盾构掘进机推进力计算模型

为了解决传统基于经验系数的盾构掘进机总推进力计算公式在确定推力时存在随机性的问题,在分析盾构掘进机总推进力的各种影响因素及计算方法的基础上,以直径为6 m的地铁盾构为对象,计算在盾构掘进过程中受到的各种推进阻力,通过对比忽略次要部分,建立盾构推进分项阻力计算模型.利用土压平衡盾构模拟试验台对在黏土和砂土2种土质条件下的计算模型进行验证.结果表明,土压力在推进力计算中发挥关键性作用.为了进一步修正分项阻力计算模型,提出切深率的概念,分析切深率与盾构总推进力之间的关系,确定由土压力与切深率2个重要因素组成的推进力计算模型.     

基于马尔可夫过程和深度神经网络的TBM围岩识别

为了实现隧道围岩的实时识别,基于马尔可夫过程和深度神经网络模型,提出将先验围岩信息和掘进参数结合,作为深度神经网络输入的隧道掘进机（TBM）围岩实时识别方法. 根据施工现场地质勘探资料,用马尔可夫过程的隧道围岩分类方法预测隧道沿线的围岩分布概率;将该围岩分布概率作为先验围岩信息,结合TBM掘进参数作为神经网络输入,真实围岩类别作为输出,训练深度神经网络以实现对TBM前方围岩的实时识别. 使用工程现场数据进行对比实验,结果表明,所设计的深度神经网络模型的围岩总体识别率高于96%. 相比于仅将掘进参数作为输入,当结合先验围岩信息和掘进参数作为输入时,模型围岩识别率提高6%以上.     

基于局部线性嵌入和支持向量机回归的TBM施工参数预测

依托吉林引松工程开展隧道掘进机（TBM）施工参数预测研究,提出TBM施工数据分段提取算法,提取上升段前30 s的总推进力、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速电位器设定值、推进速度电位器设定值、贯入度、贯入度指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)9个参数作为输入;通过局部线性嵌入（LLE）完成对上升段数据特征的降维;基于支持向量机回归（SVR）建立TBM施工控制参数（推进速度、刀盘转速）和负载参数（总推进力、刀盘扭矩）预测模型. 分析是否结合前一掘进循环的FPI、TPI指数进行预测对预测效果的影响. 结果表明,上述方法在推进速度、刀盘转速、总推进力、刀盘扭矩的预测中均取得了较好的预测效果,平均预测绝对百分比误差均小于15%,验证了该预测方法的有效性,该方法可以为TBM现场施工提供指导.     

隧道掘进机支撑推进系统振动特性

为了研究全断面隧道掘进机（tunnel boring machine,TBM）支撑推进系统掘进过程中的振动问题,基于多体系统动力学仿真平台,对TBM掘进过程进行动力学仿真研究,得到TBM支撑推进系统各部件的振动加速度,进行时域和频域分析.对比不同方向的加速度有效值和不同部件的加速度有效值,分析TBM支撑推进系统掘进方向的载荷传递规律.结果表明：TBM支撑推进系统的振动以低频为主,其中主梁二振动频率集中在20~30 Hz和46~56 Hz.TBM支撑推进系统的振动集中在掘进方向,主梁二掘进方向加速度最大值达到11.80 m/s².部件距离刀盘质心越远,振动加速度有效值越小.掘进方向载荷从刀盘传递到主梁一均值减小了42.7%,变化幅度减小了58.3%.对吉林引松工程的TBM进行了振动测试,测试结果一定程度上验证了仿真结果.     

盾构刀盘驱动液压系统压力冲击吸收特性分析

针对盾构掘进地层复杂、负载冲击大的工况特点,提出一种基于压力反馈和电液比例控制的新型开式刀盘驱动液压系统.通过对元件模型的线性化处理建立泵-马达-蓄能器系统的动态数学模型,分析蓄能器的引入对于系统固有频率的影响.同时利用AMESim中的液压模块化元件与液压元件自主设计库（HCD）联合建模,对刀盘在不同工况的仿真过程中,通过比例方向阀控制蓄能器的不同工作状态来研究更好的冲击吸收效果.结果表明,在不同的负载剧变所带来的压力冲击下,蓄能器在吸收冲击的同时也影响到了系统的稳定性,可以通过电液比例控制蓄能器的工作状态来更好地适应负载的冲击．     

