超冗余可控输入隧道掘进系统的推进分区研究

With the development of mechanical equipments to be more huge-size, more heavy-duty, more flexible and of more high-performance, that of super-redundant controllable input is becoming a typical feature of a large number of engineering equipments and mechanical systems. The thrust system of shield machine or tunnel boring machine is a typical mechanical system with super-redundant controllable inputs whose efficient operation depends on the reasonable grouping of the super-redundant inputs, namely thrust grouping. As a carrier to move forward, turn and correct the tunnel line, the design of the thrust grouping determines not only the quality of the tunnel construction, but also the tunneling energy consumption, efficiency and cost of the project. To support the grouping design of the thrust system effectively to satisfy the need of smart equipments and automatic driving, this project will investigate basic problems including the grouping principle, grouping mechanism, modeling method, performance indexing, solution algorithm of the thrust forces, configuration of thrust forces, adaptive planning of the thrust travels, grouping optimization and adaptive grouping as well as its physical solution. The research is expected to lay the foundation for the grouping design and automatic driving of the shield machine in the future and also for the independent innovation of shield machine and tunnel boring machine of new generation.

随着机械装备向巨型化、重载化、柔性化、高性能方向发展，超冗余可控输入成为一大类工程装备和机械系统的典型特征。掘进装备推进系统是典型的超冗余可控输入机械系统，其高效运行依赖于对超冗余输入进行合理的分组，即推进分区。作为向前推进、转弯和纠偏功能的载体，推进系统分区设计的合理与否事关隧道设计线路的施工质量和工程成败，也事关隧道掘进的能耗、效率和工程成本。为从理论方法上有效支持推进系统的分区设计，适应未来的智能装备和自动驾驶需要，本项目研究隧道掘进装备推进系统的工作原理和分区机理、建模方法、评价指标、分区推进力求解算法、推进力配置与推进行程最优规划、最优分区与自适应分区及实现方法等基础问题。研究成果将为掘进推进系统的分区设计和评价以及未来装备的智能化与自动驾驶提供理论依据，为我国掘进装备自主创新和自主知识产权开发提供设计理论和方法支持。

掘进装备推进系统是典型的超冗余可控输入机械系统，其高效运行依赖于对超冗余输入进行合理的分组，即推进分区。作为向前推进、转弯和纠偏功能的载体，推进系统分区设计的合理与否事关隧道设计线路的施工质量和工程成败，也事关隧道掘进的能耗、效率和工程成本。目前，掘进装备推进系统的分区推进主要依靠操作者的经验进行操控，根据前方隧道断面地质条件，不断调整各分区推进液压缸的推进力，直觉调控掘进装备向前推进的方向和姿态，而且各分区的推进液压缸数量也常常依靠经验确定且遇到突发阻力需停机调整，这与掘进装备不断强化自动控制技术应用和智能化装备的发展趋势不相适应。. 本项目研究隧道掘进装备推进系统的工作原理和分区机理、建模方法、评价指标、分区推进力求解算法、推进力配置与推进行程最优规划、最优分区与自适应分区及实现方法等基础问题，创新性提出了环境约束建模思想，给出利用被动支链进行环境约束建模的新方法，建立了盾构推进自适应分区等效机构模型，有效解决了推进系统工作正常但推进机构处于奇异位形的矛盾现象，为分析盾构-周围土体系统动态行为提供了有效模型，也拓宽了机构学研究领域；对由主被动支链构成的等效机构模型进行了统一建模和性能分析，提出推进力均一性概念建立了推进机构分区优化指标，建立了自适应分区方法与推进力最优配置算法；创新研发了具有推进过程全程模拟与加载能力的推进系统等效模型样机，开展标定和推进模拟实验，为盾构推进过程的动态分析和过程优化以及掘进过程对周围土体的影响分析提供了理论依据和实验环境。研究成果有利于提升盾构装备的操控性和作业性能，并能为预测掘进过程对周围土体的影响、预防施工塌陷等事故提供理论工具。