盾構(gòu)機(jī)液壓及控制技術(shù)要點(diǎn)

1  典型的電液控制系統(tǒng)

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)傳遞功率大(一般超過(guò)1000kW)、運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，要求控制精度高、安裝空間小，并且工作環(huán)境惡劣。

近年迅速發(fā)展的電液控制(系統(tǒng))技術(shù)，綜合利用電子技術(shù)在信號(hào)檢測(cè)、放大、處理和傳輸方面的優(yōu)勢(shì)和液壓在功率轉(zhuǎn)換放大和執(zhí)行上的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成了盾構(gòu)動(dòng)力傳遞和控制的。典型的電液控制系統(tǒng)如圖1-4所示。

    盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程與位姿控制、地面沉降控制、測(cè)控導(dǎo)向和襯砌等是盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)。

  2  密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡的控制

    地面沉降的主要原因是密封艙壓力失衡。人們正深入研究分析掘進(jìn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的控制機(jī)理及其關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系，建立掘進(jìn)系統(tǒng)的以密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)液壓系統(tǒng)采用*的控制策略，自動(dòng)控制密封艙壓力，使地面沉降達(dá)到控制精度要求。

    3  掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

    為實(shí)現(xiàn)密封艙壓力的高精、高效控制，掘進(jìn)系統(tǒng)必須采用多子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，方式控制各了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，使控制變量進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化。分析盾構(gòu)機(jī)各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系及控制參數(shù)與密封艙壓力變化之間的映射關(guān)系，研究在冗余輸入和多維過(guò)約束條件下，實(shí)現(xiàn)以密封艙壓力平衡為目標(biāo)的非線性強(qiáng)耦合掘進(jìn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，是盾構(gòu)機(jī)液壓控制所面臨的重大技術(shù)難題。

    4  運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)劃與位姿控制

盾構(gòu)機(jī)的位姿可用其偏離設(shè)計(jì)軸線的位置和夾角來(lái)描述，通過(guò)控制推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)位姿控制。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)位姿控制的研究，日本走在了世界前列，發(fā)表了較多相關(guān)研究成果。SAKAI等于1987年建立了位姿的自回歸預(yù)測(cè)控制模型。IMAI等設(shè)計(jì)了一種位姿控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的位姿數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇液壓缸的開(kāi)一關(guān)模式，以此來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)的位置和角度。SAKAI等提出了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，盾構(gòu)機(jī)行為以及方向的控制方法。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)控制的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者李惠平等提出了一種“先分后合”的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，這一方法可以大大減少控制規(guī)則的數(shù)量，從而極大地減少了確定這些規(guī)則的工作量，而且使控制器的性能易于調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)學(xué)者周奇才等提出了盾構(gòu)位姿的智能化控制方法，引入模糊控制理論，根據(jù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)時(shí)偏差量，通過(guò)模糊控制器得出千斤頂糾偏控制量，后，綜合推估推力和糾偏推力，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)的自動(dòng)控制。

深入分析盾構(gòu)機(jī)位姿的影響因素，建立盾構(gòu)機(jī)的位姿控制模型，在此基礎(chǔ)上研究盾構(gòu)機(jī)在非完整欠驅(qū)動(dòng)約束條件下位姿的全局可控和小時(shí)間局部可控性，姿態(tài)控制律的求取等，都是實(shí)現(xiàn)位姿自動(dòng)控制所要解決的至關(guān)重要的問(wèn)題；同時(shí)，研究盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡的實(shí)時(shí)多目標(biāo)優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，也是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)位姿以及軌跡跟蹤自動(dòng)控制的重要基礎(chǔ)。

    5  管片的自動(dòng)拼裝

早期的管片拼裝由熟練技工進(jìn)行手工作業(yè)，但手工作業(yè)存在著許多的弊端，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。因此，世界各國(guó)都希望在管片拼裝作業(yè)中引入自動(dòng)化技術(shù)。

