42、敞开式 TBM 撑靴与推进系统的新型控制策略研究

敞开式 TBM 撑靴与推进系统的新型控制策略研究

1. 撑靴与推进机构的力学模型

敞开式 TBM 主要由支撑与推进系统、刀盘驱动系统和尾部支撑系统等组成。工作时，撑靴以一定压力支撑隧道侧壁，尾部支撑抬起，推进系统的液压缸推动主梁，使刀盘挤压前方岩石，同时电机驱动刀盘旋转切割岩石，实现隧道的一次成型。

1.1 支撑与推进机构建模

撑靴和推进机械结构的力学分析如图 2 所示。主梁两侧的推进结构和撑靴结构对称，但当刀盘逆时针旋转时，右侧撑靴上的反扭矩方向与重力方向相同，导致 z 轴方向的机械力较大。因此，出于安全和有效性考虑，采用右侧撑靴进行受力分析，并将其简化。

右侧撑靴的力平衡方程为：
[
\begin{cases}
F_{Rx} = 2F_t \sin \theta + F_c \
F_{Ry} = 2F_t \cos \theta \
F_{Rz} = \frac{T}{l} + \frac{G}{2}
\end{cases}
]
其中，(F_{Rx}) 是撑靴受到的围岩支撑力，(F_t) 是推进力，(F_c) 是撑靴缸的输出力，(F_{Ry}) 和 (F_{Rz}) 分别是围岩在 y 和 z 方向的摩擦力，(T) 是刀盘的反扭矩，(G) 是作用在撑靴缸上的重力，(l) 是左右撑靴之间的距离，(\theta) 是推进缸轴线与推进方向的夹角。

撑靴的实际地面压力 (p_{r_g}) 可表示为：
[
p_{r_g} = \frac{F_{Rx}}{S} = \frac{2F_t \sin \theta + F_c}{S}
]