CN116927796A - 盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，针对分区等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的盾构机，利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力/油压矢量终点共面的条件下建立分区推力/油压约束公式，求解出公式中的未知量，得到分区推力或分区油压的均衡分配结果，最后通过换算关系对应得到分区油压或分区推力的均衡分配结果，使各分区的油压和推力满足目标总推力和目标纠偏力矩的要求，同时保障分区推力和分区油压分配的均衡性，减小对分区交界管片的弯折力矩，从而减少管片损伤，利于掘进施工中对管环的保护，分配过程准确高效，为盾构机姿态自动/智能控制打下技术基础。

Description

盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法

技术领域

本发明涉及盾构机控制技术领域，具体涉及一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法。

背景技术

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，其基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，并在掘进的过程中铺设支撑性管片。盾构机盾体圆周通常均匀装配有推进油缸，推进油缸活塞杆顶端的撑靴撑抵在管环端面，通过缓慢伸出活塞杆反向推动盾构机向掘进方向运动。在较为基础、常见的盾构机结构中，例如有同步掘进功能的盾构机等，其推进系统通常包括在周向上等间隔设置的多个可独立调节油压的分区，每分区内油缸组数量相等，按照工程需求，单组或者多组相邻的推进油缸组并联作为一个分区，由同一阀组统一控制油压，故同分区内各组油缸对应推力/油压相同，推进油缸通常每2根成组或单根成组，同组内推进油缸推力相同。

近年来，自动化、智能化技术在盾构装备及施工领域不断发展，其中最重要内容之一为盾构机掘进姿态自动控制。为实现盾构机姿态向目标姿态或计划线方向调整，可通过调节盾构机各推进油缸分区油压/推力，调整纠偏力矩强度和方向，进而达到盾构机姿态纠偏的目的。然而在满足相同总推力和纠偏力矩条件下，各分区油压/推力值组合结果数量众多。工程实践中，通常由司机根据经验和习惯进行调控，不同司机操作手法不同，导致相同前提下分区油压/推力值分配结果差异性大，无法对盾构机姿态自动/智能控制技术发展提供有益参考。

此外，油压和推力的分配还需要考虑到均衡性要求。无规律的分区油压/推力分配方式如图1(a)所示，油压/推力均衡分配情况见图1(b)。根据实际施工情况和业界共识，通常认为相邻分区油压/推力相差越小则对分区交界管片的弯折力矩越小，进而可减少管片损伤，故相同总推力及纠偏力矩的前提下，各分区的油压/推力越均衡越好，即分区油压/推力大小沿目标纠偏力矩方向变化梯度一致则分配结果最优。

对盾构机而言，其运动的自由度为3：俯仰、横摆、前后平移，但推进缸数量远远大于3，由此产生液压缸过驱动问题。为达到盾构运动力学指标，需要对冗余推进油缸推力或油压进行协调分配，该问题与在航空、航海、汽车等领域遇到的冗余性问题相似，称之为控制分配问题。现阶段对于控制分配问题的主要求解算法包括：

(1)显式组合法：显式组合法使用预先设计的组合方式由多个执行结构配合产生各个单一的控制效应。这种方法易于工程实现，适用于组合方式明显且有限的过驱动系统，但不能有效处理约束，也不能对性能进行优化，当某一执行机构出现故障时，设计的组合方案将失效，没有自适应重分配的能力，且对冗余度较高的系统不适用。

该方法需预先设置组合方式以产生某个单一的控制作用，但针对盾构机推力分配这种情况，推力在可行范围内是连续的、纠偏力矩在范围内也是连续的，相应各个油缸推力变化也是稳定且连续的，利用“显式组合法”难以在可行域内实现设计无数种多油缸推力组合方式，达到连续变化的目标推力和力矩。因此，显式组合法不适用于解决盾构机的分区推力分配问题。

