盾构机推进系统的推进力分配方法和推进力分配装置

摘要

本申请公开了一种盾构机推进系统的推进力分配方法和推进力分配装置。通过构造一组产生单位总推力的推力分布组、一组产生单位水平纠偏力矩的推力分布组以及一组产生单位垂直纠偏力矩的推力分布组，并根据三个推力分布组和当前工作模式下的目标总推力和目标纠偏力矩来获得各油缸分区的推力，以对各油缸分区的推进力进行调节，调整总推力和纠偏力矩至各目标值。本申请的推进力分配方法可适用于盾构机各工作模式下的推进力分配，进而实现盾构机姿态的调整和推进速度的调整。

说明书

技术领域

本申请涉及一种盾构机推进系统的推进力分配方法和推进力分配装置。

背景技术

盾构机是隧道施工的主要装备，为了提高盾构机的效率及适用范围，盾构机在向自动化、智能化、大深度、大断面、长距离的方向发展。

为了更好地控制盾构机的掘进速度和姿态调整，如何更好地对推进系统的各个油缸进行推进力分配是亟需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种盾构机推进系统的推进力分配方法和推进力分配装置，以适用于在各个工作模式下的推进力分配。

本申请第一方面提供一种盾构机推进系统的推进力分配方法，盾构机推进系统包括在周向上间隔设置的多个油缸分区，每个油缸分区内设置有至少一个油缸点位，包括如下步骤：

获取在当前工作模式下目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩；

构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位推力，第一推进分布组包括与多个油缸分区对应的第一推力；构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩，第二推力分布组包括与多个油缸分区对应的第二推力；并构建第三推力分布组以使得第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩，第三推力分布组包括与多个油缸分区对应的第三推力，第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组线性无关；

根据第一推力分布组、第二推力分布组、第三推力分布组以及目标推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩获得各个油缸分区的推进力。

在一些实施例中，构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位推力包括：构建第一推力初始分布组F

在一些实施例中，F1

在一些实施例中，构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩包括：构建第二推力初始分布组F

在一些实施例中，F2

在一些实施例中，构建第三推力分布组以使得第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩包括：构建第三推力初始分布组F

在一些实施例中，F3

在一些实施例中，推进力分配方法还包括在构建第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组后，其中，若第一推力分布组产生附加水平纠偏力矩和附加垂直纠偏力矩，则在第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组形成的向量空间中求解标准正交基，并根据标准正交基获得处于推进状态下的各个目标油缸分区的推进力；或者，若第二推力分布组产生附加推力和附加垂直纠偏力矩，则在第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组形成的向量空间中求解标准正交基，并根据标准正交基获得处于推进状态下的各个目标油缸分区的推进力；或者，若第三推力分布组产生附加推力和附加水平纠偏力矩，则在第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组形成的向量空间中求解标准正交基，并根据标准正交基获得处于推进状态下的各个目标油缸分区的推进力。

在一些实施例中，以推进系统的截面中心为原点建立空间直角坐标系，以推进力的大小为z轴，以竖直方向为y轴，以与竖直方向和推进方向均垂直的方向为x轴；获取各个油缸点位的油缸在空间直角坐标系内的坐标点，构建第一推力分布组、第二推进分布组以及第三推力分布组以使得各个油缸点位的坐标点在设定平面附近分布。

在一些实施例中，还包括获取当前工作模式，工作模式包括交替推拼模式和同步推拼模式，并根据工作模式控制多个油缸分区中油缸的状态。

本申请第二方面提供一种盾构机推进系统的推进力分配装置，包括：

获取模块，用于获取在当前工作模式下目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩；

构建模块，用于构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位推力；构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩；并构建第三推力分布组以使得第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩；

求解模块，用于根据第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组以及目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩获得各个油缸分区的推进力。

基于本申请提供的技术方案，通过构造一组产生单位总推力的推力分布组、一组产生单位水平纠偏力矩的推力分布组以及一组产生单位垂直纠偏力矩的推力分布组，并根据以上三个推力分布组和当前工作模式下的目标总推力和目标纠偏力矩来获得各油缸分区的推力，以对各油缸分区的推进力进行调节，调整总推力和纠偏力矩至各目标值。本申请的推进力分配方法可适用于盾构机各工作模式下的推进力分配，进而实现盾构机姿态的调整和推进速度的调整。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一个实施例的推进系统的油缸截面图。

