硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制

張 振，龔國芳，吳偉強(qiáng)，劉 統(tǒng)，饒?jiān)埔猓芙ㄜ?/p>

（1.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027；2.中鐵隧道集團(tuán)盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003）

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制

張 振1，龔國芳1，吳偉強(qiáng)1，劉 統(tǒng)1，饒?jiān)埔?，周建軍2

（1.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027；2.中鐵隧道集團(tuán)盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003）

針對(duì)全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）油缸并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)干擾力降低關(guān)鍵部件使用壽命和隧道開挖精度的問題，提出姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng).建立推進(jìn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，將推進(jìn)油缸分為2組，對(duì)2組推進(jìn)油缸的大腔壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配.使用ADAMS AMESim Simulink三軟件聯(lián)合仿真，對(duì)比分析并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)與姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng).結(jié)果表明：在額定推進(jìn)力和0.1°、0.3°、0.5°調(diào)向角度下，姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)干擾力為并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)的2％，姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)平行于主梁的推進(jìn)正壓力的超調(diào)小于5％.姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)可以顯著減小推進(jìn)干擾力，具有良好的穩(wěn)定性.

隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）；推進(jìn)系統(tǒng)；姿態(tài)自適應(yīng)；干擾力

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（hard rock tunnel boring machine，TBM），是集機(jī)械、液壓、電氣、控制、巖土力學(xué)等多學(xué)科技術(shù)于一體，適用于硬巖地質(zhì)的一次成型的大型隧道開挖裝備[1-2].TBM施工法以其高效、安全、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在多數(shù)硬巖隧道開挖場合取代了鉆爆法等傳統(tǒng)方法[3-4].單對(duì)水平支撐敞開式TBM適用于巖石完整性較好的隧洞，具有價(jià)格便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛.推進(jìn)系統(tǒng)是TBM的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它為刀盤提供頂緊巖石掌子面的正壓力，保證破巖的正常進(jìn)行，同時(shí)推動(dòng)刀盤前進(jìn).推進(jìn)系統(tǒng)壓力的控制，決定掘進(jìn)的效率、關(guān)鍵元件的使用壽命和隧道的開挖質(zhì)量.

TBM推進(jìn)系統(tǒng)是由4支相同規(guī)格的雙作用液壓缸作為執(zhí)行元件.目前工程中為4個(gè)推進(jìn)油缸并聯(lián)的形式，任意工況下所有推進(jìn)油缸無桿腔的壓力均相等，使得TBM在開挖曲線隧道進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或直線隧道進(jìn)行姿態(tài)糾偏后，由4個(gè)推進(jìn)油缸共同作用的推進(jìn)合力不再沿掘進(jìn)方向，刀盤受到垂直于掘進(jìn)方向的有害力.在該條件下，刀盤的邊刀易損壞，主梁焊縫易開裂，護(hù)盾對(duì)圍巖的擾動(dòng)增加，也會(huì)造成刀盤中心偏離預(yù)定軌跡，嚴(yán)重影響了關(guān)鍵部件的使用壽命，降低了隧道的開挖精度.國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)TBM進(jìn)行研究.Yagiz等[5]提出基于2種非線性工具的TBM性能預(yù)測，Gholamnejad等[6]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到TBM掘進(jìn)速度預(yù)測中，龔秋明等[7]研究巖體條件、TBM機(jī)器參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響.目前，研究主要集中在使用不同的控制策略對(duì)TBM進(jìn)行選型、性能預(yù)測以及探究施工環(huán)境對(duì)TBM工作的影響，沒有對(duì)TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)等實(shí)際執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行研究.本文建立推進(jìn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，分析當(dāng)前推進(jìn)系統(tǒng)的不足，提出推進(jìn)缸分組姿態(tài)自適應(yīng)的控制方法，減小了垂直于掘進(jìn)方向的有害分力，實(shí)現(xiàn)了TBM推進(jìn)系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng).以羅賓斯TBM253-282為模型，通過MATLAB、AMESim、ADAMS 3個(gè)軟件的聯(lián)合仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性.

