盾尾密封试验台液压调姿系统的设计与研究
李净凯１，２，郭京波２，３，韩梦泽３，
葛骏４，齐浩然５，张子悦３，王大超３，李杰３
１．石家庄铁道大学交通运输学院
２．石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室
３．石家庄铁道大学机械工程学院
４．石家庄煤矿机械有限责任公司
５．北京兆维北广信通科技有限公司
世界上约70 %的水下隧道采用盾构机开挖。盾构机掘进时，通过盾尾密封系统将外界泥水与内部工作区隔离，一旦盾尾密封发生防水失效，外界泥 浆进入盾构机内部，将对施工进度和人员生命安全造成不可逆的影响。当前关于盾尾密封的测试与评价方法没有国标可供参考，国内与盾尾密封相关的研究较少，盾尾密封测试装置与真实施工的贴合度需进一步优化。
利用CAXA设计盾尾密封试验台液压调姿系统原理图，并对关键液压元件进行理论计算与选型；基于功率键和图理论，通过AMESim平台搭建液压仿真模型，对偏载状态下的油缸压力、流量、位移差进行仿真分析；最后，试制盾尾密封试验台样机并安装调试液压系统，进行偏载同步性试验。
1 液压系统设计与计算选型
图1 液压原理
（1）液压动力源。由电机带动齿轮泵旋转提供液压油，采用电磁溢流阀进行调压和卸荷；
（2）平台液压回路。包含4根平台油缸，内筒作径向偏转动作时配合平台油缸伸缩，偏转结束后，平台油缸锁死；
（3）推进系统液压回路。采用双推进油缸并联，驱动推进油缸伸出推动内筒轴向移动，模拟盾构掘进；
（4）姿态调整液压回路。包含前姿态油缸和后姿态油缸，用于调整内筒与外筒的轴线夹角与同轴度。
2 数值仿真
基于功率键和图理论，使用AMESim软件对盾尾密封试验台液压调姿系统进行建模与仿真。
图2 液压系统仿真模型
图3 推进油缸的位移差曲线
图4 推进油缸的压力、流量、位移曲线
图5推进油缸的压力-流量特性曲线
图6 姿态油缸的位移差曲线
图7姿态油缸的压力、流量、位移曲线
图8 姿态油缸的压力-流量特性曲线
3 模型试验
图9 试验平台及数据采集装置
图10 推进油缸位移差
图11 姿态油缸位移差
根据试验结果可知：107 s时，推进油缸的试验组和仿真组推进油缸均达到最大位移差，验证了仿真模型的准确性，其中，试验组最大位移差为15 mm，比仿真组最大位移差大4.5 mm；推进油缸行程为500 mm，仅产生了15 mm的位移差，能够满足研究人员对试验设备的需求。姿态油缸位移差试验结果可知：试验组最大位移差为2.7 mm，仿真组最大位移差为1.9 mm，二者相差仅0.8 mm，进一步说明了仿真模型的可靠性。另外，试验组和仿真组油缸的位移差均较小，说明油缸的同步性好。
产生位移差的原因主要有：（1）双边负载相差较大；（2）液压泵、滑阀阀芯处均存在流量泄漏；（3）齿轮泵的流量脉动影响了油缸伸出速度。
（1）设计了盾尾密封试验台液压调姿系统。对液压泵、油缸等关键元件进行计算与选型，齿轮泵排量为3 mL/r, 电机选择四级电机，功率为1.5 kW，油缸缸径为100 mm，杆径为55 mm。
（2）在液压系统中，通过使用分流阀可实现油缸的同步动作。分流阀具有压力补偿和流量等分的特点，当双侧油缸负载不同时，分流阀的滑阀阀芯在压力和弹簧力双效作用下滑动，调整双侧通流截面面积，将输入流量等分后再流向两侧油缸。
（3）AMESim仿真结果显示：不同负载下推进油缸和姿态调整油缸的同步精度符合设计要求。当推进油缸双边负载分别为35000 、50000 N时，最大位移差为10.5 mm；当姿态油缸双边负载分别为15000、20000 N时，最大位移差为1.9 mm。
（4）现场试验结果表明：对油缸施加与仿真相同的负载，控制双缸同步伸出，负载较小的油缸先到达极限位置，此时推进油缸最大位移差为15 mm，姿态油缸最大位移差2.7 mm，满足试验台的使用要求，且最大位移差出现的时间与仿真结果吻合，证明了盾尾密封试验台液压调姿系统的可行性和仿真模型的准确性。
团队带头人
郭京波，石家庄铁道大学机械工程学院二级教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家（2024年），河北省政府特殊津贴专家（2017年）。兼任中国振动工程学会机械动力学理事，中华铁道建设新技术促进会副会长，中国岩石力学与工程学会-水下隧道工程技术分会理事，《铁道学报》、《机械工程学报》、《交通运输学报》、《隧道建设》等多家期刊审稿人。自1997起，一直工作在教学和科研第一线，在隧道掘进装备领域锐意创新，研发的复合地层盾构机、超大直径盾构机等系列产品实现自主可控。其研发成果已成功应用于川藏铁路、北京东六环改造等国家重大工程。累计为全国20余个城市的地铁、铁路、公路、引水工程项目提供核心技术支撑，研发的设备出口至意大利、印度、厄瓜多尔、埃塞俄比亚等国。
