土压平衡盾构机推进液压系统设计研究.doc

隧道掘进机推进液压系统设计研究本章主要对盾构掘进机推进液压系统的研究现状进行了综述，同时指出了研究中存在的难点和有待研究的问题，明确了本文的研究方向。硬岩掘进机的关键技术为：推进液压缸分区性能研究，推进液压缸控制方式研究以及液压缸推进速度控制研究。目前对硬岩掘进机推进液压系统的研究主要集中在对推进液压缸分区布置的优化研究、对推进液压系统的改进设计以及对推进速度的控制算法研究三个方面，其中尤对硬岩掘进机推进液压系统的控制研究居多。在硬岩掘进机分区性能研究方面，邓颖聪，郭为忠，高峰等提出了推进系统超冗余并联机构建模方法即将各推进液压缸支链等效为球副-移动副-球副（SPS)支链，然后基于力合成原理和并联机构学理论推导出推进系统分区等效机构的运动学模型；邓孔书，唐晓强，王立平等基于力均方差最小和相对偏差最小的原则对土压平衡式盾构推进液压缸进行了优化布局方法研究，并利用优化模型对6.28m盾构推进系统进行了优化分析和设计；李建军，余海东，赵勇等设计了盾构机变负载下冗余驱动推进系统动力传递特性研究试验台，并建立了其冗余驱动推进机构的力传递模型，最后通过数值分析和实验数据相比较验证了所设计实验台的正确性；邵鑫，余海东，张凯之等以某典型复合式盾构机为对象，分析了复杂地质条件下掘进时冗余驱动推进系统不同分组策略下载荷传递特性，提出了基于地质条件的推进系统分组策略。在硬岩掘进机推进液压系统的控制模式研究方面，胡国良，龚国芳，杨华勇等设计了一种基于压力流量复合控制的盾构机推进液压系统，并通过模型仿真和实验室实验证明了设计模型的正确性；朱雷，黄剑采用比例减压阀与电液比例泵相配合的模式实现了盾构掘进机压力流量的同步精确控制，从而简化了控制系统的结构；施虎，龚国芳，杨华勇针对广泛使用的6.3m土压平衡盾构，提出了采用液压变压器控制其推进液压系统的策略，并通过精确的计算证明该推进系统较传统的阀控系统可使装机功率降低30%；国外方面，日本工程师酒井邦登等[26]在盾构机姿态控制中运用卡尔曼滤波理论，利用自回归模型建立盾构机动态特性方程来其位置。仓岗丰等[27]在福市高速铁道一号线延伸段的盾构掘进施工中第一次使用模糊控制算法，开启了先进智能控制在盾构机实际隧道施工自动化控制应用的先河。蒲泽义等[28]将模糊控制策略与人工智能的盾构机自动控制系统结合起来在某隧道施工中进行试验，同时对比熟练工人和自动控制系统各自单独控制盾构挖掘一段隧道后挖掘轨迹控制精度，通过对比发现采用模糊控制策略的自动轨迹控制系统的隧道轴线拟合程度更高。在盾构掘进机推进状态智能控制算法研究方面，文献[1]对TBM推进液压系统运用AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真仿真技术进行了研究，并将普通PID和模糊自整定PID的压力和速度复合比例控制进行了对比，发现采用模糊自适应PID控制可以克服非线时变性的影响，控制效果较普通PID有所改善；文献[2]运用一种简化的动态土体粘弹性模型来对TBM实际推进施工中的复杂负载工况进行模拟，并引入一种偏差修正参数的非线性PID控制器对推进液压系统进行了仿真研究，结果表明非线性PID对TBM推进液压系统的控制效果优于常规的PID控制器；文献[3]运用模糊自整定PID控制算法实现了对盾构推进压力和速度的控制并通过试验验证其改进算法能明显改善系统的鲁棒性和适应能力；文献[4]采用一种偏差修正参数的非线性PID控制器，并在AMESim与Simulink接口界面上实现了液压、控制系统的联合仿真；文献[5]设计了基于BP神经网络的盾构推进速度自适应PID控制器，并运用MATLAB软件进行了阶跃响应仿真，证明了所设计的控制器具有很高的响应精度和良好的在线整定能力；文献[6]设计了基于单神经元的盾构推进液压系统速度自适应PID控制器，实现了盾构推进速度的自适应调节；文献[7]采用基于线性二次型最优控制的单神经元自适应PID控制算法对双护盾掘进机液压推进系统进行了联合仿真分析。文献[8]采用基于RBF神经网络自整定PID控制算法对双护盾掘进机液压推进系统进行控制分析，并进行了AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真，得出该控制系统能够明显改善系统鲁棒性的结论。在盾构姿态控制策略方面，国外有日本学者酒井邦登等[9]将卡尔曼滤波理论应用于盾构姿态控制中，使用自回归模型建立方程来预测盾构机的位置。仓冈丰第一次将模糊控制策略在在福市新干线一号线延伸段的盾构施工控制中得到成功运用。文献[10]进行了盾构施工姿态影响因素的分析推导了盾构施工掘进的动力模型，并对外界载荷进行动态模型建模，同时提出了模糊变结构控制的方法。1987年日本学者酒井邦登等将卡尔曼滤波理论用于盾构姿态的预测和控制，通过分析掘进非正常运动和盾构中心位置变化之间的物理关系，根据两个模型参数辨识和地质