1 TBM推進(jìn)系統(tǒng)工作原理

1.1 TBM工作過程

如圖1所示，敞開式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)主要由刀盤、護(hù)盾、主梁、撐靴、推進(jìn)油缸等構(gòu)成.工作時(shí)撐靴在撐靴油缸的作用下?lián)尉o洞壁，4支規(guī)格相同的推進(jìn)油缸對(duì)稱分布在主梁兩側(cè)，缸筒連接撐緊洞壁的撐靴.缸桿與主梁相連，通過主梁迫使刀盤壓緊巖石掌子面，使得刀盤上的滾刀能夠貫入到巖石掌子面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤裝有刀具，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的切削[8].TBM每完成一個(gè)推進(jìn)行程后，后支撐油缸伸出撐緊地面，撐靴油缸帶動(dòng)撐靴收回，推進(jìn)油缸復(fù)位帶動(dòng)撐靴等部件前移，完成一次換步.TBM的工作過程是不斷循環(huán)推進(jìn)與換步的過程.

圖1 隧道掘進(jìn)機(jī)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of tunnel boring machine

1.2 TBM推進(jìn)液壓系統(tǒng)

推進(jìn)液壓系統(tǒng)包括高壓低速回路和低壓高速回路.高壓低速回路用于一般掘進(jìn)時(shí)，低壓高速回路一般用于TBM迅速通過隧洞初始段的預(yù)挖隧道.

如圖2所示為TBM推進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理圖.在高壓推進(jìn)時(shí)通過預(yù)先設(shè)定壓力值的減壓閥1控制4支推進(jìn)油缸無桿腔的壓力，電磁換向閥2.1控制高壓推進(jìn)時(shí)刀盤的前進(jìn)后退.電磁換向閥2.2通過控制插裝閥4.1～4.6控制刀盤的快速前進(jìn)和后退.

圖2 隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)Fig.2 Thrust hydraulic system of tunnel boring machine

1.3 TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

在開挖曲線隧道和進(jìn)行軌跡糾偏時(shí)，對(duì)TBM姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，通過擺動(dòng)主梁調(diào)整掘進(jìn)方向.主梁偏轉(zhuǎn)后，左右側(cè)推進(jìn)油缸與主梁的夾角不同，造成刀盤所受到的推進(jìn)合力偏離掘進(jìn)方向，刀盤受到垂直于掘進(jìn)方向的干擾力.為了探究推進(jìn)力隨主梁偏角和推進(jìn)距離的變化規(guī)律，須建立推進(jìn)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型.應(yīng)用廣泛的羅賓斯產(chǎn)品在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時(shí)，一般都停止掘進(jìn).施工中，為了提高效率，多在每一推進(jìn)行程的初始位置進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整.本文以該種工作順序?yàn)槔?，建立水平姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)與推進(jìn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型.本文只探究水平姿態(tài)的調(diào)整過程，將TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)簡化為平面機(jī)構(gòu).

以撐靴油缸中心為A點(diǎn)，以撐靴缸軸線為x 軸，垂直于軸線方向?yàn)閥軸，作坐標(biāo)系A(chǔ)-xyz為系A(chǔ).以主梁中心線與推進(jìn)油缸桿端耳環(huán)中心連接線的交點(diǎn)為A1點(diǎn)，作坐標(biāo)系A(chǔ)1-x1y1z1為系A(chǔ)1，系A(chǔ)1在主梁角度調(diào)整后可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)至系A(chǔ)2位置，再沿直線推進(jìn)后平移至系A(chǔ)3位置.如圖3所示為姿態(tài)調(diào)整和推進(jìn)示意圖，標(biāo)明了各坐標(biāo)系的位置.任意點(diǎn)在系A(chǔ)中的坐標(biāo)可以表示為