图2为本申请另一个实施例的推进系统的油缸截面图。

图3为本申请实施例的盾构机推进系统的推进力分配方法的步骤图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

盾构机进行常规盾构施工时一般采用交替推拼模式，即先进行推进，待推进有一环管片的宽度后进行该环管片的拼装，使隧道一次成型。一环管片拼装完成后，盾构机再次推进一环距离，之后再进行一环管片拼装，如此反复交替进行。

由于在采用交替推拼模式施工时，盾构机的推进工序完全停下来才能开始拼装工序，这就导致了盾构机的各系统需要频繁地启停，从根本上制约了隧道施工的效率。因此同步推拼模式应运而生。在同步推拼模式下，油缸推动盾构机向前掘进的同时，缩回若干个相邻的油缸用于管片的拼装，以此实现一边推进一边拼装，可大大提高掘进效率。但是由于缩回了部分油缸，因此剩余油缸必须维持原交替模式下油缸提供的推进力合力点不变以避免发生偏载，并且还应使得总推进力大小不变以保障掘进动力和掘进速度，因此保持合力点不变和总推力不变是同步推拼模式的关键。

在发明人了解的相关技术中，推力分配方法均是针对同步推拼模式，主要采用两种方法，第一种是在同步推拼模式下，同时关闭与缩回油缸对称的油缸以克服偏载来维持原有纠偏力矩，然后再增大其余油缸的推力以维持原有的总推力。第二种方法是在关闭缩回油缸的情况下，维持原有力矩和总推力，基于优化算法求解使得变量变小的推力分配。可见在以上推力分配方法中，其推力分配的目标均是使得现在的总推力和纠偏力矩与同步推拼之前的总推力和纠偏力矩相同。但是无法解决后续基于目标总推力和目标纠偏力矩下的纠偏和调速问题。而且以上推力分配方法均是只针对同步推拼模式，而没有针对交替推拼模式下的推力分配，因此无法在盾构机推进系统的各工作模式下通用。

针对以上问题，本申请实施例提供一种盾构机推进系统的推进力分配方法，以适用于在各个工作模式下的推进力分配。

在对本申请实施例的推进力分配方法说明之前，首先对盾构机的结构及其工作原理进行简单介绍。盾构机包括刀盘和油缸，油缸的一端与刀盘连接以驱动刀盘向前掘进，刀盘转动向前掘进时切割下的岩石和土壤通过输送机输送出，油缸的另一端通过撑靴顶在已经拼装好的管片处，管片给油缸提供反作用力使得盾构机在掘进方向上向前移动。

如图1所示为一个实施例的推进系统的油缸截面图。盾构机推进系统包括在周向上间隔设置的多个油缸分区，每个油缸分区包括至少一个油缸点位。图1示例性地示出八个油缸分区。在图中示出的第一油缸分区A1、第二油缸分区A2、第三油缸分区A3……。每个油缸分区包括两个油缸点位，其中每个油缸点位100包括两个相邻设置的油缸10。如图2所示，在另一个实施例中，部分油缸点位也可以仅包括一个油缸。第一油缸分区的第1点位为双油缸，第一油缸分区的第2点位为单油缸，而第三油缸分区第1点位和第2点位都是双油缸。也就是说，针对每个油缸点位，并不对其油缸数进行限制，多个油缸点位的油缸数可以相同，也可以不同。针对每个油缸分区，其多个油缸的中心为该油缸点位的坐标。

如图3所示，本申请实施例提供一种盾构机推进系统的推进力分配方法，包括如下步骤：

S210，获取在当前工作模式下目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩；

S220，构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位总推力，第一推进分布组包括与多个目标油缸分区对应的第一推力；构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩，第二推力分布组包括与多个目标油缸分区对应的第二推力；并构建第三推力分布组以使得第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩，第三推力分布组包括与多个目标油缸分区对应的第三推力，第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组线性无关；

S230，根据第一推力分布组、第二推力分布组、第三推力分布组以及目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩获得各个油缸分区的推进力。