(2)串接链法：假设系统的执行机构是分级结构，串接链控制分配方法的核心思想是若前一级执行机构饱和则，快速让下一级执行机构动作，以补偿需要的控制量。串接链控制分配算法具有工程实现简单、分配速度快和使用可靠等特点。也有一个明显的缺点是很容易导致执行机构的饱和。

该方法容易导致先动作的部分执行机构(油缸)推力达到极限，这在盾构施工中是不可接受的。因此，串接链法不适用于解决盾构机的分区推力分配问题。

(3)直接分配法：直接分配法有Duaham提出，是一种几何算法，其过程为：给定控制伪指令W，首先得到一个合适的控制输入*R使得伪控制输入W*＝LR*，在W方向上幅值最大。

Bodson将直接分配转化为求解最优化问题的形式，通过给定ɑ，R*，并求解：

直接分配算法追求分配结果在期望方向上幅值最大，且需利用最优化问题求解方法进行求解，较为繁琐且不够精确。

(4)广义逆分配法：广义逆的控制分配算法引入了最小范数的约束，可表示为可表示为

该式的显式解为R＝L+W，其中L⁺＝L^T(LL^T)^-1是L的伪逆矩阵。

该方法通过广义逆求解各执行机构的动作量，其追求执行机构综合输出最小，但对于盾构机推进油缸分布不均衡——力臂差异大的情况时，其可保证分配结果满足总推力和力矩要求，但无法保证分配结果均衡(最大分区油压可能与最小分区油压相邻)，这种分配结果对管片受力存在潜在风险。

传统的控制分配算法中，除了上面列举的几种，还有Burken提出的一种求解加权最优控制分配问题的固定点迭代算法，该算法类似于梯度搜索的迭代算法，具有全局收敛性，但是若给出的是不可达的指令时，算法可能较慢。Petersen和Bodson提出的一种用于求解二次规划的内点算法，该方法一致收敛并且最优解的相对距离可知。此外，还有求解小到中规模的二次规划问题的有效集算法等。内点算法和有效集算法都是将控制分配问题转化为二次规划问题，其目的都是求解符合目标函数及约束条件下的最优解。利用二次规划求解控制分配问题一般追求约束条件下目标函数最小，该处理方式可实现满足目标总推力和纠偏力矩的各分区推力分配，但不能保证分配结果均衡。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，所述盾构机的推进系统包括等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的多个可独立调节油压的分区，每个分区由相同数量的油缸组组成，分区推力和分区油压矢量方向均垂直于所述安装平面，包括：

步骤S1，确定所述盾构机的分区数量n、每个分区的油缸组数量m、单组油缸的推力与油压的比例系数K、各分区等效受力点所在圆周的半径R，然后以圆周中心为原点建立空间直角坐标系O-xyz，然后进一步确定所有分区相对于原点O的水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y以及需要达到的目标总推力F_t；

步骤S2：利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力矢量终点共面的条件下建立分区推力约束公式：或者在各分区油压矢量终点共面的条件下建立分区油压约束公式:

式中，F_i为第i个分区的分区推力，P_i为第i个分区的分区油压，θ_i为第i个分区中心对应的圆心角，α为斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角，tanβ₁为各分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度，tanβ₂为各分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度；

步骤S3：根据水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y得到目标纠偏合力矩再通过斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角与目标纠偏合力矩的方向角之间的对应关系得到

步骤S4：结合各分区在ɑ方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系，即得到分区推力约束公式中的或者分区油压约束公式中的

步骤S5：先将α和tanβ₁代入分区推力约束公式中，得到关于θ_i的分区推力计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区推力，通过分区推力换算得到对应的分区油压；或者，将α和tanβ₂代入分区油压约束公式中，得到关于θ_i的分区油压计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区油压，通过分区油压换算得到对应的分区推力，最终得到盾构机分区推力及油压均衡分配结果。