式中：（r）A為任意點(diǎn)在系A(chǔ)中的坐標(biāo)，b為某一推進(jìn)行程初始位置且主梁垂直與撐靴油缸軸線時(shí)推進(jìn)油缸桿端耳環(huán)中心到撐靴油缸軸線的距離，（r）A1為任意點(diǎn)在系A(chǔ)1中的坐標(biāo).任意點(diǎn)在系A(chǔ)1中的坐標(biāo)可以表示為

式中：s為刀盤中心到左右推進(jìn)油缸桿端耳環(huán)中心連接線的距離；

其中θ為主梁偏角，規(guī)定沿掘進(jìn)方向向右偏轉(zhuǎn)為正；（r）A2為任意點(diǎn)在系A(chǔ)2中的坐標(biāo).任意點(diǎn)在系A(chǔ)2中的坐標(biāo)可以表示為

圖3 TBM水平姿態(tài)調(diào)整與推進(jìn)示意圖Fig.3 Diagram of horizontal steering and advancing

式中：x為姿態(tài)調(diào)整后主梁推進(jìn)的距離，（r）A3為任意點(diǎn)在系A(chǔ)3中的坐標(biāo).

工程中TBM上裝有主梁偏轉(zhuǎn)角傳感器和油缸位移傳感器，因此將主梁推進(jìn)距離x用主梁偏轉(zhuǎn)角度θ與推進(jìn)油缸長度l（取左推進(jìn)油缸）來表示：

為了簡化公式，在下式中采用x表示.將式（2）、（3）代入式（1），可得

定義系A(chǔ)與系A(chǔ)3分別為機(jī)構(gòu)分析的參考坐標(biāo)系和固結(jié)在機(jī)構(gòu)上的動(dòng)坐標(biāo)系.

用向量λ1和λ2在系A(chǔ)中的坐標(biāo)分別表示沿掘進(jìn)方向主梁左右側(cè)推進(jìn)油缸在任意時(shí)刻的位置姿態(tài)：

式中：a為左右推進(jìn)油缸桿端耳環(huán)中心的距離，r＇為左右推進(jìn)缸缸筒端耳環(huán)中心距離的一半，c為推進(jìn)缸缸筒端耳環(huán)中心與撐靴缸軸線的距離.

主梁的一方向向量為

推進(jìn)缸與主梁的夾角可以表示為

式中：β為右側(cè)推進(jìn)油缸與主梁的夾角.

對(duì)主梁水平方向進(jìn)行受力分析，可得

式中：α為左側(cè)推進(jìn)油缸與主梁的夾角.

式中：F=2p A，其中p為推進(jìn)油缸無桿腔的壓力，A為推進(jìn)油缸無桿腔的面積；FV為刀盤所受垂直掘進(jìn)方向的干擾力（推進(jìn)干擾力），F(xiàn)B為鞍架對(duì)主梁的作用力，F(xiàn)P為主梁提供的沿掘進(jìn)方向的推進(jìn)力（推進(jìn)正壓力）.根據(jù)式（15）可得

將羅賓斯直徑為7.23 m的TBM253-282參數(shù)代入式（10）～（13），主要參數(shù)如表1所示，可得推進(jìn)油缸與主梁夾角和推進(jìn)力在一個(gè)推進(jìn)行程內(nèi)的變化圖像，如圖4～7所示.以θ為正時(shí)為例，說明各參數(shù)隨主梁偏角的變化情況.從圖4、5可以看出，推進(jìn)油缸與主梁的夾角在掘進(jìn)過程中減??；當(dāng)主梁偏轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，左側(cè)推進(jìn)油缸與主梁的夾角變大，右側(cè)推進(jìn)油缸與主梁的夾角減小.從圖6、7可以看出，推進(jìn)正壓力在一個(gè)推進(jìn)行程中隨刀盤的前進(jìn)逐漸增大，推進(jìn)干擾力隨主梁偏角的增大而增大.