LUDV多路阀的挖掘机电液流量 匹配控制系统特性

为了提高挖掘机液压系统的操控性和节能性,采用电比例泵和电比例多路阀同步、开环控制方式的电液流量匹配控制系统.以2 t挖掘机试验样机为研究对象,分析基于与负载压力无关的流量分配（LUDV）多路阀的电液流量匹配控制系统的结构原理和特点,建立基于Adams和AMEsim的挖掘机机液联合仿真模型;以LUDV负载敏感系统为对比研究对象,通过挖掘机动臂和铲斗复合动作,仿真与试验分析电液流量匹配控制系统的稳定、响应和节能性,并进行挖掘机流量饱和和典型挖掘工况的试验研究.结果表明：仿真与试验结果吻合较好,验证仿真模型的准确性,仿真模型可用于进一步理论研究;与LUDV负载敏感系统相比,基于LUDV多路阀的电液流量匹配控制系统改善了系统的稳定性和响应性,压力裕度减小了0.9～1 MPa,提高系统的节能性.通过典型挖掘工况对整机能耗进行评估,与LUDV负载敏感系统相比,电液流量匹配控制系统系统压力裕度降低了1 MPa,节能达12%.     

基于隧道掘进机掘进过程的岩体状态感知方法

针对现有技术无法预先、实时获取隧道掘进机（TBM）掌子面岩体状态参数的问题,提出基于TBM掘进过程监测的岩体状态感知方法. 以吉林引松供水工程TBM施工隧道为依托,分析TBM掘进过程中掘进参数的变化规律,建立TBM掘进参数与岩体参数数据库,研究TBM设备参数和在掘岩体参数之间的相互关系. 分别采用分步回归和聚类分析的方法建立岩机关系模型,利用监测TBM掘进参数实时感知岩石强度、体积节理数和围岩等级等参数. 以石灰岩和花岗岩地层为例,对TBM在掘岩体参数的预测值与实际值进行对比. 结果表明,利用提出的岩体状态感知方法预测的岩石抗压强度UCS和体积节理数与实际值的误差小于18%,预测当前围岩等级与实际岩体状态基本一致,验证了研究结果的准确性.     

NSVR硬岩隧道掘进机刀盘扭矩预测分析

为了避免硬岩隧道掘进机（TBM）刀盘受困,提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归（NSVR）预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据,研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系,得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系：随着围岩强度由强到弱,推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱,刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系,建立刀盘扭矩NSVR预测模型,并将该模型应用于吉林引松隧道工程,对按1：1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明：训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%,测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本,占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明,在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下,建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.     

采用电磁换向阀实现的电液位置控制系统研究

针对阀控缸液压系统输出位移的有极调节,提出一种基于电磁换向阀的两级并联电液位置控制系统.它由两个并联的电磁换向阀组成,其中一个电磁换向阀的A、B油口带节流阻尼.分析了该液压系统的工作原理和控制方式,并建立了液压系统数学模型.对该电液位置控制系统的输出位移控制效果和影响因素进行仿真分析,结果表明该电液位置控制系统和基于电磁比例阀的常规电液位置控制系统在阶跃信号下的输出位移基本一致,仅在稳态值附近有微幅波动.选择直径较小的阻尼孔和频率较高的电磁换向阀利于减小系统输出位移的稳态误差.通过实验对仿真结果进行了验证,结果表明,该电液位置控制系统能精确控制液压缸输出位移,满足负载位移的有级调节.     

基于XGBoost的隧道掘进机操作参数智能决策系统设计

为了实现隧道施工的同质化,提出基于极端梯度提升算法（XGBoost）预测模型的隧道掘进机（TBM）操作参数的智能决策方法. 定义场操作系数指数（FOI）作为替代传统场切深指数（FPI）的围岩级别特征参数,使用XGBoost算法建立预测模型以实现对FOI的预测,对围岩级别进行预测、判断. 通过对优秀司机在特定FOI下TBM操作参数的选择,建立专家模型实现FOI与特定TBM操作参数的关联,实现TBM操作参数的智能决策. 使用引松工程的现场数据进行对比实验,结果表明,设计的TBM操作参数的智能决策系统能够实现对优秀的TBM司机操作参数决策的复现,相比于以FPI为特征参数的传统智能决策系统,新系统的推进速度和刀盘转速两部分的平均相对误差分别下降8.84 %和7.97 %.     

新型限力输出保护功能柔性夹钳的设计与参数评估

柔性夹钳因具有微/纳精密操作能力,?常应用于微操作系统中,?但因抓爪无法提供恒定输出力或恒力范围小,?容易造成操作对象的损伤或脱落.根据放大模块与常力模块串联的结构形式,?设计了一种具有常力特性的柔性夹钳.基于伪刚体法,?建立放大模块中桥式机构与杠杆机构的刚度和放大率数学模型,?通过对倾斜导向梁进行分析,?得到常力模块...     

