隧道掘進(jìn)機(jī)（T B M）作業(yè)環(huán)境惡劣，掘進(jìn)過(guò)程中操作人員不僅要根據(jù)巖層變化選擇不同的掘進(jìn)速度，還要進(jìn)行必要的橫向與縱向位置調(diào)整。上述特殊工況，要求其推進(jìn)液壓系統(tǒng)性能可靠、動(dòng)作精準(zhǔn)。
為滿(mǎn)足這一要求，在隧道掘進(jìn)機(jī)中多采用控制精度很高的PWM呼吸閥（又稱(chēng)高速開(kāi)關(guān)閥）對(duì)推進(jìn)液壓缸進(jìn)行控制。
1.PWM呼吸閥的特性
PWM呼吸閥由脈沖調(diào)制器進(jìn)行控制。脈沖調(diào)制器的原理如圖1所示。圖1a中的U 為經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后輸出的控制信號(hào)，V 為計(jì)算機(jī)輸出的另一系列作為載波信號(hào)的鋸齒波信號(hào)。脈寬調(diào)制器將輸入的鋸齒波信號(hào)與輸入的控制信號(hào)比較后，轉(zhuǎn)換為時(shí)間周期為T(mén) 的脈寬調(diào)制信號(hào)。如果在某一時(shí)刻U值大于V值，則輸出高電平，否則輸出低電平。根據(jù)這一原理，得到圖1b中所示一系列控制指令信號(hào)。
將這一指令施加到PWM呼吸閥的電磁線圈上，在高電平期間該閥有流量q通過(guò)，其余的時(shí)間內(nèi)則無(wú)流量通過(guò)。
由于時(shí)間周期T非常小，常為0.01～0.15s，因此常用平均流量q 來(lái)表示這一時(shí)間內(nèi)PWM呼吸閥的輸出流量，其計(jì)算公式如下：
上式表明，PWM呼吸閥的流量q與脈寬占空比τ 成正比。脈寬占空比τ 越大，通過(guò)PWM呼吸閥進(jìn)入推進(jìn)液壓缸的平均流量越大，推進(jìn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度就越快。計(jì)算機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出相應(yīng)的脈寬調(diào)整信號(hào)，控制PWM呼吸閥開(kāi)啟或關(guān)閉，便可調(diào)整推進(jìn)液壓缸液壓油流量的大小和流向。
2. PWM呼吸閥工作原理
執(zhí)行元件的控制方式有2種：
一是開(kāi)環(huán)控制方式，
二是是閉環(huán)控制方式。
開(kāi)環(huán)控制方式是采用數(shù)字信號(hào)控制伺服閥，從而控制執(zhí)行元件的運(yùn)行速度和位移。
閉環(huán)控制方式過(guò)程如下：系統(tǒng)的溫度、壓力以及執(zhí)行元件的運(yùn)行速度和位移等信號(hào)反饋給控制器，控制器將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較分析后，輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，通過(guò)比例閥或高速開(kāi)關(guān)閥（PWM)自動(dòng)調(diào)整執(zhí)行元件的位置。
脈沖調(diào)制器的原理
開(kāi)環(huán)控制方式雖然可以通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)完成動(dòng)作控制，但無(wú)法補(bǔ)償因系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄等引起的速度和位移變化，為此常采用閉環(huán)方式對(duì)精度要求較高的執(zhí)行元件進(jìn)行控制。
采用PWM呼吸閥控制推進(jìn)液壓缸的工作原理如圖2所示，其主要由CPU控制器、轉(zhuǎn)換器（A/D、D/A）、PWM功率放大器、位移傳感器、PWM呼吸閥和推進(jìn)液壓缸組成。PWM呼吸閥根據(jù)脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)整進(jìn)入推進(jìn)液壓缸的平均流量，在此基礎(chǔ)上，將4個(gè)PWM呼吸閥適當(dāng)組合，便可自動(dòng)對(duì)推進(jìn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和位移進(jìn)行調(diào)整。