表1 TBM253-282主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of TBM253-282

圖4 左側(cè)推進(jìn)油缸與主梁間夾角變化圖Fig.4 Angle between main beam and left thrust hydraulic cylinders

圖5 右側(cè)推進(jìn)油缸與主梁間夾角變化圖Fig.5 Angle between main beam and right thrust hydraulic cylinders

圖6 推進(jìn)干擾力變化圖Fig.6 Changes of disturbing force

圖7 推進(jìn)正壓力變化圖Fig.7 Changes of thrust force parallel with main beam

2 姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)

2.1 分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)

為了降低TBM在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整后，推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)刀盤邊刀、主梁等關(guān)鍵部件的損害以及對(duì)隧道開挖軌跡的干擾，本文將主梁兩側(cè)的推進(jìn)油缸分為左、右2組，每組由一個(gè)比例減壓閥單獨(dú)控制，通過控制左右組推進(jìn)油缸無桿腔的壓力，保證主梁只對(duì)刀盤提供沿掘進(jìn)方向的正壓力，降低垂直掘進(jìn)方向的干擾力.如圖8所示為推進(jìn)缸分組的液壓原理圖，圖中二位四通電磁換向閥6保證TBM在高壓推進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)分組，低壓快速時(shí)仍保持所有推進(jìn)油缸并聯(lián).比例減壓閥1.1控制左組油缸的壓力，1.2控制右組推進(jìn)油缸.

先導(dǎo)式比例減壓閥帶有流量穩(wěn)定器，先導(dǎo)閥流量在流量穩(wěn)定器的作用下基本保持穩(wěn)定而不受主閥壓力和主油路流量變化的影響，可以保證先導(dǎo)式比例減壓閥出口的壓力比較精準(zhǔn)地跟隨輸入信號(hào)變化.在負(fù)載突然增大、壓力高于設(shè)定值的情況下，通過泄油口泄油，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)油缸無桿腔的壓力對(duì)任意信號(hào)的跟蹤.

圖8 分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)Fig.8 Thrust hydraulic system with cylinders divided in groups

2.2 姿態(tài)自適應(yīng)控制策略

為了減小TBM不同姿態(tài)下主梁對(duì)刀盤的推進(jìn)干擾力，提出姿態(tài)自適應(yīng)控制策略.如圖9所示為姿態(tài)自適應(yīng)控制原理框圖，主要包括力方向計(jì)算器，力分組求解器和油缸壓力閉環(huán)控制由主梁傾角傳感器測得主梁偏角θ，由位移傳感器測得左推進(jìn)油缸的位移，經(jīng)過處理后求得左推進(jìn)油缸的長度l；力方向計(jì)算器根據(jù)輸入的主梁偏角和推進(jìn)缸位移長度求解出TBM在當(dāng)前位置下左右組推進(jìn)油缸與主梁的夾角；力分組求解器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下TBM刀盤所需的正壓力，求解出左右組推進(jìn)油缸無桿腔的油液壓力，作為對(duì)應(yīng)比例減壓閥的輸入信號(hào).通過對(duì)左、右組推進(jìn)油缸的壓力分配，優(yōu)化刀盤的受力狀況.為了提高控制精度，采用PID作為控制器對(duì)推進(jìn)油缸壓力進(jìn)行閉環(huán)控制.利用壓力傳感器測得的壓力信號(hào)與力分組求解器輸出的壓力信號(hào)的偏差，作為PID控制器的輸入.

圖9 姿態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)原理圖Fig.9 Working principle of attitude self-adaption system

采用分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)，主梁在水平方向的受力為

式中：FL為左推進(jìn)油缸作用于主梁上的力，F(xiàn)R為右推進(jìn)油缸作用于主梁方向上的力.為了保證刀盤所受到的FV為零，根據(jù)式（15）可以求得左、右組推進(jìn)油缸的壓力：

式中：pL為左組推進(jìn)油缸無桿腔的壓力，pR為右組推進(jìn)油缸無桿腔的壓力.

