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UDC
密 级
学 号 2150220053
硕士学位论文
先导式双护盾 TBM 推进系统开发与性能仿真分析
郑 冰 冰
学 科 门 类： 工 学
学 科 名 称： 机械电子工程
指 导 教 师： 郑建明 教授
申 请 日 期： 2018 年 6 月
摘要
论文题目：先导式双护盾 TBM 推进系统开发与性能仿真分析
学科专业：机械电子工程
研 究 生：郑冰冰 签 名：
指导教师：郑建明 教授 签 名：
摘 要
随着轨道交通和南水北调工程的大力发展，隧洞挖掘已经成为施工中最重要的环节之
一。受到地质条件的影响，隧洞在开挖的过程中极易发生坍塌，给人身财产安全带来极大
的威胁，全断面隧道掘进机（TBM）作为一种新型的隧洞挖掘装备，大大提高了隧洞的
挖掘效率和施工的安全性。目前，TBM 主要用于开挖直径大于 3m 的隧洞，小直径隧洞
主要还是依靠人工挖掘。本文以小型先导式双护盾 TBM 为研究对象，对其多缸并联推进
系统结构设计、运动学建模仿真以及液压伺服控制进行了研究。
根据双护盾 TBM 的工作原理，对先导式双护盾 TBM 的刀盘系统、推进系统以及支
护系统方案进行了确立，完成 TBM 系统方案的设计，并对掘进机的刀盘机构和推进机构
进行结构设计；在 Solidworks 中建立推进机构的简化三维模型，并建立了并联推进机构
的位置反解模型；采用边界搜索法结合 MATLAB 软件进行了推进机构的工作空间求解；
在 ADAMS 中导入推进机构的模型并对其添加约束，对其沿 TBM 轴向掘进和转向掘进时
的运动进行仿真分析，研究推进机构各液压缸支链在不同工作状态下的运动规律，验证了
推进机构的可行性，为推进机构控制系统的建立提供理论依据。
采用伺服直驱泵控技术对推进机构的液压控制系统进行了建立，并对所建液压系统的
元器件采用 AMESim 软件标准库进行建模，进一步搭建系统的开环和闭环仿真模型；对
推进液压系统开环控制时的速度进行仿真分析，验证了液压系统的可行性；采用 PID 控
制技术建立推进液压系统的闭环控制系统，在 AMESim 中对不同 PID 参数下的系统的速
度变化进行了仿真分析，得出了一组最佳的 PID 参数，在该参数的控制系统下对推进机
构的转向掘进轨迹进行了仿真分析，结果表明闭环控制系统在推进系统的掘进过程中具有
更加快速