刀液壓缸的有桿腔和檢測液壓缸的無桿腔之間串聯起來。檢測液壓缸有桿腔的油液經單向閥和主電磁換向閥 1 或電磁換向閥 8 回油箱。當超挖刀縮回時，主電磁換向閥 1 左位接入系統，同時電磁換向閥 8 失電。油液經主電磁換向閥 1 左位、電磁換向閥 8 左位、平衡閥 3、旋轉接頭 4 進入超挖刀液壓缸的有桿腔。超挖刀液壓缸無桿腔的油液，經旋轉接頭 4、平衡閥 3、主電磁換向閥1回油箱。當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，油液進入檢測液壓缸小腔；檢測液壓缸大腔油液經電磁換向閥 8 及單向閥回油箱，直到檢測液壓缸完全縮回。
4 誤差量分析
4.1 流量計法測量誤差分析
使用流量計的盾構機超挖量間接測量方法，誤差主要有測量誤差和累計誤差兩部分。測量誤差從超挖量的計算公式分析，其計算精度主要取決于流量計的檢測精度，精度#高的容積式流量計測量誤差也在 0.05％ 以上。
由于液壓缸在重復伸縮的過程中，存在一定程度的內泄，液壓缸多次伸縮動作后，測量位移與實際位移也會存在較大的累積誤差，準確度會逐步降低。
4.2 串聯檢測液壓缸法測量誤差分析
串聯檢測液壓缸的盾構機超挖量間接測量方法，由于超挖刀收回時液壓缸完全縮回，可以消除累計誤差，因此測量誤差主要為計算誤差。
超挖量的計算精度主要取決于位移傳感器的檢測精度。傳感器的測量誤差小于 0.02%，重復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泄，但是由于系統的順序動作設計，可以保證超挖刀液壓缸的完全縮回，消除累計誤差。這種檢測方法精度較高，目前被廣泛采用。
5 結語
對目前盾構機常用的流量計檢測和串聯檢測液壓缸 2 種超挖量間接檢測方法進行了對比分析，研究了 2 種方法的檢測原理和誤差形成機理及誤差來源，得出以下結論。
(1) 流量計檢測方法的誤差來源主要是流量計的測量誤差和累計測量誤差。實際工作中，流量計的測量誤差難以消除，而且該方法又缺少消除累計誤差的有效措施，因此超挖量檢測精度較低，且檢測精度會隨著累計誤差的增大而進一步降低。
(2) 串聯檢測液壓缸方法可有效消除累計測量誤差，其誤差來源是位移傳感器的測量誤差。由于位移傳感器的測量精度比流量計的測量精度高很多，因此該方法的檢測精度要明顯高于流量計檢測方法。
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