3 聯(lián)合仿真分析

機(jī)電液一體化系統(tǒng)都是由各學(xué)科領(lǐng)域的子系統(tǒng)組成，這些部件、子系統(tǒng)相互作用，組成一個(gè)有機(jī)的整體.為了得到復(fù)雜系統(tǒng)整體性能的準(zhǔn)確仿真結(jié)果，必然涉及到多領(lǐng)域協(xié)同仿真[9-10].機(jī)電液聯(lián)合仿真是指在對(duì)系統(tǒng)中的機(jī)械、液壓、電子、控制等子系統(tǒng)分別利用各自領(lǐng)域軟件進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，通過組裝得到整體仿真模型，然后利用不同領(lǐng)域仿真模型的相互協(xié)調(diào)共同完成大系統(tǒng)仿真的方法[11].聯(lián)合仿真發(fā)揮了各軟件的優(yōu)勢(shì)，使得建模更加簡單，避免了建立數(shù)學(xué)模型時(shí)對(duì)系統(tǒng)的簡化，使得模型更加準(zhǔn)確[12-14].

在Solidworks中建立TBM253-282三維模型，導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行約束建立動(dòng)力學(xué)模型，在AMESim中建立推進(jìn)液壓系統(tǒng)的模型，在Simulink中建立控制系統(tǒng)模型.利用ADAMS模擬TBM在實(shí)際掘進(jìn)時(shí)位置及姿態(tài)的變化，利用軟件自帶函數(shù)測得所需的參數(shù)，傳遞給Simulink.Simulink在接收到ADAMS傳遞過來的數(shù)據(jù)后，通過控制系統(tǒng)的運(yùn)算，對(duì)左、右兩組的推進(jìn)油缸無桿腔的壓力進(jìn)行分配，并將左、右組油缸所需的壓力傳遞給AMESim.AMES-im接收到壓力信號(hào)后，三通比例減壓閥作出響應(yīng)，AMESim通過Simulink中的接口將油缸輸出力傳遞給ADAMS，最后在MATLAB中控制3個(gè)軟件同時(shí)進(jìn)行仿真，最終實(shí)現(xiàn)三者的聯(lián)合仿真.

3.1 使用ADAMS建立動(dòng)力學(xué)模型

將Solidworks中建立的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，根據(jù)TBM的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立相應(yīng)的約束，施加載荷和驅(qū)動(dòng)力.在ADAMS中建立狀態(tài)變量，將狀態(tài)變量與推進(jìn)油缸的位移、主梁偏角、驅(qū)動(dòng)力等相關(guān)聯(lián)，通過狀態(tài)變量的傳遞實(shí)現(xiàn)與Simulink的數(shù)據(jù)交換.

3.2 使用AMESim建立推進(jìn)液壓系統(tǒng)模型

使用AMESim的機(jī)械庫、信號(hào)庫、液壓庫等建立雙比例閥為核心的液壓系統(tǒng).如圖10所示為AMESim中搭建的液壓系統(tǒng)模型.AMESim中提供了2種與Simulink的接口模塊，本文采用離散型接口模塊，通訊時(shí)間間隔為0.005 s.通過接口模塊，AMESim接收到Simulink傳遞來的油缸速度和比例減壓閥壓力信號(hào)，并將油缸輸出力和無桿腔當(dāng)前的壓力輸出到Simulink中.

3.3 使用Simulink建立控制系統(tǒng)模型

根據(jù)分組控制策略，在Simulink中借助S函數(shù)編寫力方向計(jì)算器和力分組求解器的程序.如圖11所示為控制模型.力方向計(jì)算器計(jì)算此時(shí)左、右組推進(jìn)油缸與主梁的夾角，力分組求解器輸出左、右組推進(jìn)油缸無桿腔的壓力.在Simulink中載入ADAMS導(dǎo)出的接口文件，實(shí)現(xiàn)與ADAMS的連通，借助Simulink提供的S函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與AMESim的連通.為了防止產(chǎn)生代數(shù)環(huán)，在控制回路中設(shè)置了延時(shí)環(huán)節(jié)[15].