进一步的，步骤S1中，K＝F_max/P_max，F_max为单组油缸油压达到最大值P_max时对应的最大推力。

进一步的，步骤S1中，空间直角坐标系O-xyz中的z轴正方向为自原点O垂直于安装平面指向盾构机掘进方向，y轴正方向为安装平面内自原点O指向盾构机天顶方向，x轴方向根据右手法则确定。

进一步的，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区推力矢量分布模型中，推导得到当各分区推力矢量终点共面时，第i个分区推力F_i应满足的约束条件为：

F_i＝F_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₁，

式中，基准推力F_b为与各分区推力矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区推力矢量终点所在的目标平面；

步骤S2-2，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒轴线段长度与等间隔分布的n条母线长度和的关系对应至各分区推力矢量分布模型中，得到基准推力F_b＝F_t/n。

进一步的，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1’，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区油压矢量分布模型中，推导得到当各分区油压矢量终点共面时，第i个分区油压P_i应满足的约束条件为：

P_i＝P_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₂，

式中，基准推力P_b为与各分区油压矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区油压矢量终点所在的目标平面；

步骤S2-2’，根据的换算关系，得到基准油压

本发明具有以下有益效果：

1、本发明盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，通过分配盾构机的n个分区的推力或油压，在满足给定的目标总推力F_t、水平目标纠偏力矩M_x以及垂直目标纠偏力矩M_y的同时，使n个分区的推力、油压分配符合几何空间中的均衡性，实现分配后的各分区推力/油压梯度均匀，得到最优的分配结果,为盾构机姿态自动/智能控制打下技术基础。

2、本发明盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法得到的分配结果中相邻分区推力/油压相差更小，可有效减小对分区交界管片的弯折力矩，从而减少管片损伤，利于掘进施工中对管环的保护。

3、本发明盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法通过理论计算准确高效地得到最优的推力和油压分配结果，适用于盾构机同步掘进时的全油缸掘进场景，能够为实际施工中的盾构机推力和油压均衡分配提供依据。

附图说明

图1是本发明的实施例中分区推力分配示意图；

图2是本发明的实施例中盾构机推进油缸分区分布示意图；

图3是本发明的实施例中盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法的流程图；

图4是本发明的实施例中斜截圆筒数学模型的示意图；

图5是本发明的实施例中推力矢量空间分布仿真图；

图6是本发明的实施例中推力分配效果仿真图；

图7是本发明的实施例中油压矢量空间分布仿真图；

图8是本发明的实施例中油压分配效果仿真图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法作具体阐述。

<实施例>

如图1、2所示，本实施例中，盾构机的推进系统包括等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的多个可独立调节油压的分区，每个分区由相同数量的油缸组组成，分区推力和分区油压方向均垂直于所述安装平面。

如图3所示，本实施例的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法包括如下步骤：

步骤S1，确定所述盾构机的分区数量n、每个分区的油缸组数量m、单组油缸的推力与油压的比例系数K、各分区等效受力点所在圆周的半径R，然后以圆周中心为原点建立空间直角坐标系O-xyz，然后进一步确定所有分区相对于原点O的水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y以及需要达到的目标总推力F_t；

步骤S2：利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力矢量终点共面的条件下建立分区推力约束公式：或者在各分区油压矢量终点共面的条件下建立分区油压约束公式:

式中，F_i为第i个分区的分区推力，P_i为第i个分区的分区油压，θ_i为第i个分区中心对应的圆心角，α为斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角，tanβ₁为各分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度，tanβ₂为各分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度；

步骤S3：根据水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y得到目标纠偏合力矩再通过斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角与目标纠偏合力矩的方向角之间的对应关系得到

步骤S4：结合各分区在ɑ方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系，即得到分区推力约束公式中的或者分区油压约束公式中的

步骤S5：先将α和tanβ₁代入分区推力约束公式中，得到关于θ_i的分区推力计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区推力，通过分区推力换算得到对应的分区油压；或者，将α和tanβ₂代入分区油压约束公式中，得到关于θ_i的分区油压计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区油压，通过分区油压换算得到对应的分区推力，最终得到盾构机分区推力及油压均衡分配结果。