荣获国家科技进步二等奖1项，河北省科技进步一等奖2项，河北省科技进步二等奖3项；主持国家863项目子课题、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金及省自然科学基金等课题20余项；主持国家标准 GB/T 41056-2021《全断面隧道掘进机 双护盾岩石隧道掘进机》，参编GB/T 40122-2021《全断面隧道掘进机 矩形土压平衡顶管机》、GB/T 40127-2021《全断面隧道掘进机 顶管机安全要求》等国家标准8项，发表论文110余篇，获国家发明专利11项，实用新型专利20项。
团队骨干人员介绍
李杰，石家庄铁道大学机械工程学院教授，副院长，博士生导师，省级教学名师。
团队科研从事方向
盾构/TBM设计理论及方法，盾构刀具，盾构维修及再制造，盾构施工，工程机械设计与计算。
部分论文代表作
[1]HAN M Z, GUO J B, LIAO J P, et al. Process optimization and property of novel tunnel boring machine cutter ring material to prevent fracture failure[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2025, 34(12): 11370-11381.
[2] HAN M Z, GUO J B, LI J, et al. Process optimization and performance of new TBM disc cutter ring steel[J]. Strength of Materials, 2023, 55(6): 1278-1287.
[3]WU W, GUO J B, LI J, et al. Research on stratum identification method based on TBM tunneling characteristic parameters[J]. Complexity, 2022, 2022(1): 8540985.
[4]武薇, 杨绍普, 郭京波, 等. 盾构刀盘复合地层下冲击载荷分析[J]. 振动与冲击, 2020, 39(3): 289-294.
[5]梁晓; 王雪玮; 郭京波; 韩彦军; 郑津津; 郭文武 ; 结合沃尔什变换与列率截断的图像局部模糊抗噪检测, 计算机辅助设计与图形学学报 , 2021, 34(1): 94-103.
[6] 韩梦泽, 郭京波, 刘文栋, 等. 基于响应面法的等离子气刨切管工艺优化及试验[J]. 热加工工艺, 2023, 52(5): 114-118.
[7] 韩梦泽, 郭京波, 张潮. 管道清淤机器人悬架机构越障性能优化与仿真[J]. 机械工程与自动化, 2020(4): 1-3.
[8] 郭京波, 张潮, 徐纯杰. 管片拼装试验台液压系统设计及仿真[J]. 机械设计与制造, 2020(11): 114-117.
[9] 郭京波, 刘宇豪, 刘文栋, 等. 微型土压平衡盾构机液压系统故障分析[J]. 液压与气动, 2021, 45(8): 51-57.
[10] 刘建东, 郭京波, 苗磊, 等. Φ1.26m土压平衡盾构机液压系统设计及仿真[J]. 机械设计与制造, 2021, 369(11): 216-219.
[11] 刘建东, 郭京波, 王旭东. 基于盾构掘进参数的孤石地层识别方法研究[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(7): 1132-1140.
[12] 张潮, 郭京波, 周庆祥, 等. 大型真三轴岩石加载试验系统设计[J]. 机械工程与自动化, 2019(1): 10-11.
[13]Guo Jingbo, et al. "Safety state detection system and method for main drive seal of total section tunneling machine." (2015).
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