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原文传递盾构推进系统顺应特性及掘进姿态控制研究

论文题名：	盾构推进系统顺应特性及掘进姿态控制研究
关键词：	盾构推进系统;突变载荷;顺应特性;评价指标;掘进姿态控制;双闭环反馈控制;硬件回路仿真;地质隧道施工
摘要：	盾构掘进机是集开挖、支护、衬砌、出渣为一体，专用于地下软土地质隧道施工的大型掘进装备，它主要由推进系统、刀盘系统、管片拼装系统、螺旋输送机系统、同步注浆系统、盾尾密封系统以及排渣系统组成，广泛应用于水利工程、城市地铁、市政管线、跨海隧道、公路铁路等施工工程中。推进系统承担着整个盾体的向前顶进任务，它为盾构掘进提供足够的反力，控制盾构纠偏及转向要求，影响盾构掘进效率及开挖面的压力平衡，协调配合盾构其他系统实现隧道的开挖，是盾构掘进机不可或缺的组成部分。考虑到整个盾构掘进机的高建设成本、多学科交叉及现场试验本身的安全风险，十分有必要针对推进液压系统搭建专有试验台开展相关研究工作。　　本文以盾构推进系统为研究对象，设计了推进系统机械结构、液压系统及电气控制系统;针对异常地质施工情况提出了盾构推进系统突变载荷顺应特性的概念，从表面现象和内在机理两个层面探讨了顺应特性作为衡量盾构承受外界突变载荷能力指标的有效性并将顺应特性理论成果集成于软件平台以方便新型盾构推进系统的设计;针对不均载荷下盾构掘进轨迹偏离理论设计轴线的情况，提出了双闭环反馈掘进姿态精准控制理论，并通过仿真和试验进行了验证。本文的主要研究内容如下: 　　第一章介绍了盾构技术原理及国内外发展历程，根据论文研究内容着重阐述了顺应特性在不同学科领域的研究现状和盾构掘进姿态控制的研究现状，最后指出了论文的主要研究内容及意义。　　第二章研制了盾构推进系统模拟试验台，设计了试验台液压系统，对关键液压元件进行了选型，分析校核了液压系统温升，设计了试验台整体机械结构用于模拟盾构掘进时的外界载荷、掘进姿态调整和支撑盾体，最后完成了试验台电气系统，实现了对电机、变量泵、液压控制元件的控制和对传感器信号的采集。　　第三章提出了盾构推进系统突变载荷顺应特性的概念，给出了顺应特性的定义，针对调速溢流模式和减压模式分别求解了推进系统顺应特性全参数解析模型，以Φ3.2盾构实验样机为例计算了其推进系统的瞬时顺应特性和平均顺应特性，并利用现有试验条件开展了顺应特性试验。最后，选取国外四种不同型式典型盾构推进系统进行了顺应特性求解，结果表明，四种盾构推进系统顺应特性存在显著差别，顺应特性与液压系统溢流元件、分区方式、管道布置、工作参数有关，盾构推进系统顺应特性可以作为衡量盾构承受外界突变载荷能力的指标。　　第四章提出了盾构推进系统顺应特性评价指标的概念，从载荷传递特性和衰减特性诠释了顺应特性的含义，在此基础上研究了蓄能器、长管道效应、溢流元件、油液特性等对顺应特性的影响因素分析，给出了基于顺应特性新型盾构推进系统的设计开发流程，利用MATLAB/GUI工具二次开发了推进系统软件设计平台，并在软件平台上基于国内某地铁施工过程中遇到的突变载荷设计了新型盾构推进系统。结果表明，新型盾构推进系统最佳顺应特性指标值为1.45，相对理论最佳顺应解误差仅为3％，这为顺应特性应用于新型盾构推进系统设计提供了理论基础和现实依据。　　第五章提出了盾构掘进姿态双闭环反馈控制思想，通过小闭环精确控制液压缸速度和大闭环实时更新掘进斜度来保证盾构沿理论设计轴线精准掘进，通过分析单环掘进前后推进液压缸的几何关系及相邻掘进环间位移与掘进斜度的关系，推导了分区液压缸速度关于设计轴线和掘进速度的解析式。使用AMESim与Simulink联合仿真工具搭建了模糊PID推进速度控制模型，仿真分析了非均载荷下推进液压缸速度精准控制。最后，在Simulink实时视窗环境下编写了硬件底层驱动程序，搭建了推进液压系统硬件回路仿真平台，验证了模糊PID对推进速度的精确控制。
作者：	侯典清
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：	2013
正文语种：	中文