, (上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

引言

采用全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)進(jìn)行隧道施工具有安全、快速、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)鐵路、公路、調(diào)水工程、城市地鐵等重大工程開(kāi)工日漸增多，在長(zhǎng)大石質(zhì)隧道的開(kāi)挖過(guò)程中優(yōu)先采用TBM進(jìn)行快速施工已成為總的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)單位的不懈努力，國(guó)產(chǎn)TBM已經(jīng)開(kāi)始在引松工程等國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中投入應(yīng)用，這標(biāo)志著我國(guó)在打破國(guó)外對(duì)TBM核心技術(shù)壟斷方面取得了突破性進(jìn)展。然而，必須清醒地認(rèn)識(shí)到國(guó)產(chǎn)TBM仍面臨著諸多的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，羅賓斯、海瑞克等國(guó)際品牌TBM占領(lǐng)著全球市場(chǎng)90%以上的份額，即使在國(guó)產(chǎn)TBM受到廣泛支持的吉林引松工程中，三個(gè)標(biāo)段當(dāng)中仍有一個(gè)標(biāo)段采用的是國(guó)外品牌的TBM。因此，回顧總結(jié)TBM關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于國(guó)產(chǎn)TBM完善功能、優(yōu)化性能，進(jìn)而提升國(guó)產(chǎn)TBM的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)其從“中國(guó)制造”到“中國(guó)智造”的邁進(jìn)有重要的意義。

液壓系統(tǒng)在TBM上有著極其重要的作用，它為T(mén)BM支撐、推進(jìn)、換步、護(hù)盾撐緊、支護(hù)作業(yè)等多個(gè)重要功能提供驅(qū)動(dòng)和控制。本文將圍繞TBM液壓系統(tǒng)的組成、關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀等問(wèn)題開(kāi)展論述，并就相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論，以期為國(guó)產(chǎn)TBM液壓系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的深入研究提供建議。

1 TBM液壓系統(tǒng)組成

與常規(guī)液壓系統(tǒng)一樣，TBM液壓系統(tǒng)由動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件四個(gè)部分組成。在文獻(xiàn)[1]中，按照動(dòng)作的重要性，將TBM液壓系統(tǒng)分為三個(gè)層次：支撐、推進(jìn)液壓系統(tǒng)；調(diào)向、護(hù)盾液壓系統(tǒng)；輔助液壓系統(tǒng)。表1為T(mén)BM液壓系統(tǒng)的層次分布關(guān)系。

第一層次：TBM在掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常執(zhí)行的基本動(dòng)作，即刀盤(pán)推進(jìn)以及與推進(jìn)相關(guān)的撐靴、后支撐液壓缸的動(dòng)作。

第二層次：TBM在掘進(jìn)過(guò)程中有時(shí)需要完成的基本動(dòng)作，如TBM的調(diào)向，敞開(kāi)式TBM頂護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾的伸縮動(dòng)作等。

第三層次：因特殊地質(zhì)情況需要完成的操作，如錨桿鉆機(jī)、鋼拱架安裝機(jī)等支護(hù)設(shè)備、刀盤(pán)輔助驅(qū)動(dòng)裝置、材料調(diào)運(yùn)裝置等的動(dòng)作。

表1 TBM液壓系統(tǒng)的層次分布[1]

2 TBM液壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

TBM液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則有三個(gè)方面[1]： ① 系統(tǒng)要滿(mǎn)足各回路功能所需流量、壓力及功能控制等基本要求； ② 系統(tǒng)要綜合考慮各回路之間的安全關(guān)聯(lián)性要求，要確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全性； ③ 系統(tǒng)要滿(mǎn)足可靠性的要求，液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵元部件的工作壽命要符合要求。目前，文獻(xiàn)中TBM液壓技術(shù)的研究也主要是圍繞實(shí)現(xiàn)上述原則開(kāi)展，具體分類(lèi)包括： ① 液壓元件、回路常規(guī)分析與控制； ② 液壓元件、回路系統(tǒng)振動(dòng)特性研究； ③ 液壓元件、回路系統(tǒng)安全與可靠性研究； ④ 液壓元件、回路系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。