进一步的，步骤S1中，K＝F_max/P_max，F_max为单组油缸油压达到最大值P_max时对应的最大推力。比例系数K根据实际的盾构机液压系统配置来确定。

进一步的，步骤S1中，空间直角坐标系O-xyz中的z轴正方向为自原点O垂直于安装平面指向盾构机掘进方向，y轴正方向为安装平面内自原点O指向盾构机天顶方向，x轴方向根据右手法则确定。

具体的，本实施例中，按照使用习惯，以分区等效受力点所在圆周的中心O₁为原点O，以水平纠偏力矩、垂直纠偏力矩描述推进油缸产生的力矩。在观察者面向掘进方向的视角下，y轴由圆心O₁指向正上方(垂直方向)，x轴垂直于y轴指向右侧(水平方向)。

如图1、2所示，假定所述盾构机中各分区等效受力点(油缸组根部中心)所在圆周的半径为R；本实施例中，每分区包括1个油缸组，即m＝1；第i个分区对盾构机的分区推力F_i、分区油压P_i与期望达到的目标总推力F_t的关系满足所有油缸组在水平方向(即x方向)和垂直方向(即y方向)期望达到的目标纠偏力矩分别为M_x、M_y。

在步骤S2中，利用斜截圆筒数学模型推导出斜截圆筒母线长度符合的几何约束，在此基础上类比得到各分区推力或油压矢量分布模型符合该几何约束时，所得各分区推力或油压即满足矢量终点共面的均衡性要求。

具体的，如图1(b)和图4所示，盾构机各分区等效受力点所在圆O₁(位于在安装平面内)、各分区推力或油压矢量以及矢量顶点构成的椭圆O₂(位于目标平面内)可抽象为斜截圆筒。斜截圆筒的最高点记作C，经过C点的母线与圆O₁相交于点B，则平面O₁O₂CB为斜截圆筒的对称面，该平面与X轴正方向夹角记作α，则α为此斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴O₂C在安装平面内的投影O₁B的方向角。任一母线AG与圆O₁交于点A，与椭圆面交于点G，直线O₁A与X轴正方向夹角记作θ_i。斜截圆筒的椭圆面与圆面的夹角记作β。

由此可得到斜截圆筒数学模型与各分区推力或油压矢量分布模型的对应关系：各分区推力或油压矢量长度等于对应位置母线的长度，目标总推力F_t大小等于各分区等效受力点位置对应的分区推力之和。θ_i为第i个分区等效受力点对应的圆心角，tanβ为各分区推力或油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度。

以任一母线AG为例推导母线顶点共面时母线长度所符合的几何约束。由图4可知|AG|＝|AD|+|DG|，其中|AD|＝|O₁O₂|，可知若在线段O₁O₂已知情况下，只需求得线段DG长度即可解算出AG长度。

由于平面O₁O₂CB与斜截圆筒的圆端面和椭圆端面都垂直，又平面AHFG、平面O₁O₂CB、以及圆O₁所在平面两两相互垂直，故四边形AHFG为矩形，进一步可知四边形DEFG亦为矩形，故|DG|＝|EF|。线段EF长度可在△EO2F内按照式|EF|＝|O₂E|·tanβ求解。在矩形O₁O₂EH中|O₂E|＝|O₁H|，而线段O1H长度可在△O1HA内由式|O₁H|＝|O₁A|·cos(θ_i-α)解算。

因此，经推导可知，所述斜截圆筒数学模型中任一母线长度AG长度应满足的几何约束为：l_i＝|AG|＝|O₁O₂|+R·cos(θ_i-α)·tanβ。

由于盾构机实际油缸组是沿圆周等角度间隔排布的，所以各分区中心对应的圆心角满足θ_i＝(i-1)·2π/n+ω(ω为第一组油缸初始角度，该相位不影响最终结果)，与斜截圆筒相应位置母线圆心角一一对应。各母线长度之和L_t可表示为：

