[发明专利]一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法

说明书

本发明公开了一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法，步骤S1：在主驱动的输出支撑盘上设置有中心刀盘和伸缩悬切臂，中心刀盘位于输出支撑盘的中心处且位于伸缩悬切臂的中部，伸缩悬切臂铰接在输出支撑盘的外圆周上；S2：根据目标开挖轮廓，确定伸缩悬切臂的悬切滚刀在目标开挖轮廓上的目标位置，设目标位置的坐标为(x_o,y_o,z_o)。本发明通过对悬臂掘进的伸缩悬切臂的伸缩量和摆角的计算，进而确定伸缩悬切臂的开挖路径，实现精确控制和实时调节，能实现对多种异形断面的精确开挖。

技术领域

本发明涉及隧道开挖技术领域，特别是指一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法。

背景技术

岩石隧道掘进机(TBM)是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机的开挖断面基本为圆形，虽然也有少部分可以完成矩形、马蹄形等异形断面的案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中还未见，并且该种掘进机开挖断面一旦确定，在应用过程中就无法再次改变，其开挖形状单一，应用范围受限，无法做到任意断面开挖。而现有的悬臂掘进机如申请号为201821324346.7的一种搭载悬切刀破岩的多臂式悬臂掘进机，及申请号为CN201911269643.5的一种带撑靴的悬臂掘进机及其施工方法的悬臂掘进机仅能通过悬切刀开挖，开挖阻力大，开挖断面受限，且掘进效率低，其对悬切刀不能进行实时精确控制，因此需要研制一种能变径开挖任意断面悬臂掘进机的控制方法，以适应多样断面隧道的精确开挖。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法，解决了现有技术中一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种悬臂掘进机掘进路径的控制方法，步骤如下：

S1：在主驱动的输出支撑盘上设置有中心刀盘和伸缩悬切臂，中心刀盘位于输出支撑盘的中心处且位于伸缩悬切臂的中部，伸缩悬切臂铰接在输出支撑盘的外圆周上；

S2：根据目标开挖轮廓，确定伸缩悬切臂的悬切滚刀在目标开挖轮廓上的目标位置，设目标位置的坐标为(x_o,y_o,z_o)；

S3：设伸缩悬切臂与输出支撑盘的铰接点O1的坐标为(x₁,y₁,z₁)；

S4：对伸缩悬切臂的伸缩量△L和摆角ψ进行反解：

则伸缩悬切臂的伸缩量

伸缩悬切臂的摆角

其中L为伸缩悬切臂的固定长度；

S5：控制器根据伸缩悬切臂的伸缩量△L和摆角ψ，控制伸缩悬切臂动作，对开挖面进行开挖，进而实现对掘进路径的实时控制和调节，完成不同断面隧洞的开挖。

当所述目标开挖轮廓为马蹄形开挖轮廓时，马蹄形开挖轮廓由A段大圆弧、B段小圆弧、C段直线和D段小圆弧组成的断面外轮廓，设A段大圆弧半径为R，B段小圆弧和D段小圆弧的半径为r，则目标开挖轮廓的方程为：

则对伸缩悬切臂的伸缩量△L和摆角ψ进行反解的具体步骤如下：

B1：建立空间坐标系；以输出支撑盘圆心为坐标原点O，以原点O与伸缩悬切臂铰接位置点O1连线为x轴，以垂直于输出支撑盘向下的方向为z轴，按照右手定则确定y轴方向建立空间坐标系；

B2：设输出支撑盘的半径为r₀、转速为ω，

则伸缩悬切臂转角为θ＝ω×t，

伸缩悬切臂铰接位置点方程为