2.1 系統(tǒng)分析與控制研究

TBM液壓系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)、分析與控制研究的主要關(guān)注對(duì)象為推進(jìn)系統(tǒng)、撐靴系統(tǒng)、調(diào)向跟蹤系統(tǒng)、輔助液壓系統(tǒng)(拼裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)等)；其中，推進(jìn)、撐靴、調(diào)向方面的文獻(xiàn)較多，主要是對(duì)現(xiàn)有液壓回路的分析、介紹和改進(jìn)，涉及系統(tǒng)原理創(chuàng)新的文獻(xiàn)很少。

在TBM液壓系統(tǒng)總體介紹方面，文獻(xiàn)[1]較為系統(tǒng)地介紹了TBM液壓系統(tǒng)的組成、功能及特點(diǎn)，以TB880和MB264-311兩種型號(hào)的TBM液壓系統(tǒng)為例介紹了TBM各回路液壓系統(tǒng)功能與具體的實(shí)現(xiàn)。

在TBM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方面，文獻(xiàn)[2]針對(duì)秦嶺隧道工線所用TB880E掘進(jìn)機(jī)，在穿越不良地段時(shí)，存在撐靴利用不足而使推進(jìn)力降低，成倍增加掘進(jìn)時(shí)間的問(wèn)題，采用三位五通換向閥和比例減壓閥實(shí)現(xiàn)前后外凱推進(jìn)油缸分別控制，從而提高了前后外凱推進(jìn)油缸輸出力對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性；文獻(xiàn)[3]從實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，討論了推進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)推進(jìn)在內(nèi)的三種推進(jìn)模式，對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)的推力閉環(huán)控制開(kāi)展建模與仿真研究；文獻(xiàn)[4]以秦皇島天業(yè)通聯(lián)和意大利 SELI 合作生產(chǎn)的通用緊湊型雙護(hù)盾為研究對(duì)象，對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算和研究，并對(duì)主推進(jìn)液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)和合理分區(qū)；利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)主推進(jìn)液壓系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的控制策略；文獻(xiàn)[5]針對(duì) TBM 在極端地質(zhì)環(huán)境下施工時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)受到來(lái)自作業(yè)環(huán)境的重載荷、切削非均勻地層的變載荷、以及切削硬巖的強(qiáng)振動(dòng)載荷，開(kāi)展影響推進(jìn)液壓系統(tǒng)的順應(yīng)性因素研究，以提高其應(yīng)對(duì)突變載荷的能力，在設(shè)計(jì)理念上有比較明顯創(chuàng)新。文獻(xiàn)[6，7]采用AMESim對(duì)撐靴系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)展了仿真研究，為T(mén)BM液壓系統(tǒng)提供了數(shù)值分析手段。

在TBM液壓系統(tǒng)控制方面，相關(guān)研究主要集中在利用液壓實(shí)現(xiàn)TBM的自動(dòng)推進(jìn)力控制、自動(dòng)軌跡跟蹤控制與拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。文獻(xiàn)[8]針對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法下推進(jìn)系統(tǒng)流量與壓力脈動(dòng)大的問(wèn)題，提出采用分?jǐn)?shù)階PID控制策略，并采用AMESim和MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證;文獻(xiàn)[9]研究了采用級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)的硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)軌跡跟蹤控制方法，建立了推進(jìn)系統(tǒng)的控制模型并對(duì)比了復(fù)合控制技術(shù)；文獻(xiàn)[10]采用加速度方程、動(dòng)量矩方程、位置方程及運(yùn)動(dòng)方程建立TBM動(dòng)力學(xué)模型，采用模糊PID控制器來(lái)設(shè)計(jì)速度控制器實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤控制；文獻(xiàn)[11]為拼裝機(jī)提出了面向任務(wù)的力控制方案，通過(guò)設(shè)計(jì)混合位置/力為平行連桿機(jī)構(gòu)與液壓執(zhí)行器的控制算法來(lái)控制拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[12]分析了對(duì)TBM管片拼裝機(jī)雙缸不同步的原因，提出了可行的同步控制方案，同時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型和AMESim軟件用于模擬同步提升管片安裝機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

