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盾構(gòu)機液壓及控制技術(shù)要點
1 典型的電液控制系統(tǒng)
盾構(gòu)掘進機傳遞功率大(一般超過1000kW)、運動復(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)在信號檢測、放大、處理和傳輸方面的優(yōu)勢和液壓在功率轉(zhuǎn)換放大和執(zhí)行上的優(yōu)勢，已經(jīng)成了盾構(gòu)動力傳遞和控制的。典型的電液控制系統(tǒng)如圖1-4所示。
盾構(gòu)掘進過程與位姿控制、地面沉降控制、測控導(dǎo)向和襯砌等是盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)的技術(shù)要點。
2 密封艙壓力動態(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系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的控制機理及其關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系，建立掘進系統(tǒng)的以密封艙壓力動態(tài)平衡為目標的控制模型，在此基礎(chǔ)上對液壓系統(tǒng)采用*的控制策略，自動控制密封艙壓力，使地面沉降達到控制精度要求。
3 掘進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制
為實現(xiàn)密封艙壓力的高精、高效控制，掘進系統(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)的運動，使控制變量進行全過程的實時調(diào)整和優(yōu)化。分析盾構(gòu)機各子系統(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約束條件下，實現(xiàn)以密封艙壓力平衡為目標的非線性強耦合掘進控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，是盾構(gòu)機液壓控制所面臨的重大技術(shù)難題。
4 運動軌跡的動態(tài)規(guī)劃與位姿控制
盾構(gòu)機的位姿可用其偏離設(shè)計軸線的位置和夾角來描述，通過控制推進系統(tǒng)的液壓缸來實現(xiàn)位姿控制。對于盾構(gòu)機位姿控制的研究，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)測控制模型。IMAI等設(shè)計了一種位姿控制系統(tǒng)，通過檢測系統(tǒng)測量的位姿數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)自動選擇液壓缸的開一關(guān)模式，以此來控制盾構(gòu)機的位置和角度。SAKAI等提出了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，盾構(gòu)機行為以及方向的控制方法。針對盾構(gòu)機控制的特點，國內(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)自動測量系統(tǒng)測得的實時偏差量，通過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，實現(xiàn)盾構(gòu)推進姿態(tài)的自動控制。
深入分析盾構(gòu)機位姿的影響因素，建立盾構(gòu)機的位姿控制模型，在此基礎(chǔ)上研究盾構(gòu)機在非完整欠驅(qū)動約束條件下位姿的全局可控和小時間局部可控性，姿態(tài)控制律的求取等，都是實現(xiàn)位姿自動控制所要解決的至關(guān)重要的問題；同時，研究盾構(gòu)掘進過程運動目標軌跡的實時多目標優(yōu)化算法，實現(xiàn)掘進過程運動軌跡的動態(tài)規(guī)劃，也是實現(xiàn)盾構(gòu)機位姿以及軌跡跟蹤自動控制的重要基礎(chǔ)。
5 管片的自動拼裝
早期的管片拼裝由熟練技工進行手工作業(yè)，但手工作業(yè)存在著許多的弊端，嚴重影響施工質(zhì)量。因此，世界各國都希望在管片拼裝作業(yè)中引入自動化技術(shù)。
1988年，日本早使用管片自動化拼裝設(shè)備。隨著自動拼裝機器人的引入，管片自動化拼裝技術(shù)得到了迅速發(fā)展。為了實現(xiàn)高精度的管片自動拼裝，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)。針對盾構(gòu)掘進系統(tǒng)的管片拼裝控制，有人提出了一個任務(wù)導(dǎo)向力控制系統(tǒng)，并且設(shè)計了任務(wù)導(dǎo)向的坐標系統(tǒng)，后給出了具有液壓執(zhí)行機構(gòu)的并聯(lián)機器人的混合動力控制算法，試驗證明該系統(tǒng)是有效。隧道協(xié)會制定了各種隧道管片拼裝的設(shè)計準則，為了實現(xiàn)管片的粗定位和姿態(tài)在三個運動方向上微調(diào)，國內(nèi)學(xué)者錢曉剛等開發(fā)了一種6自由度混聯(lián)機構(gòu)的管片拼裝機，整體機構(gòu)串聯(lián)中間包含一個2自由度五桿機構(gòu)，分析了正運動學(xué)和逆運動學(xué)方程，并通過數(shù)值仿真驗證了其正確性。國內(nèi)學(xué)者趙志杰等基于通用管片與盾構(gòu)隧道設(shè)計軸線的兒何特征，利用多環(huán)組合的方法選取通用管片的拼裝點位、制定切向糾偏路線，并基于Unigraphics開發(fā)了管片的虛擬拼裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了通用管片三維動態(tài)虛擬拼裝及拼裝偏差報告的輸出。
目前，歐洲和日本等國已成功實施了管片的全自動拼裝，包括管片的輸送、拼裝機鉗住管片、管片就位、管片接頭螺栓的自動穿孔和擰緊等工序的自動化。如BRAKSMA等建立了機器人操縱器的動態(tài)模型，利用反饋線性化技術(shù)設(shè)計了一個關(guān)于位置和力的混雜控制器，使機器人操縱器的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)具有7自由度，用于管片的支護與拼裝工作，實現(xiàn)了高精度、全自動化控制。
6 控制系統(tǒng)的集成與優(yōu)化
為了實現(xiàn)盾構(gòu)機推進系統(tǒng)、刀盤系統(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)信息的實時檢測、通信和控制，同時考慮到盾構(gòu)掘進機多驅(qū)動源、多組成單元、多執(zhí)行元件、功率變化大的特點，因此在建立液壓控制系統(tǒng)時必須以高性能、低能耗和低成本為目標。
在壓力、流量等參數(shù)通過機械／液壓反饋形成“小閉環(huán)”的基礎(chǔ)上，土壓、推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、出土量等盾構(gòu)工作參數(shù)可以通過電反饋的形式形成“大閉環(huán)”，采用適當?shù)目刂撇呗允苟軜?gòu)施工的地面沉降控制、推進速度和方向控制、刀盤切削功率控制等實現(xiàn)智能化。
進一步研究多源液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)、盾構(gòu)機控制性能和系統(tǒng)效率的相關(guān)關(guān)系，以及系統(tǒng)控制參數(shù)、過程變量與能耗的映射規(guī)律等，設(shè)計以掘進性能、節(jié)能為約束條件，適應(yīng)不同地質(zhì)情況的集掘進裝備實時檢測、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)機液壓及控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
7 注重節(jié)能
盾構(gòu)掘進機刀盤驅(qū)動或推進具有功率大，功率變化范圍寬的特點。負載是隨斷面的土質(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。如果采用閥控馬達的系統(tǒng)形式，系統(tǒng)功率必然按所需的大功率設(shè)計，在遇到欠負載工況時，系統(tǒng)效率低下，大量的功率將通過熱的形式耗散，使系統(tǒng)發(fā)熱嚴重。采用負載敏感和全局功率自適應(yīng)的泵控馬達／缸系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。