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原文传递单对水平支撑TBM支撑推进系统控制研究

论文题名：	单对水平支撑TBM支撑推进系统控制研究
关键词：	全断面硬岩隧道掘进机;支撑推进系统;水平支撑;协调控制
摘要：	全断面硬岩隧道掘进机（hard rock tunnel boring machine，简称TBM）是一种适用于硬岩地质环境，在支撑系统、推进系统和刀盘系统的共同作用下，依靠旋转刀盘刀具破坏岩层，从而使隧道全断面一次开挖成形的大型隧道开挖装备。支撑推进系统是TBM主机系统的关键子系统之一，在掘进过程中负责为TBM提供推进力。目前，TBM推进系统采用定量泵供油，工作时大量流量从溢流阀流回油箱增大设备发热量，支撑系统采用恒压泵供油，在撑靴撑紧围岩后恒压泵需工作在最小排量以维持设定压力，多余的流量流回油箱同样增大设备的发热量，从而增加了高温地质施工的难度;另一方面，在TBM施工过程中施工人员凭经验手动调定支撑系统中支撑油缸大腔压力和推进系统中安全压力，没有考虑到支撑油缸输出力、推进油缸输出力和支撑处围岩类别之间的耦合关系，没有考虑到突变的刀盘推力负载对推进系统的影响，从而造成撑靴与围岩打滑事故或撑靴压溃支撑处围岩事故，严重影响施工进度或造成机械件和液压件损坏。为了降低支撑推进系统的功耗，开展了支撑推进节能控制研究;为避免打滑事故和压溃事故的发生，并提高TBM掘进速度，开展了支撑推进协调控制研究。　　本课题在国家重点基础研究发展计划(973)项目的资助下，建立了TBM支撑推进机构的力学关系，分析了刀盘推力偏载对推进系统的影响，提出了推进系统分区同步控制策略，并用试验验证了策略的有效性。为了降低支撑推进系统中设备的功耗，系统引入了负载敏感恒压控制技术，提出了两种节能控制策略，分别设计了电液控制系统，并通过仿真分析验证了其有效性。针对支撑推进系统存在的两种事故，提出了三种协调控制策略，分别设计了电液控制系统，并采用联合仿真技术验证了策略的有效性。　　本论文的主要研究工作如下: 　　1.建立了TBM主机机构、主梁机构和支撑机构的力学模型，分析了刀盘推力负载、推进油缸、支撑油缸和支撑处围岩间的力学关系，推导了左右侧推进油缸在刀盘推力偏载工况的受力计算公式和支撑处围岩的受力计算公式，发现了刀盘推力偏载会导致左右推进油缸不同步的问题，因此设计了推进分区控制液压系统，分别提出了推进系统分区普通控制策略和分区同步控制策略。　　2.结合蓄能器保压作用，提出了基于负载敏感泵推进(LST)+恒压控制泵支撑(CPG)型支撑推进控制策略和基于负载敏感恒压控制泵支撑推进和蓄能器辅助支撑(LSCPGT)型支撑推进控制策略，并将分区同步控制策略引入到两种控制策略的推进系统中，分别设计了支撑推进电液控制系统，建立了AMEsim仿真模型，基于吉林引松供水工程施工数据仿真对比分析了两种节能型系统和传统的定量泵推进(RT)+CPG型支撑推进系统在推进偏载工况下的掘进性能和节能效果，结果表明LST+CPG型和LSCPGT型支撑推进系统都能满足支撑推进需求，但LSCPGT系统在高压支撑推进过程中没有流量和压力损失，且少一套泵系统，具有更好的节能效果。　　3.分析了刀盘推力负载与左右侧推进油缸的力学关系，结合支撑处围岩的受力分析，提出了基于推进油缸输出力限制支撑油缸输出力恒定(TRGC)的控制策略、基于刀盘推力限制围岩支撑力恒定(CRSC)的控制策略和基于刀盘推力恒定围岩支撑力恒定(CCSC)的控制策略，分别设计了电液控制系统，建立了基于模糊PID控制器的Simulink软件和AMEsim软件联合仿真模型，并仿真分析了当支撑处围岩类型为Ⅴ类时三种支撑推进协调控制策略的控制性能，结果表明TRGC型系统、CRSC型系统和CCSC型系统均能避免压溃围岩事故和撑靴打滑事故，CRSC型系统和CCSC型系统都能降低支撑处围岩受到的压力波动，超调量控制在1％以内，CCSC型系统具有更高的掘进速度，且能保持刀盘推力不变，但刀盘遇到突变推力负载时，推进系统存在明显的流量冲击。　　4.以Robbins型号为MB-332的敞开式TBM为依据，设计了缩尺直径2.5mTBM试验台的支撑推进液压系统和推力负载模拟液压系统。根据系统的控制目标对试验台电控系统进行了设计，建立了控制器PLC分别与控制器Simulink、上位机WINCC的通信，设计了支撑推进系统的控制器和试验台的可视化操作界面，并用TBM试验台对提出的两种推进分区控制策略进行试验验证，结果表明在刀盘受到推力偏载，以及推进行程为272mm的条件下，当推进系统采用不分区控制时，左右两侧推进油缸有明显的位移差，而当采用分区同步控制时，位移偏差范围仅为1.8mm，具有更好的直线推进性能。
作者：	石卓
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：	2018
正文语种：	中文