2.2 元部件振動(dòng)特性研究

由于巖石硬度大，相比其他隧道掘進(jìn)機(jī)，TBM的振動(dòng)水平很高，因此液壓系統(tǒng)的振動(dòng)特性得到了人們的重視。TBM液壓系統(tǒng)的振動(dòng)研究包括兩個(gè)方向： ① 研究載荷引起的振動(dòng)在液壓系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞規(guī)律及系統(tǒng)的抗振特性； ② TBM機(jī)體振動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)元部件的影響。目前，前者的相關(guān)研究較少，主要集中在管路系統(tǒng)液固耦合振動(dòng)方面；研究較多的是后者，即TBM機(jī)體振動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)元部件的影響，主要的對(duì)象是管路、閥與液壓缸。

文獻(xiàn)[16]結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)液壓管路大長(zhǎng)細(xì)比，高壓力和低流速的特點(diǎn)，建立了長(zhǎng)直管道的梁模型；考慮流固耦合作用和簡(jiǎn)支條件下，建立了管道系統(tǒng)的振動(dòng)方程。通過(guò)靈敏度分析方法分析了管道系統(tǒng)參數(shù)的一階固有頻率的影響，提出了基于一階固有頻率的振動(dòng)準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[17，18] 考慮到全斷面硬巖推進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)過(guò)程中軸向基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)流體流速和壓力波動(dòng)的影響，運(yùn)用輸流管道流固耦合軸向運(yùn)動(dòng)4-方程模型，建立軸向基礎(chǔ)振動(dòng)下的TBM液壓管道軸向耦合振動(dòng)方程組，并用直接解法在頻域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行求解，隨之分析基礎(chǔ)振動(dòng)和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體頻域響應(yīng)的影響規(guī)律，進(jìn)而制定了避免管道發(fā)生共振的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程；文獻(xiàn)[19，20] 研究了基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓直管道的分岔特性及與等效固有頻率的相關(guān)性，結(jié)果表明，系統(tǒng)在基礎(chǔ)振動(dòng)下具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，包括多種形式的周期運(yùn)動(dòng)、概周期運(yùn)動(dòng)、混沌運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[21] 針對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)破巖掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)比例調(diào)速閥性能的影響，建立基礎(chǔ)振動(dòng)下比例調(diào)速閥的選型準(zhǔn)則，通過(guò)仿真分析基礎(chǔ)振動(dòng)參數(shù)對(duì)其流量波動(dòng)特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[22]分析了基礎(chǔ)振動(dòng)參數(shù)和比例調(diào)速閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量波動(dòng)特性的影響規(guī)律，以10%的流量偏差值為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，提出了TBM的比例調(diào)速閥的選型流程。針對(duì)TBM的比例調(diào)速閥的工作性能失效問(wèn)題，采用綜合評(píng)分法對(duì)TBM比例調(diào)速閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[23]仿真分析減壓閥不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力波動(dòng)的影響，結(jié)果表明：基礎(chǔ)振動(dòng)會(huì)引起減壓閥出口壓力波動(dòng)，波動(dòng)幅值隨振動(dòng)幅值增加而增大。當(dāng)基礎(chǔ)振動(dòng)頻率大于50 Hz時(shí)，壓力波動(dòng)幅值隨頻率的增加明顯增大；減小背壓腔初始容積和回流通道直徑能提高減壓閥的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[24]提出振動(dòng)環(huán)境下插裝閥選型方法的基本原理是控制插裝閥閥芯偏移量均值不大于5%倍閥芯開(kāi)啟度均值，更為簡(jiǎn)易的方法是在保證閥口流量的前提下增加彈簧剛度。