系統(tǒng)的指令信號(hào)與各種監(jiān)測(cè)傳感器的反饋信號(hào)，由A/D0和A/D1轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入CPU控制器。CPU控制器輸出控制信號(hào)U，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)脈寬調(diào)制后進(jìn)入到PWM功率放大器。
PWM功率放大器的驅(qū)動(dòng)單元D1與D4同步（同時(shí)開(kāi)通或斷開(kāi)），分別與PWM呼吸閥1、4相連；D2則與D3保持同步，分別與PWM呼吸閥2、3相連。D1和D4接通時(shí)，PWM呼吸閥1、4處于開(kāi)啟狀態(tài)，D2、D3則斷開(kāi)，PWM呼吸閥2、3處于關(guān)閉狀態(tài)。反之亦然。
當(dāng)U＞0時(shí)，D1與D4驅(qū)動(dòng)PWM呼吸閥1、4動(dòng)作，推進(jìn)液壓缸向右運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)U＜0時(shí)，D2和D3驅(qū)動(dòng)PWM呼吸閥2、3動(dòng)作，推進(jìn)液壓缸向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)U=0時(shí)，推進(jìn)液壓缸運(yùn)動(dòng)停止。
3.應(yīng)用實(shí)例
PWM閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)速度快和抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
缺點(diǎn)是輸出流量較小，故其無(wú)法直接在高壓大流量場(chǎng)合使用。
總結(jié)：將其用于高壓大流量錐閥的先導(dǎo)控制，利用其控制精度高的特點(diǎn)，則可對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度和位移精確控制。
隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)工作原理
當(dāng)沒(méi)有輸入動(dòng)作指令時(shí)，CPU控制器無(wú)信號(hào)輸出，4個(gè)錐閥6、7、8、9截止，推進(jìn)液壓缸11處于閉鎖狀態(tài)。當(dāng)需要活塞桿伸出時(shí)，C P U控制器向PWM功率放大器發(fā)出信號(hào)，PWM呼吸閥3、5收到該信號(hào)后控制錐閥7、9打開(kāi)。
由于此時(shí)PWM呼吸閥2、4無(wú)信號(hào)輸出，所以錐閥6、8繼續(xù)保持截止?fàn)顟B(tài)。
主流源10經(jīng)錐閥7進(jìn)入推進(jìn)液壓缸11無(wú)桿腔，推進(jìn)液壓缸11有桿腔的油液經(jīng)錐閥9流回油箱，液壓缸活塞桿便以適當(dāng)?shù)乃俣壬斐�。CPU控制器通過(guò)位移傳感器12，對(duì)活塞的位移和速度進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，以及時(shí)修正輸入PWM功率放大器的脈寬控制信號(hào)。
與此相反，需要活塞桿收回時(shí)，在CPU控制器的作用下錐閥7、9處于截止?fàn)顟B(tài)，而錐閥6、8則處于導(dǎo)通狀態(tài)。高壓油經(jīng)過(guò)錐閥8進(jìn)入推進(jìn)液壓缸11有桿腔，推進(jìn)液壓缸11無(wú)桿腔的油液經(jīng)過(guò)錐閥6流回油箱，液壓缸活塞桿便以適當(dāng)?shù)乃俣瓤s回。
通過(guò)以上分析可以知道，隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中液壓缸控制主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：
一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)柔性較高，控制管路較少，制造和維護(hù)費(fèi)用較低，運(yùn)行可靠；
二是利用各監(jiān)測(cè)傳感器檢測(cè)執(zhí)行元件位置信號(hào)，可在人機(jī)界面上反映設(shè)備的實(shí)時(shí)工況，便于操作；
三是控制精度很高，并可對(duì)因系統(tǒng)溫度、壓力、負(fù)載、內(nèi)泄等引起的速度、位移變化自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
文章來(lái)源：呼吸閥生產(chǎn)廠家
