隧道掘進機（T B M）作業(yè)環(huán)境惡劣，掘進過程中操作人員不僅要根據(jù)巖層變化選擇不同的掘進速度，還要進行必要的橫向與縱向位置調(diào)整。上述特殊工況，要求其推進液壓系統(tǒng)性能可靠、動作精準。
為滿足這一要求，在隧道掘進機中多采用控制精度很高的PWM呼吸閥（又稱高速開關(guān)閥）對推進液壓缸進行控制。
1.PWM呼吸閥的特性
PWM呼吸閥由脈沖調(diào)制器進行控制。脈沖調(diào)制器的原理如圖1所示。圖1a中的U 為經(jīng)計算機計算后輸出的控制信號，V 為計算機輸出的另一系列作為載波信號的鋸齒波信號。脈寬調(diào)制器將輸入的鋸齒波信號與輸入的控制信號比較后，轉(zhuǎn)換為時間周期為T 的脈寬調(diào)制信號。如果在某一時刻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。
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，其余的時間內(nèi)則無流量通過。
由于時間周期T非常小，常為0.01～0.15s，因此常用平均流量q 來表示這一時間內(nèi)PWM呼吸閥的輸出流量，其計算公式如下：
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PWM呼吸閥進入推進液壓缸的平均流量越大，推進液壓缸的運動速度就越快。計算機根據(jù)控制要求發(fā)出相應(yīng)的脈寬調(diào)整信號，控制PWM呼吸閥開啟或關(guān)閉，便可調(diào)整推進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：
一是開環(huán)控制方式，
二是是閉環(huán)控制方式。
開環(huán)控制方式是采用數(shù)字信號控制伺服閥，從而控制執(zhí)行元件的運行速度和位移。
閉環(huán)控制方式過程如下：系統(tǒng)的溫度、壓力以及執(zhí)行元件的運行速度和位移等信號反饋給控制器，控制器將該信號與設(shè)定值進行比較分析后，輸出相應(yīng)的模擬信號，通過比例閥或高速開關(guān)閥（PWM)自動調(diào)整執(zhí)行元件的位置。
脈沖調(diào)制器的原理
開環(huán)控制方式雖然可以通過發(fā)射脈沖信號完成動作控制，但無法補償因系統(tǒng)溫度、壓力負載、內(nèi)泄等引起的速度和位移變化，為此常采用閉環(huán)方式對精度要求較高的執(zhí)行元件進行控制。
采用PWM呼吸閥控制推進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呼吸閥和推進液壓缸組成。PWM呼吸閥根據(jù)脈寬調(diào)制信號來調(diào)整進入推進液壓缸的平均流量，在此基礎(chǔ)上，將4個PWM呼吸閥適當組合，便可自動對推進液壓缸的運動方向和位移進行調(diào)整。
系統(tǒng)的指令信號與各種監(jiān)測傳感器的反饋信號，由A/D0和A/D1轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入CPU控制器。CPU控制器輸出控制信號U，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)脈寬調(diào)制后進入到PWM功率放大器。
PWM功率放大器的驅(qū)動單元D1與D4同步（同時開通或斷開），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，PWM呼吸閥1、4處于開啟狀態(tài)，D2、D3則斷開，PWM呼吸閥2、3處于關(guān)閉狀態(tài)。反之亦然。
當U＞0時，D1與D4驅(qū)動PWM呼吸閥1、4動作，推進液壓缸向右運動。
當U＜0時，D2和D3驅(qū)動PWM呼吸閥2、3動作，推進液壓缸向左運動。當U=0時，推進液壓缸運動停止。
3.應(yīng)用實例
PWM閥具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、對控制信號響應(yīng)速度快和抗污染能力強等優(yōu)點。
缺點是輸出流量較小，故其無法直接在高壓大流量場合使用。
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，則可對液壓缸運動速度和位移精確控制。
隧道掘進機推進液壓系統(tǒng)工作原理
當沒有輸入動作指令時，CPU控制器無信號輸出，4個錐閥6、7、8、9截止，推進液壓缸11處于閉鎖狀態(tài)。當需要活塞桿伸出時，C P U控制器向PWM功率放大器發(fā)出信號，PWM呼吸閥3、5收到該信號后控制錐閥7、9打開。
由于此時PWM呼吸閥2、4無信號輸出，所以錐閥6、8繼續(xù)保持截止狀態(tài)。
主流源10經(jīng)錐閥7進入推進液壓缸11無桿腔，推進液壓缸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?shù)乃俣壬斐觥PU控制器通過位移傳感器12，對活塞的位移和速度進行檢測，并與設(shè)定值進行比較，以及時修正輸入PWM功率放大器的脈寬控制信號。
與此相反，需要活塞桿收回時，在CPU控制器的作用下錐閥7、9處于截止狀態(tài)，而錐閥6、8則處于導(dǎo)通狀態(tài)。高壓油經(jīng)過錐閥8進入推進液壓缸11有桿腔，推進液壓缸11無桿腔的油液經(jīng)過錐閥6流回油箱，液壓缸活塞桿便以適當?shù)乃俣瓤s回。
通過以上分析可以知道，隧道掘進機推進系統(tǒng)中液壓缸控制主要有以下3個特點：
一是系統(tǒng)設(shè)計柔性較高，控制管路較少，制造和維護費用較低，運行可靠；
二是利用各監(jiān)測傳感器檢測執(zhí)行元件位置信號，可在人機界面上反映設(shè)備的實時工況，便于操作；
三是控制精度很高，并可對因系統(tǒng)溫度、壓力、負載、內(nèi)泄等引起的速度、位移變化自動進行補償。
文章來源：呼吸閥生產(chǎn)廠家