基于预测控制的直接推力控制系统

针对传统永磁同步直线电机直接推力控制中存在较大的推力脉动和磁链脉动问题，提出了一种基于预测控制的直接推力控制方法，并具体设计了控制技术实现方案，包括参考矢量的生成和电压空间矢量调制等．仿真结果表明，该方法能够有效地改善推力脉动和磁链脉动问题．     

Instability characteristics of the cracked roof rock beam under shallow mining conditions

To establish the movement relationship for the roof breaking under shallow mining conditions, the mechanical model of the roof rock beam was built, then the structure instability process of the roof rock beam was analyzed. The changing criterion of the vertical displacement was established and the relationship between the deflection and the rotary motion of roof block was determined. Regarding a mining face in Shangwan Mine, the responsing laws of the deflection and horizontal thrust of the roof rock beam were obtained through FLAC3D numerical analysis. The results show that the structure instability of the cracked roof rock beam depends on the interaction between the vertical load and the horizontal thrust.For the roof rock beam, when the vertical load keeps constant, the horizontal thrust fluctuating rises with increasing deflection. The horizontal thrust increases constantly with the deeper buried depth and the smaller span.     

Motion control of thrust system for shield tunneling machine

The thrust hydraulic system of the prototype shield machine with pressure and flow compound control scheme was introduced. The experimental system integrated with proportional valves for study was designed. Dynamics modeling of multi-cylinder thrust system and synchronous control design were accomplished. The simulation of the synchronization motion control system was completed in AMESim and Matlab/Simulink software environments. The experiment was conducted by means of master/slave PID with dead band compensating flow and conventional PID regulating pressure. The experimental results show that the proposed thrust hydraulic system and its control strategy can meet the requirements of tunneling in motion and posture control for the shield machine, keeping the non-synchronous error within ±3 mm.     

深部复合顶板巷道变形破坏机理研究

高应力下软弱复合顶板的持续塑性变形破坏,是深矿井巷道支护与维护的难点之一.分析了车集煤矿2405工作面区段运输平巷和区段回风平巷的围岩结构和岩性特征,构建了该类巷道复合顶板的力学模型,导出了该模型的力学变形方程.对巷道顶板变形破坏机理进行了深入分析,认为当巷道顶板岩层所受轴向压力大于岩梁达到屈服时的临界压力0.8倍时,巷道变形(下沉)明显增大,严重时产生冒顶.提出了同类巷道掘进过程中围岩控制的关键措施.     

用于边坡稳定分析的改进通用条分法

在极限平衡理论的基础上,考虑外部因素（水、拉裂缝、外荷载）与加固措施（锚杆、锚索、土工织物、土钉）对边坡的作用,推导出能模拟各种极限平衡方法的改进通用条分法（IGLE）理论体系,并编写了相应的计算程序-Rslope。运用改进通用条分法（IGLE）模拟了不平衡推力法,并对不平衡推力法（强度储备法）与不平衡推力法（超载法）的安全系数与剩余下滑力进行了精度分析,给出了使用建议。针对工程人员容易混淆剩余下滑力与条间力的情况,对条间法向力与剩余下滑力的水平分力进行对比分析,结果表面二者没有必然联系或者规律。运用Rslope程序与商品化软件slide、SLOPE/W进行了算例分析,对比了自动搜索圆弧滑面、折线型滑面、加固后的边坡安全系数,结果具有很好的一致性。     

Multi-Channel Force Control System for Static Loading

An eight-channel force loading system is presented, which adopts position control system and forcecontrol system switching model, small flow servo valve controlled capacious cylinder system scheme, intelligentPID algorithm and distributed load approach. Through the analyses of the equivalent model of valve controlledcylinder force subsystem, a controller based on intelligent PID algorithm is designed, which is not sensitive to the     

公路隧道衬砌有限元分析

衬砌内力的计算是公路隧道设计的关键问题,计算结果的准确性会影响结构的安全性与经济性.文中采用有限元分析软件MIDAS用有限元法计算衬砌的内力和变形.衬砌结构采用梁单元,围岩抗力采用面弹簧单元模拟,墙脚支座用点弹簧单元模拟,计算荷载为竖直方向和水平方向围岩压力.通过分析得到衬砌最大位移的大小和位置,衬砌结构的内力分布及数值大小.另外,根据分析结果得到抗力最大值为侧墙距墙脚1/3处,图形呈镰刀形分布,与经验确定的抗力分布图形式一致,分析结果和手算结果规律一致.     

具有临场感的主从机器人系统双边控制策略

针对主从机器人系统双边控制策略的透明性问题,利用电液比例阀控制液压缸建立了单自由度主、从机器人临场感实验系统。在力和运动的双边控制中,采用力反馈伺服型、并行型和改进并行型3种控制策略,对空载、小刚度弹性负载和大刚度弹性负载情况下的位置和力跟踪性能分别进行了实验。实验结果表明:力反馈伺服型、并行型的运动跟踪存在时间滞后,主手受力存在振动;与其他两种控制策略相比,改进并行型控制策略在小刚度和大刚度负载时具有较好的透明性。