盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進機是一種專用于隧道施工工程的全斷面掘進裝備，它可以實現(xiàn)隧道建設(shè)過程中開挖、支護、襯砌、排渣等自動化和工廠化作業(yè)。隧道設(shè)計軸線是在綜合考慮列車安全、地質(zhì)條件以及地表建筑物等因素基礎(chǔ)上確定的理想隧道軸線，盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制技術(shù)是保證盾構(gòu)以正確的姿態(tài)沿隧道設(shè)計軸線掘進、減少隧道實際軸線與設(shè)計軸線偏差、提高襯砌建設(shè)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文在分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下推進并聯(lián)機構(gòu)的定向工作空間和盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑基礎(chǔ)上，建立了描述

2、盾構(gòu)工作空間與推進機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)解析關(guān)系，提出了基于盾構(gòu)工作空間分析的盾構(gòu)推進機構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，有效地解決了盾構(gòu)推進機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與隧道設(shè)計軸線的匹配問題，應(yīng)用該方法對直徑為6.34 m的土壓平衡盾構(gòu)推進機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計，使該盾構(gòu)可以滿足隧道設(shè)計軸線最小曲率半徑為175m且軸線擬合誤差最大允許值為10mm的隧道施工技術(shù)要求。分析了盾構(gòu)沿直線、圓弧曲線和緩和曲線三種典型隧道設(shè)計軸線掘進時盾構(gòu)推進姿態(tài)變化規(guī)律，建立了根據(jù)盾

3、構(gòu)位姿求解各推進液壓缸位移的數(shù)學(xué)模型，提出了盾構(gòu)沿三種隧道設(shè)計軸線掘進時盾構(gòu)目標位姿和推進液壓缸目標運動特性計算方法，從而改進和完善了基于盾構(gòu)各分區(qū)推進液壓缸位移協(xié)調(diào)控制技術(shù)的盾構(gòu)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴展到圓曲線和緩和曲線段隧道施工盾構(gòu)姿態(tài)控制，不再局限于直線段的盾構(gòu)姿態(tài)控制;建立了盾構(gòu)推進姿態(tài)調(diào)整過程中的系統(tǒng)動力學(xué)模型、電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和地層對盾構(gòu)約束載荷模型，在此基礎(chǔ)上提出了以跟蹤隧道設(shè)計軸線為控制目標的盾構(gòu)推進姿

4、態(tài)自動控制系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有盾構(gòu)姿態(tài)自動控制系統(tǒng)對地層參數(shù)的識別和預(yù)判、地層特性對盾構(gòu)運動影響規(guī)律的依賴性。針對現(xiàn)有管片拼裝機位姿控制系統(tǒng)無法兼顧拼裝運動速度和精度的問題，研制了采用位置速度復(fù)合控制技術(shù)的盾構(gòu)管片高效拼裝控制系統(tǒng)，成功地解決了管片拼裝機這一大慣量系統(tǒng)高速運動過程中的精度和運動平穩(wěn)性問題，提高了隧道襯砌的施工質(zhì)量和效率。已將管片高效拼裝控制系統(tǒng)應(yīng)用于2.2m試驗管片拼裝機的拼裝運動控制，根據(jù)試驗結(jié)果，在保證管片定位精度的前提

5、下，拼裝機回轉(zhuǎn)運動的最大平均回轉(zhuǎn)速度可以達到4.73 r/min，該數(shù)值約為現(xiàn)有管片拼裝機最大回轉(zhuǎn)速度(1.5 r/min)的3倍，于此同時可以將高速回轉(zhuǎn)過程中的沖擊力矩降為采用位置控制的管片拼裝系統(tǒng)沖擊力矩的30％左右。
　　本論文主要章節(jié)及研究內(nèi)容如下:
　　第一章，介紹了盾構(gòu)機工作原理及國內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展概況，分析了盾構(gòu)推進電液控制技術(shù)、盾構(gòu)推進姿態(tài)和軌跡跟蹤控制技術(shù)和管片拼裝控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對課題主要研究內(nèi)容、研

6、究背景和意義進行了闡述。
　　第二章，分析了盾構(gòu)推進并聯(lián)機構(gòu)的運動自由度，建立了盾構(gòu)推進機構(gòu)工作空間的約束方程，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下普通盾構(gòu)和被動鉸接盾構(gòu)的工作空間，揭示了推進機構(gòu)工作空間與盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系，提出了以盾構(gòu)推進機構(gòu)工作空間分析為基礎(chǔ)，綜合考慮隧道設(shè)計軸線最小曲率半徑、隧道擬合誤差、液壓缸分布直徑等因素的推進機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計方法，并將該方法應(yīng)用于針對特定隧道工程的某型盾構(gòu)參數(shù)個性化設(shè)計。
　　第三章，建

7、立了典型隧道設(shè)計軸線的參數(shù)方程，提出了盾構(gòu)沿典型隧道設(shè)計軸線掘進過程中推進系統(tǒng)各分區(qū)液壓缸行程的計算方法，并分析了盾構(gòu)以特定速度沿直線型、圓曲線型和緩和曲線型隧道設(shè)計軸線掘進時各分區(qū)液壓缸活塞桿速度與加速度特性以及液壓缸缸筒擺動角速度、角加速度特性，為盾構(gòu)掘進軌跡跟蹤控制系統(tǒng)提供了目標參數(shù)。
　　第四章，分析了盾構(gòu)位姿調(diào)整運動特性，建立了盾構(gòu)推進電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以及盾構(gòu)推進系統(tǒng)載荷模型，針對不同隧道地質(zhì)條件和隧道設(shè)計軸線類型提

8、出了以推進液壓缸位移為控制目標和以盾構(gòu)掘進軌跡為控制目標的兩種盾構(gòu)姿態(tài)和軌跡跟蹤自動控制系統(tǒng)，研制了用于進行盾構(gòu)推進姿態(tài)和軌跡跟蹤控制的試驗臺，通過仿真分析與模擬試驗兩種方式，驗證了所提出的盾構(gòu)位姿和軌跡自動控制系統(tǒng)性能的有效性，比較了兩套系統(tǒng)在不同條件下的系統(tǒng)特性。
　　第五章，分析了管片拼裝運動工作特性，提出了兼顧管片拼裝定位精度和拼裝運動速度的高效管片位姿控制技術(shù)，建立了管片拼裝電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并設(shè)計了采用四種不同管片拼