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原文传递 TBM姿态控制技术研究

论文题名：	TBM姿态控制技术研究
关键词：	隧道开挖;全断面掘进机;姿态控制系统;轨迹跟踪技术
摘要：	全断面掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）是适用于硬岩地质的一次成型的大型隧道开挖装备。它主要由推进系统，刀盘系统，姿态调整系统等组成。其中姿态控制系统是保障TBM沿预定轴线掘进，减小隧道开挖误差的关键子系统。目前国内外对全断面隧道掘进机的研究主要集中在适用于软土地层的机型中，对于硬岩隧道掘进机的研究较少，对于姿态控制技术研究集中在独立系统中，并没有对姿态控制系统与其他系统存在的相互影响关系进行研究。　　本课题是在国家高技术研究发展计划(863)的资助下，设计了直径2.5m的TBM试验台，对现有的系统进行仿真研究，分析施工中所存在问题的原因，设计了新型的姿态调整和推进液压系统，提出相应的控制策略，采用联合仿真等技术，验证了系统的有效性。　　本论文的主要研究工作如下：　　1.依据罗宾斯单对水平支撑的TBM机型，设计了直径2.5m的缩尺试验台的液压系统，根据原有系统存在的问题，对液压系统进行了优化分析，设计了分组推进的推进液压系统，以比例换向阀和平衡阀为核心的水平和竖向调向液压系统。并对TBM液压系统的设计过程进行了详细描述。　　2.将轨迹跟踪技术引入到TBM姿态控制技术当中，在直线，圆曲线，缓和过渡曲线三种典型隧道轴线参数方程的基础上，以主梁的位移和偏转角度对一个掘进行程中的机身姿态进行了描述，得出了目标位置姿态描述方程，进而求得了在三种典型隧道轴线下的姿态调整油缸（撑靴油缸，扭矩油缸）和推进油缸的目标运动参数。并以TBM253-282机型的参数为标准得到了目标运动参数值，为姿态控制系统提供了基础数据。　　3.建立了左右油缸与主梁夹角随推进缸长度和主梁偏转角度的数学关系，推导了推进合力方向与夹角的变化关系，分析出现有的四支油缸并联的推进系统存在着垂直于主梁方向的推进干扰力，迫使TBM偏离预定轴线，并使刀盘主梁等处于恶劣工况下。提出了基于油缸分组的姿态自适应推进系统。采用联合仿真技术分析了该系统在固定调向角度下和沿特定轴线跟踪时的有效性。　　4.通过分析竖向调向系统的负载特性，指出现有竖向调向系统在TBM持续掘进时进行竖向调向，左右扭矩油缸存在着位移不同步，TBM机身有倾覆危险的问题。在设计的新型竖向调向液压系统的基础上，提出以一侧油缸位移参考，另一侧油缸跟随的同步控制策略，并通过仿真对比分析了以受压力负载和受拉力负载的油缸为基准时，系统在阶跃信号纠偏和斜坡信号进行轨迹跟踪时的响应。
作者：	张振
专业：	机械电子工程
导师：	龚国芳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文