全断面掘进装备(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套装备,它主要由推进系统、刀盘系统、支撑换步机构、辅助支护设备、液压系统、电气系统、导向系统、后配套系统及辅助设备等组成。TBM在掘进过程中由于围岩特性变化等原因常常发生被困事故,严重影响了施工进度,耗费大量的人力物力。如果驱动机构能提供足够大的脱困扭矩,使得TBM在围岩破碎工况发生前快速通过高危区,可以大大的提高施工效率,故有必要对刀盘驱动系统的脱困能力提升展开研究。本文设计了变频电机、飞轮与液粘调速离合器(HVC)协同控制的新型驱动方案,可以在不增加TBM刀盘驱动系统装机功率的前提下提高脱困扭矩,改善驱动性能,提高能量使用效率。其关键点及难点就在于液粘调速离合器的有效使用及合理控制,因此,研究液粘调速离合器,揭示粘性传动机理,提高其扭矩传递能力,在此基础上建立刀盘脱困的协同控制方法,是研究TBM刀盘脱困技术的两个问题。本文的主要研究内容如下：第一章阐述了TBM脱困技术的课题背景和研究意义,对已有的刀盘驱动技术进行了介绍,并设计了新型的刀盘驱动方案。由于该方案中,液粘调速离合器起了非常重要的作用,故对其发展及相关技术也进行了调查研究,总结了液粘调速离合器及其摩擦副流场、起动接合控制的研究现状,分析了前人研究的不足之处及本研究的必要性,最后对本论文的主要研究内容进行了介绍。第二章主要是进行液粘调速离合器的基础研究,对其工作原理进行了说明,对离合器油膜受力情况,尤其是油膜承载力进行了详细的推导。之所以花了很大的篇幅进行液粘调速离合器油膜的受力分析,是因为其受力情况直接决定了油膜厚度值和离合器传递的扭矩值,这为第四章对TBM脱困的性能分析以及AMESim仿真模型的搭建等建立了基础。第三章对液粘调速离合器油膜厚度的分布进行了分析。通过分析发现,传统结构的液粘调速离合器油膜厚度分布不均,这会导致离合器工作过程中产生摩擦副偏磨现象,降低传递的扭矩值,减少离合器的工作寿命。由于在原结构的基础上很难对此做出较好的改进,故对传统的液粘调速离合器结构进行了优化设计,并从理论和仿真两个角度将改进前与改进后的离合器油膜厚度分布均匀性、传递扭矩的能力进行了对比。第四章主要是利用AMESim软件搭建基于电机、液粘调速离合器、负载模型的TBM能量传递模型,成功得实现了装机功率不变情况下的TBM刀盘脱困,验证了新型TBM驱动方案可行性及功率密度高、脱困能力强、冲击小的特点。具体研究内容主要包括对各个能量传递元件进行建模,并引入冲击度的概念对离合器接合效果定量计算,研究了不同飞轮转动惯量下,不同油膜厚度变化下的离合器传递扭矩、飞轮、负载转速变化及冲击度大小,并设计了溢流阀压力曲线,在负载扭矩2倍于电机最大扭矩的情况下,成功的实现了脱困。脱困过程,离合器传递扭矩高于负载扭矩的时间长达71.7s,效果显著。第五章对TBM模拟脱困试验台的组成以及各个部分进行了选型设计,主要包括试验台驱动、加载装置的选型、液粘调速离合器结构设计及液压系统设计以及电控系统的软硬件设计。除此之外,对可开展的试验进行了详细的介绍,并对具体的试验方法进行了阐述。第六章,对全文的工作进行了总结,并对下一步的工作进行了展望。