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

1、 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制 摘要：隨著當(dāng)前我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，在工程設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的油缸并聯(lián)推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，如在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)下其產(chǎn)生的干擾力容易降低設(shè)備關(guān)鍵部件的使用壽命、影響隧道掘進(jìn)精度等，提出了姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)。因此本文主要分析硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，探究其姿態(tài)自適應(yīng)控制的策略，旨在提高硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)；推進(jìn)系統(tǒng)；姿態(tài)自適應(yīng)；控制前言硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)是一種集合了機(jī)械、液壓以及電氣控制等，用于硬質(zhì)巖石地質(zhì)的大型隧道開挖設(shè)備。在工程項(xiàng)目中應(yīng)用硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)施工法具有效率高、施工安全、對(duì)環(huán)境影響較

2、小的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前在大多數(shù)的硬質(zhì)巖石隧道開挖作業(yè)中得到普及應(yīng)用。但硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中會(huì)遭遇各種突發(fā)狀況，影響推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及設(shè)備姿態(tài)。自從姿態(tài)自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)后，硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。1 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理1.1硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)工作過程硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)主要是以敞開式為主，其基本構(gòu)建包括刀盤、主梁、撐靴、護(hù)盾、推進(jìn)油缸及后支撐等組成；撐靴靴板與撐靴油缸缸桿固定；推進(jìn)油缸共四根油缸分布在主梁兩側(cè)，缸筒與撐靴連接，缸桿與主梁連接。在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，撐靴油缸伸出使靴板撐緊洞壁，控制液壓系統(tǒng)向推進(jìn)油缸無桿腔注油，為主梁及刀盤提供反作用力，從而促使刀盤能夠壓緊巖石的

3、掌子面，滾刀能夠順利的貫入到巖石中。刀盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道巖石的切削掘進(jìn)。在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)工作過程中，每完成一次推進(jìn)行程，后支撐油缸伸出撐緊地面，撐靴油缸作用將撐靴收回，推進(jìn)油缸進(jìn)行復(fù)位促使撐靴遷移，進(jìn)而完成一次換步。所以實(shí)際上硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)工作即是不斷循環(huán)推進(jìn)和換步的過程1。1.2 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)分為低壓高速回路以及高壓低速回路兩種模式：低壓高速回路通常用于隧道隧洞開挖的初期階段，即是用于預(yù)挖隧道作業(yè)活動(dòng)中，高壓低速回路則是應(yīng)用于隧道隧洞掘進(jìn)工作中。硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的工作原理是利用高壓推進(jìn)模式促使電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的刀盤切入巖石，原理如下：1

4、、預(yù)先設(shè)定好壓力值的減壓閥控制推進(jìn)油缸內(nèi)的壓力，2、電磁換向閥能夠有效的控制刀盤的前進(jìn)和后退，3、比例溢流閥控制刀盤推進(jìn)速度；從而實(shí)現(xiàn)硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)正常開展掘進(jìn)作業(yè)2。2 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)自適應(yīng)控制系統(tǒng)2.1 分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)是硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)為了在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整后，防止推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械刀盤以及主梁等部件產(chǎn)生的損害，減少其對(duì)隧道開挖軌跡的干擾程度。其中在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中，主要是將主梁兩側(cè)的油缸分為兩組，同一側(cè)為相同組，即可分為左右兩組，在工作狀態(tài)下，每組都會(huì)由一個(gè)比例減壓閥來對(duì)刀盤推進(jìn)進(jìn)行單獨(dú)控制，通過調(diào)整左右兩組的推進(jìn)油缸無桿腔的壓力，確保主梁能夠?yàn)榈侗P旋轉(zhuǎn)掘

5、進(jìn)方向提供正壓力，有效的減少垂直掘進(jìn)方向的干擾。而硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)的主要原理：1.通過四通電磁換向閥來控制機(jī)械在高壓推進(jìn)，保障推進(jìn)油缸分為左右兩組。2.低壓高速工作模式下能夠保障所有的推進(jìn)油缸實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，此時(shí)比例減壓閥可以控制左側(cè)分組的油缸壓力和右側(cè)分組的推進(jìn)油缸3。另外一方面在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)分組推進(jìn)液壓系統(tǒng)中，先導(dǎo)式比例減壓閥一般都帶有流量穩(wěn)定器，并在其作用之下，先導(dǎo)流量法可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，而不會(huì)收到主閥壓力以及主油路流量變化而產(chǎn)生影響。最大限度的確保先導(dǎo)式比例減壓閥可以根據(jù)輸入信號(hào)來進(jìn)行壓力控制。比如在負(fù)載變大、壓力高于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，則可以通過泄油口進(jìn)行泄油，從而能夠保障推進(jìn)油