因此，经推导可知：在斜截圆筒数学模型中，沿圆周等角度间隔排布的母线与轴线段长度满足：

对于每个分区油缸数量同为m的情况，由于单组油缸推力与油压的比例系数K为一定值，分区推力与分区油压满足：F_i＝mKP_i。因此，当各推力矢量满足终点共面条件时，相应的，各分区油压矢量同样也满足终点共面，但在等效受力点空间位置不变的情况下，F_i经过转换比例mK缩放至P_i后，矢量终点平面的倾斜度将发生变化，tanβ₂≠tanβ₁。

进一步的，若以先推导计算分区推力，再根据分区推力确定分区油压的方式进行均衡分配，则各分区推力矢量长度等于斜截圆筒数学模型中对应位置母线的长度，各分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度tanβ₁等于斜截圆筒数学模型中的tanβ，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区推力矢量分布模型中，推导得到当各分区推力矢量终点共面时，第i个分区推力F_i应满足的约束条件为：

F_i＝F_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₁，

式中，基准推力F_b为与各分区推力矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区推力矢量终点所在的目标平面。

步骤S2-2，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒轴线段长度与等间隔分布的n条母线长度和的关系对应至各分区推力矢量分布模型中，得到基准推力F_b＝F_t/n。

然后，在步骤S3中，根据已知的水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y可确定目标纠偏合力矩由于各分区等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布且每个分区内油缸组数量相同，斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴O₂C在安装平面内的投影O₁B的方向角与目标纠偏合力矩的方向角相等，即存在

继而，在步骤S4中，结合各分区在ɑ方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系可列得等式：

根据上述等式可求解得到步骤S2-1中的

最后，在步骤S5中，先将步骤S3、S4中分别求解得到的α和tanβ₁代入步骤S2-1的分区推力约束公式中，得到关于θ_i的分区推力计算式：再将各分区对应的圆心角θ_i依次代入分区推力计算式中，计算n个分区的分区推力；进而根据的换算关系，可直接通过分区推力换算得到对应的分区油压，而无需从头计算推导，可方便快捷地得到盾构机分区推力和分区油压均衡分配结果。

进一步的，若以先推导计算分区油压，再根据分区油压确定分区推力的方式进行均衡分配，则各分区油压矢量长度等于斜截圆筒数学模型中对应位置母线的长度，各分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度tanβ₂等于斜截圆筒数学模型中tanβ，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1’，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区油压矢量分布模型中，推导得到当各分区油压矢量终点共面时，第i个分区油压P_i应满足的约束条件为：

P_i＝P_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₂，

式中，基准推力P_b为与各分区油压矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区油压矢量终点所在的目标平面。

步骤S2-2’，根据换算关系得到基准油压

然后，同样的，在步骤S3中得到

继而，在步骤S4中结合各分区在ɑ方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系，求解得到步骤S2-1’中的

最后，在步骤S5中，先将步骤S3、S4中分别求解得到的α和tanβ₂代入步骤S2-1’的分区油压约束公式中，得到关于θ_i的分区油压计算式，再将各分区对应的圆心角θ_i依次代入分区油压计算式中，计算n个分区的分区油压，进而根据F_i＝mKP_i的换算关系，可直接通过分区油压换算得到对应的分区推力，而无需从头计算推导，可方便快捷地得到盾构机分区推力和分区油压均衡分配结果。

为验证推力/油压均衡分配效果，进行仿真实验：以9米级盾构为例，盾构机推进系统共含19组油缸，每组油缸含2根油缸并通过撑靴物理连接油缸伸缩杆顶端。单个油缸组对应的推力-油压转换系数K＝2*(2000-0)/(35-0),单位:kN/MPa。19组油缸参数如表所示：