3.4 對(duì)比分析

對(duì)于減壓閥為主控液壓元件的推進(jìn)系統(tǒng)，一個(gè)行程內(nèi)減壓閥的設(shè)定壓力為定值.根據(jù)表1的參數(shù)，設(shè)置推進(jìn)力為14 610k N，在主梁偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)取0.1°、0.3°、0.5°3種工況下進(jìn)行對(duì)比分析.如圖12（a）～（c）所示分別為當(dāng)主梁偏轉(zhuǎn)角度為0.1°、0.3°、0.5°時(shí)，2種推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)干擾力曲線.圖中，t為仿真時(shí)間，F(xiàn)V為推進(jìn)干擾力.從圖12可以看出，并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)干擾力分別為27、83、275k N，姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)在階躍啟動(dòng)時(shí)推進(jìn)干擾力分別為5、7、12k N，降低為并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)的5％～20％.穩(wěn)定后降低為并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)的2％.

圖10 AMESim中的液壓系統(tǒng)模型Fig.10 Hydraulic system model in AMESim

圖11 Simulink中的控制系統(tǒng)模型Fig.11 Control system model in Simulink

為了驗(yàn)證姿態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在45和55 s增加了階躍信號(hào).系統(tǒng)響應(yīng)如圖13所示.如圖13（a）～（c）分別為當(dāng)主梁偏轉(zhuǎn)角度為0.1°、0.3°、0.5°時(shí)，姿態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)的推進(jìn)正壓力響應(yīng)曲線.對(duì)比仿真曲線可以看出：姿態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)推進(jìn)正壓力的響應(yīng)狀況與主梁偏角關(guān)系較小；當(dāng)推進(jìn)正壓力信號(hào)有階躍突變時(shí)，系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，超調(diào)量不大于4％，具有良好的穩(wěn)定性.

4 結(jié) 論

（1）姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)大幅度減小了原有推進(jìn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的推進(jìn)干擾力，改善了關(guān)鍵部件的受力狀況，提高了關(guān)鍵部件的使用壽命，避免了因推進(jìn)干擾力使刀盤中心偏離預(yù)定軌跡的現(xiàn)象.

（2）姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)正壓力超調(diào)可以控制在5％以內(nèi)，響應(yīng)較快，具有良好的穩(wěn)定性.

（3）姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)控制策略簡單，易于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，有利于TBM施工自動(dòng)化，為姿態(tài)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ).

（

）：

[1]杜彥良，杜世杰.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)-系統(tǒng)原理與集成設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：1-16.nel boring machine（TBM）selection using fuzzy multicriteria decision making methods[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2012，30：194-204.

[2]吳波，陽軍生.巖石隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2008：1-3.

[3]周賽群.全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

ZHOU Sai-qun.Study on drive system of the full-face rock tunnel boring machine[D].Hangzhou：Zhejiang University，2008.

[4]張鏡劍，傅冰駿.隧道掘進(jìn)機(jī)在我國應(yīng)用的進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（2）：226-238.

ZHANG Jing-jian，F(xiàn)U Bing-jun.Advances in tunnel boring machine application in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（2）：226-238.

[5]YAGIZ S，GOKCEOGLU C，SEZER E.Application of two non-linear prediction tools to the estimation of tunnel boring machine performance[J].Engineering Applications of Articial Intelligence，2009，22（4/5）：808-814.

[6]GHOLAMNEJAD J，TAYARANI N.Application of artificial neural networks to the prediction of tunnel boring machine penetration rate[J].Mining Science and Technology，2010，20（5）：727-733.

[7]龔秋明，佘祺銳，侯哲生，等.高地應(yīng)力作用下大理巖巖體的TBM掘進(jìn)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（12）：2522-2532.