本申请实施例的推进力分配方法通过构建一组产生单位总推力的推力分布组、一组产生单位水平纠偏力矩的推力分布组以及一组产生单位垂直纠偏力矩的推力分布组，并在构建时保证以上三个推力分布组线性无关，进而可结合当前工作模式下的目标总推力和目标纠偏力矩来计算获得各油缸分区的推进力。由上可知，本申请实施例的推进力分配方法可适用于盾构机各工作模式下的推进力分配，进而实现盾构机姿态的调整和推进速度的调整。

在一些实施例中，构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位推力包括：构建第一推力初始分布组F

在以上实施例中，F1

在一些实施例中，F1

在另一些实施例中，尤其是针对不同点位存在单油缸、双油缸或多油缸的实施例，如图2所示，第一油缸分区的第1点位为双油缸，第一油缸分区的第2点位为单油缸，而第三油缸分区第1点位和第2点位都是双油缸。因此在相同分区压力的情况下，第一油缸分区的总推力将小于第三油缸分区的总推力。那么由于各个点位的油缸数不同，就使得不同油缸分区产生的总推力或力矩不同。在尽可能使各个油缸的推力分布均匀的情况下，使得能力强(提供总推力更大)的油缸分区承担得更多，在构建F1

在该实施例中，在构建第一推力分布组时，n

以上示出两个对F1

同样地，在一些实施例中，构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩包括：构建第二推力初始分布组F

本申请实施例的推进力分配方法通过事先给出设定推力F2

在一些实施例中，F2

对于图1示出的实施例，针对第一油缸分区A1，其包括两个点位，第一油缸点位和第二油缸点位，此时R

采用公式∑(F

在一些实施例中，构建第三推力分布组以使得所述第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩包括：构建第三推力初始分布组F

在一个具体实施例中，F3

第三推力分布组的构建与第二推力分布组的构建方法相似，此处不再赘述。

在构建完以上第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组后，需要保证第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组线性无关。

为了使得油缸的推力分布均匀以使得盾体受力均匀，在一些实施例中，以推进系统的截面中心为原点建立空间直角坐标系，以推进力的大小为z轴，以竖直方向为y轴，以与竖直方向和推进方向均垂直的方向为x轴；获取各个油缸点位的油缸在空间直角坐标系内的坐标点，构建第一推力分布组、第二推进分布组以及第三推力分布组以使得各个油缸点位的坐标点在设定平面附近分布。

本申请实施例所说的推力分布均匀指的是：该设定平面既可以是平行于推进系统的截面的平面，该平面还可以是相对于推进系统的截面倾斜的平面。在上述描述中，各个油缸点位的坐标点在设定平面附近分布指的是各个油缸点位的坐标点靠近设定平面分布，此处的靠近也包括位于该设定平面上，或者在设定平面的相反两侧均匀设置。

在构建完成第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组后，由于处在工作状态的油缸垂直或水平分布不对称，使得所构造的F

在此需要说明的是，所构造的F

最后结合目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩得到各油缸的推力，具体地，通过叠加法计算获得最终的推进力分布F。

F＝F

本申请实施例还提供一种盾构机推进系统的推进力分配装置，该推进力分配装置包括获取模块、构建模块和求解模块。

其中，获取模块用于获取在当前工作模式下目标总推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩以及油缸组处于推进状态的多个目标油缸分区的位置。构建模块用于构建第一推力分布组以使得第一推力分布组产生单位推力；构建第二推力分布组以使得第二推力分布组产生单位水平纠偏力矩；并构建第三推力分布组以使得第三推力分布组产生单位垂直纠偏力矩。求解模块用于根据第一推力分布组、第二推力分布组和第三推力分布组以及标准正交基、目标推力、目标水平纠偏力矩和目标垂直纠偏力矩获得各个油缸分区的推进力。

通过本申请实施例提供的推进力分配装置所取得的有益效果和上述推进力分配方法所取得的有益效果相一致，此处不再赘述。

综上可知，采用上述技术方案，本申请实施例的盾构推进系统的推进力分配方法，基于力学和数学的理论，通过对各油缸分区的推进力进行调节，调整总推力和纠偏力矩至各目标值，且压力分布均匀。所构建的推力分布在达到目标总推力和目标纠偏力矩的同时，压力分布均匀，使得盾体受力均匀，有利于盾构顺利掘进，从而实现在正常施工掘进、同步推拼模式施工掘进或其他模式施工掘进下的盾构姿态调整和推进速度调整。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本申请技术方案的精神，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。