2.3 安全、可靠性研究

安全、可靠是隧道施工的基本要求，涉及施工效率與人員及設(shè)備安全，因此掘進(jìn)機(jī)的安全性與可靠性研究是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。TBM液壓系統(tǒng)的元部件是除刀具外一類(lèi)重要的易損件[1]，因此，液壓系統(tǒng)的安全與可靠性也得到了研究者的重視。

文獻(xiàn)[25]提出加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷和維護(hù)保養(yǎng)來(lái)提高TBM液壓系統(tǒng)的安全性與可靠性，將現(xiàn)有的TBM液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)診斷方案總結(jié)為二類(lèi)：① 從運(yùn)動(dòng)速度、沉降量和油液分析入手； ② 流量試驗(yàn)或壓力測(cè)量。在具體系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷方法方面，液壓泵的檢測(cè)手段主要有：振動(dòng)檢測(cè)、噪聲檢測(cè)、壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)、溫度檢測(cè)和油液檢測(cè)，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的是油液檢測(cè)和溫度檢測(cè)，輔助參考泵的輸出壓力；液壓閥的故障檢測(cè)則相對(duì)復(fù)雜，具體取決于閥的種類(lèi)和具體工況；文獻(xiàn)[25]還以TB880E型TBM為例介紹了液壓系統(tǒng)的重要元部件的維修與保養(yǎng)方法，具有較高參考價(jià)值；文獻(xiàn)[26-28]介紹了TBM液壓系統(tǒng)采用油液光譜與鐵譜處理檢測(cè)系統(tǒng)健康狀況的實(shí)際例子。文獻(xiàn)[29]研究了推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估問(wèn)題，將疲勞歸結(jié)為推進(jìn)油缸的主要失效模式。為了能夠全面反映隨機(jī)載荷環(huán)境和材料特性的液壓缸可靠性模型，作者在宏觀和微觀兩個(gè)層面上描述隨機(jī)載荷譜的不確定性。基于隨機(jī)載荷譜表達(dá)式，通過(guò)系統(tǒng)的載荷-強(qiáng)度干涉分析建立了一個(gè)多層次，多變量動(dòng)態(tài)(時(shí)間相關(guān)的)的可靠性模型。

2.4 系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

隧道掘進(jìn)機(jī)上主要采用的液壓節(jié)能技術(shù)包括：閉式容積控制技術(shù)、壓力匹配技術(shù)、二次調(diào)節(jié)技術(shù)、負(fù)載敏感技術(shù)。閉式容積控制技術(shù)主要通過(guò)改變液壓泵與馬達(dá)的排量調(diào)整系統(tǒng)的流量與壓力，因?yàn)橄到y(tǒng)中沒(méi)有節(jié)流損失而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。壓力匹配技術(shù)，又稱(chēng)壓力適應(yīng)技術(shù)，它利用壓力補(bǔ)償器將負(fù)載壓力實(shí)時(shí)反饋，使泵出口壓力始終保持只比負(fù)載壓力高出一定值，從而避免系統(tǒng)中減壓閥等因壓差過(guò)大而能量損失。采用二次調(diào)節(jié)技術(shù)系統(tǒng)一般由恒壓油源、二次元件(液壓泵/ 馬達(dá))、工作機(jī)構(gòu)和控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，它可工作在壓力恒定、流量隨負(fù)載的變化而改變的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)中，能夠回收與重新利用系統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)能和重力勢(shì)能，因而具有良好的節(jié)能效果。負(fù)載敏感系統(tǒng)即功率適應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將負(fù)載壓力變化反饋到變量液壓泵的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)，使泵輸出的壓力和流量始終與負(fù)載工作所需的壓力和流量相適應(yīng)，避免了溢流損失[13]。

目前，在硬巖掘進(jìn)機(jī)上主要采用節(jié)能技術(shù)是負(fù)載敏感技術(shù)。文獻(xiàn)[14]以負(fù)載敏感控制技術(shù)為依據(jù)，論述液壓系統(tǒng)效率及控制問(wèn)題，并以WIRTH TB880E隧道掘進(jìn)機(jī)中液壓系統(tǒng)作為應(yīng)用實(shí)例加以分析說(shuō)明；文獻(xiàn)[15]提出了一種新型節(jié)能推進(jìn)系統(tǒng)，液壓變壓器和蓄能器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能；AMESim仿真顯示推進(jìn)液壓系統(tǒng)采用液壓變壓器能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能高達(dá)30%。

