隧道掘进机(Tunnel Boring Machine),简称TBM,是一种用于隧道建设的工程设备,涉及机械、液压、控制和测量等多学科。随着社会的发展,交通网络日益发达,地球表面四通八达的交通网络难以解决出行拥堵的现状。除了地球表面的交通网络改进工作,各国也相当重视地下交通网络的建设。除此之外,国防建设、大型输水工程以及城市排水系统都离不开隧道的建设。TBM具有经济环保、效率高、安全等优势,因此采用TBM技术进行隧道建设也是社会发展的需要。本论文主要研究内容如下:(1)介绍了TBM工作原理、发展现状及其相关研究的技术理论,分别描述了针对硬岩地质的敞开式TBM动力系统的当前研究进展和存在的不足,从而引出本文的研究内容。(2)综合考虑TBM实际施工中的载荷特性,解决围岩类别和掘进参数不匹配的问题,建立了基于CSM模型的TBM推进力和刀盘扭矩的计算模型,与传统的经验公式相比,该模型综合了硬岩环境下的各种因素,结合岩石类别、贯入度等TBM硬岩掘进参数,描述了推进系统和刀盘驱动系统的载荷特性,揭示了围岩特性对推进力、刀盘扭矩的影响规律。根据吉林某供水工程、ABH调水工程和宝林隧道工程施工现场数据验证结果表明,均匀地质中模型计算值和实测值吻合较好,为TBM的动力系统设计提供了理论依据。(3)针对刀盘多电机驱动不均载的问题,提出了多电机转速-转矩同步控制方法,基于矢量控制坐标变换,首先在Matlab/Simulink软件下搭建了单个电机的矢量控制模型并开展了仿真分析,对比研究了转速并联和转矩主从控制下多个电机的转矩和转速同步性,其中转矩主从模式能够在偏载和突变载荷环境下实现多个电机的均载。(4)针对传统液压系统效率低、精度低的问题,改进了现有的支撑推进和姿态调整液压驱动系统,基于液压仿真软件AMEsim,针对改进后的推进液压系统,对负载敏感控制和压力-流量分别控制下的油缸同步控制进行了仿真分析,针对撑靴液压系统开展了基于泵压力切断的接地比压控制,针对竖向调向扭矩缸液压系统开展了基于平衡阀的反向负载下的多缸同步控制,其中竖向调向误差可控制在目标位移的1%以下。通过实际施工应用可知,本文提出的控制策略明显提高了系统效率和控制精度,并实现了推进速度、压力和姿态的精确控制,为动力系统液压系统的设计提供了技术支持。(5)总结了本文的研究内容,并对研究内容的不足之处和接下来的工作进行了展望。