摘要：随着当前我国科学技术的发展进步，在工程设备领域内，对于全断面硬岩隧道掘进机的油缸并联推进系统出现的问题，如在硬岩隧道掘进机工作状态下其产生的干扰力容易降低设备关键部件的使用寿命、影响隧道掘进精度等，提出了姿态自适应推进系统。因此本文主要分析硬岩隧道掘进机推进系统的工作原理，探究其姿态自适应控制的策略，旨在提高硬岩隧道掘进机推进系统的稳定性。
关键词：硬岩隧道掘进机；推进系统；姿态自适应；控制
前言
硬岩隧道掘进机是一种集合了机械、液压以及电气控制等，用于硬质岩石地质的大型隧道开挖设备。在工程项目中应用硬岩隧道掘进机施工法具有效率高、施工安全、对环境影响较小的特点和优势，当前在大多数的硬质岩石隧道开挖作业中得到普及应用。但硬岩隧道掘进机在掘进过程中会遭遇各种突发状况，影响推进系统的稳定性及设备姿态。自从姿态自适应推进系统出现后，硬岩隧道掘进机推进系统稳定性有所增强。
1 硬岩隧道掘进机推进系统的工作原理
1.1硬岩隧道掘进机工作过程
硬岩隧道掘进机主要是以敞开式为主，其基本构建包括刀盘、主梁、撑靴、护盾、推进油缸及后支撑等组成；撑靴靴板与撑靴油缸缸杆固定；推进油缸共四根油缸分布在主梁两侧，缸筒与撑靴连接，缸杆与主梁连接。在进行掘进工作时，撑靴油缸伸出使靴板撑紧洞壁，控制液压系统向推进油缸无杆腔注油，为主梁及刀盘提供反作用力，从而促使刀盘能够压紧岩石的掌子面，滚刀能够顺利的贯入到岩石中。刀盘由电机驱动进行旋转，实现对隧道岩石的切削掘进。
在硬岩隧道掘进机工作过程中，每完成一次推进行程，后支撑油缸伸出撑紧地面，撑靴油缸作用将撑靴收回，推进油缸进行复位促使撑靴迁移，进而完成一次换步。
所以实际上硬岩隧道掘进机工作即是不断循环推进和换步的过程[1]。
1.2 硬岩隧道掘进机推进系统
硬岩隧道掘进机推进液压系统分为低压高速回路以及高压低速回路两种模式：低压高速回路通常用于隧道隧洞开挖的初期阶段，即是用于预挖隧道作业活动中，高压低速回路则是应用于隧道隧洞掘进工作中。
硬岩隧道掘进机推进液压系统的工作原理是利用高压推进模式促使电机驱动旋转的刀盘切入岩石，原理如下：1、预先设定好压力值的减压阀控制推进油缸内的压力，2、电磁换向阀能够有效的控制刀盘的前进和后退，3、比例溢流阀控制刀盘推进速度；从而实现硬岩隧道掘进机推进液压系统正常开展掘进作业[2]。
2 硬岩隧道掘进机姿态自适应控制系统
2.1 分组推进液压系统
分组推进液压系统是硬岩隧道掘进机为了在进行姿态调整后，防止推进系统对机械刀盘以及主梁等部件产生的损害，减少其对隧道开挖轨迹的干扰程度。其中在硬岩隧道掘进机推进系统中，主要是将主梁两侧的油缸分为两组，同一侧为相同组，即可分为左右两组，在工作状态下，每组都会由一个比例减压阀来对刀盘推进进行单独控制，通过调整左右两组的推进油缸无杆腔的压力，确保主梁能够为刀盘旋转掘进方向提供正压力，有效的减少垂直掘进方向的干扰。而硬岩隧道掘进机分组推进液压系统的主要原理：1.通过四通电磁换向阀来控制机械在高压推进，保障推进油缸分为左右两组。2.低压高速工作模式下能够保障所有的推进油缸实现并联，此时比例减压阀可以控制左侧分组的油缸压力和右侧分组的推进油缸[3]。
另外一方面在硬岩隧道掘进机分组推进液压系统中，先导式比例减压阀一般都带有流量稳定器，并在其作用之下，先导流量法可以保持稳定状态，而不会收到主阀压力以及主油路流量变化而产生影响。最大限度的确保先导式比例减压阀可以根据输入信号来进行压力控制。
比如在负载变大、压力高于预先设定值时，则可以通过泄油口进行泄油，从而能够保障推进油缸无杆腔内的压力对任何信号的跟踪。
2.2 姿态自适应控制策略
硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制即是在机械不同的姿态下，尽可能的减少主梁对刀盘推进的干扰力。针对这一要求可以提出相关的控制策略，由于硬岩隧道掘进机推进系统自适应控制的原理是基于力方向计算器以及力分组求解器、油缸压力闭环控制等，在主梁倾角传感器对主梁偏角进行测量后，通过左移传感器能够获得左推进油缸的位移参数，再对其进行计算处理求得左推进有油缸的长度。而力方向计算器可以在输入主梁偏角以及推进油缸位移长度，计算出硬岩隧道掘进机在当前位置上，左右两组推进油缸与主梁之间存在的夹角。利用力分组求解器可以在当前硬岩隧道掘进机工作状态下，计算求解出硬岩隧道掘进机刀盘工作所需的正压力，进而能够得到左右分组推进油缸无杆腔的准确油液压力，从而能够获得相对精准的比例减压阀的输入信号。最后有效的分配左右分组推进油缸的压力，保障刀盘的受力情况能够得到优化。此外为了最大限度的保障控制的精确度，通常利用PLC来作为控制器实现对推进油缸压力实现有效控制，准确采集数据和执行控制任务，并通过PLC的网络通信接口建立实时通信，经过调制解调器将数据传输到隧道外的WDAS系统中。此外PLC有自动扭矩控制和自动推力控制两中工作模式，有利于实现TBM控制系统的闭环控制，确保系统稳定性。
3 硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制联合仿真
由于硬岩隧道掘进机推进系统是一种比较典型的机电液一体化系统，其是由多种学科领域中的部件和子系统组成，所以具有一定的复杂性，为了保障硬岩隧道掘进机推进系统整体性能的良好，需要进行多领域协同仿真分析。
首先要建立硬岩隧道掘进机推进机构的数学模型，因为在曲线隧道和轨迹纠偏作业时，需要对硬岩隧道掘进机推进系统的姿态进行调整，即是通过对主梁摆动来实现掘进方向的调节，因此主梁偏转之后，左右分组的推进油缸会与主梁之间形成的夹角有所不同，刀盘在这一过程中就会受到推进合理而导致掘进方向的偏离，受到垂直掘进方向的干扰。建立数学模型的主要目的即是为了探究推进力在主梁偏角和推进距离的作用下而产生的变化规律。而一般情况下硬岩隧道掘进机推进系统的姿态调整都需要行程的初始位置进行，因此可以构建水平姿态调整机构与推进机构的数学模型，即为：
Fp=F(cosα+cosβ)，
Fv=F[a/2（cosβ-cosα）+（x+b）（sinβ-sinα）]/x+b+s
（x为以撑靴缸轴线的横坐标抽线、b为某一推进行程初始位置且主梁垂直于撑靴油缸轴线时，推进油缸杆端耳环中心到撑靴油缸轴线的距离，α、β分别为左、右侧油缸与主梁之间的夹角）
式中p为推进油缸无杆腔内的压力、a为腔面积；Fv则是刀盘的推进干扰力、Fp为主梁的推进正压力。在联合仿真分析中，通过使用ADAMS建立动力学模型以及使用AMSEsim建立推进液压系统模型、借助Simulink建立控制系统模型等进行对比分析，可以得到硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制能够减小推进干扰力，有效的避免了推进干扰力导致刀盘发生偏移预定轨迹的问题，同时将推进正压力超调在5%以内可以实现最快相应，保障稳定性。
结束语
综上所述，硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制策略相对简单，在实际的工程作业中容易实现应用，而且有利于硬岩隧道掘进机推进系统的自动化和智能化，在该领域中为硬岩隧道掘进机姿态自动纠偏系统的开发奠定了良好的基础基础，提供了有效的技术支持，促进硬岩隧道掘进机推进系统的发展创新。
参考文献
[1]刘统. 硬岩隧道掘进机位姿调控及刀盘驱动技术研究[D].浙江大学,2018.
[2]周小磊. 硬岩掘进机推进及支撑系统设计研究[D].石家庄铁道大学,2018.
[3]宋立业,卢新.全断面硬岩掘进机的推进速度自适应控制[J].测控技术,2017,36(10):53-58.