3 TBM液壓技術(shù)研究展望

分析TBM液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)：① 總體上，關(guān)于TBM液壓技術(shù)的研究，公開(kāi)的資料很少，缺乏系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)性論著，一些關(guān)鍵性問(wèn)題，如TBM液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)等重要的設(shè)計(jì)輸入目前沒(méi)有形成很好的總結(jié)； ② 現(xiàn)有研究集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與控制和TBM機(jī)體振動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)影響方面。其中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與控制方面的研究對(duì)于TBM液壓系統(tǒng)特點(diǎn)揭示不足，相關(guān)的研究成果目前停留于理論推導(dǎo)與數(shù)值仿真層面，與實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。而在振動(dòng)問(wèn)題的研究方面，研究的重點(diǎn)也同樣未能全面反應(yīng)TBM液壓系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題，關(guān)于載荷對(duì)液壓系統(tǒng)及元部件的影響被忽略； ③ 系統(tǒng)安全、可靠性和節(jié)能技術(shù)的研究已經(jīng)引去關(guān)注，但目前的研究深度與廣度不足。其中，安全可靠性的研究缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，僅停留在故障振斷及設(shè)備維護(hù)階段，對(duì)更為先進(jìn)的故障預(yù)測(cè)、視情維護(hù)未能開(kāi)展深入的有針對(duì)性研究。在節(jié)能問(wèn)題上，過(guò)于借鑒盾構(gòu)機(jī)的節(jié)能經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有結(jié)合TBM液壓系統(tǒng)工作特點(diǎn)開(kāi)展針對(duì)性研究。鑒于上述問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前裝備設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)，建議TBM液壓技術(shù)的研究應(yīng)加強(qiáng)如下幾個(gè)方面的研究： ① TBM液壓系統(tǒng)功能與性能評(píng)價(jià)體系研究； ② TBM智能液壓系統(tǒng)技術(shù)研究； ③ TBM液壓系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)研究； ④ TBM液壓系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法研究; ⑤ TBM液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。

3.1 功能與性能評(píng)價(jià)體系

對(duì)于TBM液壓系統(tǒng)的現(xiàn)有功能進(jìn)行歸納與總結(jié)，加強(qiáng)關(guān)鍵子系統(tǒng)如支撐、推進(jìn)、換步、護(hù)盾撐緊系統(tǒng)功能的智能化，開(kāi)發(fā)支護(hù)施工中錨桿鉆機(jī)、鋼拱架拼裝機(jī)的同步施工功能，并逐步實(shí)現(xiàn)支護(hù)施工的機(jī)器人化。

系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化TBM液壓系統(tǒng)各回路負(fù)載、速度、動(dòng)作流程等靜態(tài)指標(biāo)要求，開(kāi)展以上述靜態(tài)指標(biāo)要求為設(shè)計(jì)輸入的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究；增加TBM液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，特別是對(duì)TBM的減振降噪性能提出相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究實(shí)現(xiàn)TBM液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

3.2 智能液壓系統(tǒng)技術(shù)

引入智能液壓系統(tǒng)概念，結(jié)合TBM液壓系統(tǒng)各回路的功能與性能要求，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)具備功能自動(dòng)控制、狀態(tài)自我感知和信息可交互的智能泵、智能閥、智能缸、智能管路等智能化液壓元部件。結(jié)合巖石隧道掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)TBM液壓系統(tǒng)中支撐、推進(jìn)、護(hù)盾撐緊回路可自適應(yīng)圍巖特性與施工參數(shù)的智能化控制策略。

建立TBM液壓系統(tǒng)智能化故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，基于智能泵、閥、缸、管路的狀態(tài)自我感知能力，開(kāi)發(fā)TBM液壓系統(tǒng)及元件典型故障的診斷策略和預(yù)測(cè)策略；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)TBM液壓系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視情維護(hù)。