GONG Qiu-ming，SHE Qi-rui，HOU Zhe-sheng，et al.Experimental study of TBM penetration in marble rock mass under high geostress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（12）：2522-2532.

[8]YAZDANI-CHAMZINI A，YAKHCHALI S H.Tun-

圖12 不同調(diào)向角度推進(jìn)干擾力曲線Fig.12 Disturbing force curves in different attitude angles

圖13 不同調(diào)向角度推進(jìn)正壓力曲線Fig.13 Thrust force curves in different attitude angles

[9]黃先祥，馬長林，高欽和，等.大型裝置起豎系統(tǒng)協(xié)同仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（1）：1-2.

HUANG Xian-xiang，MA Chang-lin，GAO Qin-he，et al.Studies for collaborative simulation of large erection mechanism system[J].Journal of System Simulation，2007，19（1）：1-2.

[10]李劍峰，汪建兵，林建軍，等.機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化案例解析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：1-10.

[11]熊光楞，郭斌，陳曉波，等.協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：1-5.

[12]韓壽松，晃智強(qiáng)，劉相波.基于ADAMS和AMESim的液壓六自由度平臺(tái)聯(lián)合仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2013，41（9）：157-159.

HAN Shou-song，CHAO Zhi-qiang，LIU Xiang-bo.Co-simulation study on stewart platform based on ADAMS and AMESim[J].Machine Tool and Hydraulics，2013，41（9）：157-159.

[13]王偉，傅新，謝海波，等.基于AMESim的液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模及藕合特性仿真[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，41（11）：1876-1880.

WANG Wei，F(xiàn)U Xin，XIE Hai-bo，et al.Modeling of AMESim based hydraulic parallel mechanism and simulation of its coupling characteristics[J].Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2007，41（11）：1876-1880.

[14]魏建華，杜恒，方向，等.基于ADAMS/Simulink/AMESim的油氣懸架道路友好性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（10）：11-17.

WEI Jian-hua，DU Heng，F(xiàn)ANG Xiang，et al.Roadfriendliness of interconnected hydro-pneumatic suspension based on ADAMS/Simulink/AMESim[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（10）：11-17.

[15]侯典清.盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)性及掘進(jìn)姿態(tài)控制研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

HOU Dian-qing.Research on compliance characteristics and attitude control of shield propulation system [D].Hangzhou：Zhejiang University，2013.

Adaptive attitude control of thrust system for hard rock tunnel boring machine

ZHANG Zhen1，GONG Guo-fang1，WU Wei-qiang1，LIU Tong1，RAO Yun-yi1，ZHOU Jian-jun2

（1.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology，China Railway Tunnel Group Limited Company，Zhengzhou 450003，China）

A new adaptive attitude（ADA）tunnel boring machine（TBM）thrust system was proposed to overcome the problem of the service life of critical components and tunnel excavation precision reduced by disturbing force produced by four cylinders connected in parallel（CCP）thrust system.The mathematical model of thrust mechanism was established.Four cylinders were divided into two groups and working pressure of each group was adjusted in real time.The comparison of ADA thrust system and CCP thrust system was conducted by using co-simulation of ADAMS AMESim and Simulink when the deflection angle was0.1°，0.3°and0.5°under rated thrust force.Results showed that the disturbing force in ADA thrust system was2％comparing to disturbing force in CCP thrust system.The overshoot of force paralleled to main beam in ADA thrust system was less than 5％.ADA thrust system can significantly improve performance in reducing the disturbing force，and the system has a good stability.

tunnel boring machine（TBM）；thrust system；attitude self-adaption；disturbing force

TH137；U 455

A

1008-973X（2015）10-1870-08

2015-03-16.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn/eng

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA041803）；國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目（2013CB035400）.

張振（1990—），男，碩士生，從事大型掘進(jìn)裝備電液控制技術(shù)的研究.E-mail：qlzhangzhen@163.com

龔國芳，男，教授.E-mail：gfgong@zju.edu.cn