[硬岩掘进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 摘要：隧道掘进机是集机械、电气、液压、系统控制和材料等多学科领域于一体，专用于地下大长深隧道开挖的重大工程装备。作为盾构掘进机向前顶进施工的关键部分，推进液压系统不仅要承担直线隧道的掘进任务，而且还要承担曲线隧道掘进，隧道纠偏以及管片拼装时的单独退回等相关动作要求，因此推进液压系统性能的优劣直接影响着盾构掘进机的整体性能。本文以m盾构掘进机为研究对象，通过对其推进液压系统进行设计研究，为盾构的国产化提供有益的借鉴。文章的主要内容和结果如下： 首先介绍了课题研究的背景与意义，提出了几种典型的盾构推进液压系统，概述了盾构掘进机推进液压系统国内外研究现状，指出了现阶段研究中存在的难题。 其次针对m盾构掘进机，提出了推进系统的设计要求和设计方案，并依据相关工程地质，进行了土压力的计算以及液压缸的分区设计和优化，为后文控制系统的设计奠定了基础。 再次对工程施工中盾构掘进姿态进行了分析并提出了姿态控制的策略，通过将模糊自适应PID智能控制策略引入对盾构掘进姿态的控制调整，有效地控制了地表沉降，提高了施工质量。 最后通过AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真平台上将盾构掘进机的机械系统和控制系统有机地联系起来进行仿真研究，分别验证了该系统对阶跃响应、正弦响应和斜坡响应的控制效果，最终通过某施工现场试验对设计的盾构掘进机液压推进系统进行了验证，证明了该推进液压系统的正确性。 关键词：盾构掘进机；推进系统；模糊PID;联合仿真 论文类型：应用基础研究 目 录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%；贾连辉对盾构机推进液压系统的比例压力流量复合控制方案和比例减压阀控制方案进行了对比研究，认为两种控制方案各有优劣。 在盾构掘进机推进速度控制算法研究方面，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