3.3 液壓系統(tǒng)振動(dòng)沖擊響應(yīng)

承受沖擊是TBM液壓系統(tǒng)的重要特點(diǎn)，因此開(kāi)展液壓系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊響應(yīng)研究是必須的。目前，TBM液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力脈動(dòng)發(fā)生的機(jī)理尚不明確，研究TBM液壓系統(tǒng)載荷特性、脈動(dòng)傳播規(guī)律以及對(duì)缸、閥、泵性能的影響是非常有意義的，也是TBM液壓系統(tǒng)開(kāi)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

基于對(duì)TBM液壓系統(tǒng)振動(dòng)沖擊機(jī)理與規(guī)律的研究，研究液壓系統(tǒng)剛度與阻尼特性，結(jié)合圍巖特性，開(kāi)展TBM系統(tǒng)的減振降噪技術(shù)研究，對(duì)于提高設(shè)備可靠性、改善施工環(huán)境和實(shí)現(xiàn)TBM施工的機(jī)器人化將有推動(dòng)作用。

3.4 可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

在可靠性與安全性研究方面，除了加強(qiáng)故障診斷與維護(hù)外，應(yīng)加強(qiáng)液壓系統(tǒng)可靠性建模與計(jì)算方法的研究。加強(qiáng)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件故障特征收集及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，建立典型TBM液壓系統(tǒng)的元部件可靠性基本數(shù)據(jù)庫(kù)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)鍵子系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)分析TBM液壓系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

3.5 液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

TBM液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)有液壓節(jié)能技術(shù)在TBM上的適用性研究。結(jié)合推進(jìn)、支撐、護(hù)盾液壓回路的不同需求，開(kāi)展節(jié)能技術(shù)的針對(duì)性研究。研究功率電傳、分布式變轉(zhuǎn)速泵控技術(shù)在TBM液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。深入研究電液融合技術(shù)在TBM液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中的可行性。

4 結(jié)論

我國(guó)正處于從TBM技術(shù)進(jìn)口國(guó)逐步轉(zhuǎn)向TBM技術(shù)輸出國(guó)的關(guān)鍵時(shí)期，加強(qiáng)TBM液壓技術(shù)的研究投入對(duì)于打破國(guó)外對(duì)TBM關(guān)鍵技術(shù)的封鎖、開(kāi)發(fā)擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TBM產(chǎn)品具有重要的意義。為全面掌握TBM液壓技術(shù)，必須建立起系統(tǒng)的TBM液壓系統(tǒng)功能與性能評(píng)價(jià)體系，充分利用現(xiàn)代控制技術(shù)與智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)TBM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)從關(guān)注功能到關(guān)注動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，同時(shí)充分考慮系統(tǒng)在可靠性、安全性、系統(tǒng)節(jié)能的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜彥良，杜立杰.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)——系統(tǒng)原理與集成技術(shù)[M].上海：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2] 周俊.TBM880掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)想[J].建筑機(jī)械，2000，(7):54-55.

[3] 王晨光.TBM隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[4] 張良貴.雙護(hù)盾 TBM 主推進(jìn)系統(tǒng)的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

[5] 鄧文強(qiáng).TBM推進(jìn)液壓系統(tǒng)的順應(yīng)性研究[D].上海：華東交通大學(xué)，2014.

[6] 詹晨菲，賈連輝.基于AMESim的TBM撐靴系統(tǒng)仿真研究[J].裝備制造技術(shù)，2015，(1): 47-50.

[7] 周小磊，賀飛，張瑜峰.主梁式 TBM 推進(jìn)系統(tǒng)基于AMESim的仿真分析[J].裝備制造技術(shù)，2015，(1):31-34.

[8] Fei Ling，Wang Jingcheng，Zhang Langwen，et al.Fractional-order PID Control of Hydraulic Thrust System for Tunneling Boring Machine[J].Lecture Notes in Computer Science，2013, 8103(2): 470-480.