6、缸無桿腔內(nèi)的壓力對(duì)任何信號(hào)的跟蹤。2.2 姿態(tài)自適應(yīng)控制策略硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制即是在機(jī)械不同的姿態(tài)下，盡可能的減少主梁對(duì)刀盤推進(jìn)的干擾力。針對(duì)這一要求可以提出相關(guān)的控制策略，由于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)自適應(yīng)控制的原理是基于力方向計(jì)算器以及力分組求解器、油缸壓力閉環(huán)控制等，在主梁傾角傳感器對(duì)主梁偏角進(jìn)行測(cè)量后，通過左移傳感器能夠獲得左推進(jìn)油缸的位移參數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理求得左推進(jìn)有油缸的長(zhǎng)度。而力方向計(jì)算器可以在輸入主梁偏角以及推進(jìn)油缸位移長(zhǎng)度，計(jì)算出硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)在當(dāng)前位置上，左右兩組推進(jìn)油缸與主梁之間存在的夾角。利用力分組求解器可以在當(dāng)前硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)下，計(jì)算求解

7、出硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤工作所需的正壓力，進(jìn)而能夠得到左右分組推進(jìn)油缸無桿腔的準(zhǔn)確油液壓力，從而能夠獲得相對(duì)精準(zhǔn)的比例減壓閥的輸入信號(hào)。最后有效的分配左右分組推進(jìn)油缸的壓力，保障刀盤的受力情況能夠得到優(yōu)化。此外為了最大限度的保障控制的精確度，通常利用plc來作為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)油缸壓力實(shí)現(xiàn)有效控制，準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制任務(wù)，并通過plc的網(wǎng)絡(luò)通信接口建立實(shí)時(shí)通信，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿淼劳獾膚das系統(tǒng)中。此外plc有自動(dòng)扭矩控制和自動(dòng)推力控制兩中工作模式，有利于實(shí)現(xiàn)tbm控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。3 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制聯(lián)合仿真由于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)是一種比

8、較典型的機(jī)電液一體化系統(tǒng)，其是由多種學(xué)科領(lǐng)域中的部件和子系統(tǒng)組成，所以具有一定的復(fù)雜性，為了保障硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)整體性能的良好，需要進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同仿真分析。首先要建立硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，因?yàn)樵谇€隧道和軌跡糾偏作業(yè)時(shí)，需要對(duì)硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，即是通過對(duì)主梁擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)方向的調(diào)節(jié)，因此主梁偏轉(zhuǎn)之后，左右分組的推進(jìn)油缸會(huì)與主梁之間形成的夾角有所不同，刀盤在這一過程中就會(huì)受到推進(jìn)合理而導(dǎo)致掘進(jìn)方向的偏離，受到垂直掘進(jìn)方向的干擾。建立數(shù)學(xué)模型的主要目的即是為了探究推進(jìn)力在主梁偏角和推進(jìn)距離的作用下而產(chǎn)生的變化規(guī)律。而一般情況下硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整都

9、需要行程的初始位置進(jìn)行，因此可以構(gòu)建水平姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)與推進(jìn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，即為：fp=f(cos+cos)，fv=fa/2（cos-cos）+（x+b）（sin-sin）/x+b+s（x為以撐靴缸軸線的橫坐標(biāo)抽線、b為某一推進(jìn)行程初始位置且主梁垂直于撐靴油缸軸線時(shí)，推進(jìn)油缸桿端耳環(huán)中心到撐靴油缸軸線的距離，、分別為左、右側(cè)油缸與主梁之間的夾角）式中p為推進(jìn)油缸無桿腔內(nèi)的壓力、a為腔面積；fv則是刀盤的推進(jìn)干擾力、fp為主梁的推進(jìn)正壓力。在聯(lián)合仿真分析中，通過使用adams建立動(dòng)力學(xué)模型以及使用amsesim建立推進(jìn)液壓系統(tǒng)模型、借助simulink建立控制系統(tǒng)模型等進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制能夠減小推進(jìn)干擾力，有效的避免了推進(jìn)干擾力導(dǎo)致刀盤發(fā)生偏移預(yù)定軌跡的問題，同時(shí)將推進(jìn)正壓力超調(diào)在5%以內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)最快相應(yīng)，保障穩(wěn)定性。結(jié)束語綜上所述，硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)自適應(yīng)控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際的工程作業(yè)中容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，而且有利于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化，在該領(lǐng)域中為硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)基礎(chǔ)，提供了有效的技術(shù)支持，促