假设每组油缸为一个油压单独可调的分区，即分区数n＝19，每个分区油缸组数量m＝1。以总推力F_t＝22489kN、水平目标纠偏力矩M_x＝-13493.4kN·m以及垂直目标纠偏力矩M_y＝-17991.2kN·m为目标值进行分区推力分配，对分配结果进行仿真，推力矢量空间分布仿真结果如图5所示。19组油缸对应的推力值分别为：1663.07728181，1520.34276725，1341.12037083，1144.83162011，952.74744698，785.68315208，661.74274404，594.3570892，590.82846886，651.53926379，769.91051733，933.11486744，1123.4665904，1320.33812343，1502.39538115，1649.90963477，1746.89542599，1782.84283944，1753.8564151，单位为kN。对分配结果进行计算验证：各分区推力之和为22489.0kN，等于目标总推力；通过计算各分区推力乘以该分区对应方向的等效力点坐标之和，得出分配结果对应的水平、垂直纠偏力矩分别为-13493.399999999998kN·m和17991.2kN·m，符合目标纠偏力矩(计算机运算过程中存在精度丢失而导致的极小误差可忽略)。区力分配方向角为-0.64350111，力矩方向角为-0.64350111，平面倾斜角为-1.57738718，单位均为rad。

每组油缸油压单独可调，总推力F_t＝22489kN，以1m为半径，总推力等效施力点绕推进油缸安装平面圆心环绕一周，相应纠偏力矩随该等效施力点发生变化，具体可由下式计算：

纠偏力矩其中γ∈(0,2π)，r＝1m，

以上述每点对应的总推力和纠偏力矩为目标值进行分区推力分配，验证分配结果对应的总推力、纠偏力矩及相关量变化情况。得到仿真结果如图6所示。由此可知，力心沿圆周移动而总推力保持不变，分配结果满足目标总推力F_t的要求；根据分配结果验算得到的力矩与目标纠偏力矩M_x、M_y的差值接近于零，能够满足推力分配要求。

同样的，假设每组油缸为一个油压单独可调的分区，即分区数n＝19，m＝1，以总推力F_t＝22489kN、水平目标纠偏力矩M_x＝-13493.4kN·m以及垂直目标纠偏力矩M_y＝-17991.2kN·m为目标值进行分区油压分配，对分配结果进行仿真，油压矢量空间分布仿真结果如图7所示。19组油缸对应的油压值分别为：14.55192622，13.30299921，11.73480324，10.01727668，8.33654016，6.87472758，5.79024901，5.20062453，5.1697491，5.70096856，6.73671703，8.16475509，9.83033267，11.55295858，13.14595959，14.4367093，15.28533498，15.59987485，15.34624363，单位均为MPa。对分配结果进行计算验证：各分区推力之和为22489.0，等于目标总推力；分配结果对应的水平纠偏力矩、垂直纠偏力矩分别为-13493.400000000001kN·m和17991.199999999997kN·m，符合目标纠偏力矩(计算机运算过程中存在精度丢失而导致的极小误差可忽略)。油压分配方向角为-0.64350111，力矩方向角为-0.64350111，目标平面倾斜角为-2.2163747，单位均为rad。因此，通过仿真结果还可验证：相同分配条件下，所有分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度(tan₁)与所有分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度(tan₂)不同；对于同一分区，分配到的分区推力与分区油压的比值为mK。

每组油缸油压单独可调，总推力F_t＝22489kN，以1m为半径，总推力等效施力点绕推进油缸安装平面圆心环绕一周，相应纠偏力矩随该等效施力点发生变化，具体可由下式计算：

纠偏力矩其中γ∈(0,2π)，r＝1m，

以上述每点对应的总推力和纠偏力矩为目标值进行分区油压分配，验证分配结果对应的总推力、纠偏力矩及相关量变化情况。得到仿真结果如图8所示。由此可知，力心沿圆周移动而总推力保持不变，分配结果满足目标总推力F_t的要求；根据分配结果验算得到的力矩与目标纠偏力矩M_x、M_y的差值接近于零，能够满足推力分配要求。