[9] Liu Huajiang，Wang Jingcheng，Zhang Langwen，Zhao Guanglei.Trajectory Tracking of Hard Rock Tunnel Boring Machine with Cascade Control Structure[C].2014 IEEE Chinese Guidance， Navigation and Control Conference， CGNCC 2014，2326-2331， January 12， 2015.

[10] Huajiang Liu，Jingcheng Wang，Langwen Zhang，Ling Fei，Guanglei Zhao.Dynamic Modeling and Trajectory Tracking Control of Tunnel Boring Machine[C]. The 26th Chinese Control and Decision Conference (2014 CCDC)，2014: 4560-4565.

[11] Kosuge Kazuhiro，TaguchiDaiji，F(xiàn)ukuda Toshio，Murakami Hiroki， Task-oriented Force Control of Parallel Link Mechanism for Assembly of Segments of Tunnel Boring Machine，Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control,1996,(2): 1958-1963.

[12] QiuWen-Ning，Zhou Ti，Simulation and Research on Double Cylinder Hydraulic System Synchronized Control for Segment Erector of TBM[J].Advanced Materials Research，2010, 383-390: 2103-2107.

[13] 施虎，龔國(guó)芳，楊華勇.隧道盾構(gòu)液壓系統(tǒng)及相關(guān)節(jié)能技術(shù)[J].工程機(jī)械，2007， 38(10): 56-59.

[14] 趙鐵山，潘耀景.TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)負(fù)載敏感控制技術(shù)[J].建筑機(jī)械，2014，(7):105-108.

[15] Wu Wei-Qiang，Gong Guo-Fang，Peng Xiong-Bin， Zhang Qian-Li， Chen Kui.A New Energy Saving Thrust System Design for Tunnel Boring Machine，Environment[C].Energy and Sustainable Development-Proceedings of the 2013 International Conference on Frontier of Energy and Environment Engineering,ICFEEE 2013，1，483-486.

[16] JinghuaXie，KeTian，Dawei Yang，The Effect of TBM Hydraulic Piping System Parameters on FSI Vibration[J].Lecture Notes in Computer Science， V 6424 LNAI， n PART 1，363-371， 2010.

[17] 彭歡，張懷亮，齊征宇，TBM液壓管道頻譜特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].噪聲與振動(dòng)控制，2015，35(1):58-62.

[18] 李強(qiáng)，彭歡，齊征宇.TBM液壓管道防共振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2015，31，(1):106-110.

[19] 齊征宇.TBM液壓直管道振動(dòng)穩(wěn)定性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[20] 齊征宇，張懷亮，彭歡.TBM液壓直管道的非線性動(dòng)力學(xué)特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(3):61-66.

[21] 彭歡，張懷亮，袁堅(jiān)，鄒偉，章國(guó)亮.硬巖掘進(jìn)機(jī)比例調(diào)速閥選型方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(21):92-98.

[22] 袁堅(jiān).TBM比例調(diào)速閥動(dòng)態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[23] 張懷亮，袁堅(jiān)，鄒偉.基礎(chǔ)振動(dòng)下直動(dòng)式減壓閥動(dòng)態(tài)特性分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2013，(4):298-302.

[24] 周振峰，楊忠炯，胥景，周立強(qiáng).振動(dòng)環(huán)境下插裝閥選型優(yōu)化方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，11(4)：146-151.

[25] 杜彥良，杜立杰.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)——系統(tǒng)原理與集成技術(shù)[M].上海：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[26] 齊夢(mèng)學(xué).TBM施工中的油液監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].建筑機(jī)械化，2007，(1):47-50.

[27] 韓亞麗.TBM狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].建筑機(jī)械，2003，(9):30-34.

[28] 蘇東.鐵譜分析技術(shù)在TBM液壓系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2001，(4): 28-31.

[29] XieLiyang，Wu Ningxiang， Qian Wenxue，Reliability Evaluation of Propulsion System of Tunnel Boring Machine[C]. Proceedings-Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2014, RAMS 2014 .