1988年，日本早使用管片自動(dòng)化拼裝設(shè)備。隨著自動(dòng)拼裝機(jī)器人的引入，管片自動(dòng)化拼裝技術(shù)得到了迅速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)高精度的管片自動(dòng)拼裝，有人提出了采用激光裂隙照明小斷面的方法和數(shù)字伺服控制技術(shù)。針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的管片拼裝控制，有人提出了一個(gè)任務(wù)導(dǎo)向力控制系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)了任務(wù)導(dǎo)向的坐標(biāo)系統(tǒng)，后給出了具有液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人的混合動(dòng)力控制算法，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)是有效。隧道協(xié)會(huì)制定了各種隧道管片拼裝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為了實(shí)現(xiàn)管片的粗定位和姿態(tài)在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上微調(diào)，國(guó)內(nèi)學(xué)者錢(qián)曉剛等開(kāi)發(fā)了一種6自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的管片拼裝機(jī)，整體機(jī)構(gòu)串聯(lián)中間包含一個(gè)2自由度五桿機(jī)構(gòu)，分析了正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了其正確性。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙志杰等基于通用管片與盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)軸線的兒何特征，利用多環(huán)組合的方法選取通用管片的拼裝點(diǎn)位、制定切向糾偏路線，并基于Unigraphics開(kāi)發(fā)了管片的虛擬拼裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通用管片三維動(dòng)態(tài)虛擬拼裝及拼裝偏差報(bào)告的輸出。

目前，歐洲和日本等國(guó)已成功實(shí)施了管片的全自動(dòng)拼裝，包括管片的輸送、拼裝機(jī)鉗住管片、管片就位、管片接頭螺栓的自動(dòng)穿孔和擰緊等工序的自動(dòng)化。如BRAKSMA等建立了機(jī)器人操縱器的動(dòng)態(tài)模型，利用反饋線性化技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于位置和力的混雜控制器，使機(jī)器人操縱器的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)具有7自由度，用于管片的支護(hù)與拼裝工作，實(shí)現(xiàn)了高精度、全自動(dòng)化控制。

    6  控制系統(tǒng)的集成與優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤(pán)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等各了系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)、通信和控制，同時(shí)考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)多驅(qū)動(dòng)源、多組成單元、多執(zhí)行元件、功率變化大的特點(diǎn)，因此在建立液壓控制系統(tǒng)時(shí)必須以高性能、低能耗和低成本為目標(biāo)。

在壓力、流量等參數(shù)通過(guò)機(jī)械／液壓反饋形成“小閉環(huán)”的基礎(chǔ)上，土壓、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、出土量等盾構(gòu)工作參數(shù)可以通過(guò)電反饋的形式形成“大閉環(huán)”，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗允苟軜?gòu)施工的地面沉降控制、推進(jìn)速度和方向控制、刀盤(pán)切削功率控制等實(shí)現(xiàn)智能化。

進(jìn)一步研究多源液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)控制性能和系統(tǒng)效率的相關(guān)關(guān)系，以及系統(tǒng)控制參數(shù)、過(guò)程變量與能耗的映射規(guī)律等，設(shè)計(jì)以掘進(jìn)性能、節(jié)能為約束條件，適應(yīng)不同地質(zhì)情況的集掘進(jìn)裝備實(shí)時(shí)檢測(cè)、信息融合和協(xié)調(diào)控制于一體的集成優(yōu)化控制系統(tǒng)，是盾構(gòu)機(jī)液壓及控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

7  注重節(jié)能

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)或推進(jìn)具有功率大，功率變化范圍寬的特點(diǎn)。負(fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大。如果采用閥控馬達(dá)的系統(tǒng)形式，系統(tǒng)功率必然按所需的大功率設(shè)計(jì)，在遇到欠負(fù)載工況時(shí)，系統(tǒng)效率低下，大量的功率將通過(guò)熱的形式耗散，使系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。采用負(fù)載敏感和全局功率自適應(yīng)的泵控馬達(dá)／缸系統(tǒng)是解決這一問(wèn)題的有效途徑。