综上，本发明的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法在给定目标总推力以及水平和垂直目标纠偏力矩的前提下，对各分区的推力和油压进行分配，利用几何模型进行推导，在各分区推力/油压矢量终点位于三维空间同一平面的约束下，得到单一的、确定的均衡分配结果，实现分配后的各分区推力梯度均匀，利于掘进施工中对管环的保护，实用性强，具有较高的推广应用价值，并且可为盾构机姿态自动/智能控制打下技术基础。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，所述盾构机的推进系统包括等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的多个可独立调节油压的分区，每个分区由相同数量的油缸组组成，分区推力和分区油压矢量方向均垂直于所述安装平面，其特征在于，包括：

步骤S1，确定所述盾构机的分区数量n、每个分区的油缸组数量m、单组油缸的推力与油压的比例系数K、各分区等效受力点所在圆周的半径R，然后以圆周中心为原点建立空间直角坐标系O-xyz，然后进一步确定所有分区相对于原点O的水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y以及需要达到的目标总推力F_t；

步骤S2：利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力矢量终点共面的条件下建立分区推力约束公式：或者在各分区油压矢量终点共面的条件下建立分区油压约束公式:

式中，F_i为第i个分区的分区推力，P_i为第i个分区的分区油压，θ_i为第i个分区中心对应的圆心角，α为斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角，tanβ₁为各分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度，tanβ₂为各分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度；

步骤S3：根据水平目标纠偏力矩M_x、垂直目标纠偏力矩M_y得到目标纠偏合力矩再通过斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角与目标纠偏合力矩的方向角之间的对应关系得到

步骤S4：结合各分区在ɑ方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系，即得到分区推力约束公式中的或者分区油压约束公式中的

步骤S5：先将α和tanβ₁代入分区推力约束公式中，得到关于θ_i的分区推力计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区推力，通过分区推力换算得到对应的分区油压；或者，将α和tanβ₂代入分区油压约束公式中，得到关于θ_i的分区油压计算式，再代入各分区对应的圆心角θ_i计算n个分区的分区油压，通过分区油压换算得到对应的分区推力，最终得到盾构机分区推力及油压均衡分配结果。

2.根据权利要求1所述的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，其特征在于：

步骤S1中，K＝F_max/P_max，F_max为单组油缸油压达到最大值P_max时对应的最大推力。

3.根据权利要求1所述的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，其特征在于：

步骤S1中，空间直角坐标系O-xyz中的z轴正方向为自原点O垂直于安装平面指向盾构机掘进方向，y轴正方向为安装平面内自原点O指向盾构机天顶方向，x轴方向根据右手法则确定。

4.根据权利要求1所述的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，其特征在于：

步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区推力矢量分布模型中，推导得到当各分区推力矢量终点共面时，第i个分区推力F_i应满足的约束条件为：

F_i＝F_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₁，

式中，基准推力F_b为与各分区推力矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区推力矢量终点所在的目标平面；

步骤S2-2，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒轴线段长度与等间隔分布的n条母线长度和的关系对应至各分区推力矢量分布模型中，得到基准推力F_b＝F_t/n。

5.根据权利要求1所述的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，其特征在于：

步骤S2包括如下子步骤：

步骤S2-1’，将所述斜截圆筒数学模型中的斜截圆筒母线长度应符合的几何约束对应至各分区油压矢量分布模型中，推导得到当各分区油压矢量终点共面时，第i个分区油压P_i应满足的约束条件为：

P_i＝P_b+R·cos(θ_i-α)·tanβ₂，

式中，基准推力P_b为与各分区油压矢量方向一致的虚拟矢量，其起点位于原点O，终点位于各分区油压矢量终点所在的目标平面；

步骤S2-2’，根据的换算关系，得到基准油压