硬岩掘进机(TBM)是通过岩石破碎、渣土运输、支撑衬砌和换步推进等完成隧道断面一次性成形的大型隧道开挖装备,主要应用于水利、市政、公路和铁路等隧道建设。TBM在围岩软硬不均、断层破碎带和底层易扰动等恶劣地质环境下掘进时,极易发生因围岩收缩变形甚至坍塌而导致的TBM刀盘被困事故。采用人工脱困的方法耗时费力、增加成本、严重耽误工期并具有很大的安全隐患,如果TBM刀盘驱动系统能够提供足够大的脱困扭矩,实现TBM的快速脱困,对于保障TBM的高效掘进具有重要意义。为了提高TBM刀盘驱动系统的输出扭矩,本文在不增加装机功率的前提下设计了基于变频电机、惯性飞轮和液粘调速离合器的TBM刀盘脱困技术方案,通过飞轮的储放能作用来提高驱动系统的输出扭矩,以实现TBM刀盘脱困。液粘调速离合器作为一种柔性传动环节可减少惯性飞轮所带来的冲击,由于接合过程可控,可通过对液粘调速离合器控制油腔压力和活塞位移的控制实时动态调节扭矩输出,使得飞轮所产生的扭矩稳定可控。但液粘调速离合器系统存在较大的非线性、参数不确定性和时变性,其控制问题是难点和关键。因此,研究液粘调速离合器控制技术,提高控制精度和稳定性,并在此基础上将液粘调速离合器视为一个控制性能良好的元件,研究本方案中飞轮和液粘调速离合器的活塞位移轨迹对TBM刀盘脱困性能的影响是实现TBM刀盘脱困的两个重要问题。本文主要研究工作如下:第一章介绍了TBM技术在国内外研究现状和发展历史及其目前存在的不足之处。接着讨论了TBM脱困技术以及TBM刀盘驱动系统的研究现状,介绍了实际工程中处理TBM被困的常规方法,分析了已有刀盘驱动系统的不足之处,引出了本课题针对TBM被困问题所提出的基于变频电机、惯性飞轮和液粘调速离合器的脱困方案,并对本方案中的核心部件液粘调速离合器的相关技术进行调研。最后分析了现有研究所存在的不足之处,并阐述了本文的主要研究内容和研究意义。第二章主要对液粘调速离合器进行系统建模,对液粘调速离合器活塞进行受力分析,建立其动力学方程,并重点对油膜承载力进行详细推导;设计了液粘调速离合器高低压工况下独立控制的泵阀联合控制液压控制系统,高压时液压泵转速恒定,采用电液比例溢流阀控,低压时采用液压泵控。建立了液压控制系统中的关键液压元件电液比例溢流阀和液压泵的数学模型,列写液粘调速离合器控制油腔流量的连续性方程,为后续的液粘调速离合器控制技术的研究及TBM刀盘脱困模拟系统仿真提供了理论基础。第三章针对液粘调速离合器液压系统以及液粘调速离合器主机存在较强的非线性、参数不确定性等问题,从液粘调速离合器控制油腔压力和活塞位移两个角度分别提出了液粘调速离合器液压系统低压工况的液压泵滑模控制和高压工况的电液比例溢流阀的PID控制的压力控制策略以及基于RBF神经网络的液粘调速离合器活塞位移滑模控制策略;在AMESim-MATLAB联合仿真模型中,通过与常规PID控制进行对比,验证了所提控制策略的有效性,所提控制策略可以提高液粘调速离合器的控制性能,并能够满足将液粘调速离合器作为一个高可靠性、高精度的元部件来控制TBM刀盘脱困的需求。第四章对TBM刀盘脱困模拟试验台进行了分析概述,然后从机械结构、液压系统和电控系统三个角度对试验台进行设计描述,并对各部件进行选型,最后对第三章提出的液粘调速离合器液压系统压力滑模控制策略进行实验验证并与常规PID控制作比较,实验结果表明相对于常规PID控制算法,经过平滑处理的滑模控制算法具有很好的压力跟踪效果,可有效的抑制常规滑模控制输入信号的抖振,并且提高液压泵的压力控制精度。第五章搭建了TBM刀盘脱困模拟仿真模型,建立了矢量控制式变频电机和负载模拟等的动力学模型,通过在AMESim中搭建液粘调速离合器及其液压系统物理模型,在MATLAB中建立变频电机、负载模拟及位移控制等模块,搭建了AMESim与MATLAB的联合仿真模型。最后基于第三章所提出的液粘调速离合器控制策略研究了直线、凹向抛物线、凸向抛物线和正弦曲线型活塞位移轨迹对TBM脱困性能的影响,讨论了不同飞轮转动惯量和不同飞轮初始转速对液粘调速离合器所传递的扭矩及冲击度影响,为了减少冲击度,应在满足TBM脱困性能的前提下,尽量选择小的飞轮转动惯量和初始转速。本章通过仿真分析验证了本课题组所提出的方案的正确性和有效性,对TBM的刀盘脱困问题具有一定的参考价值。第六章,总结了本论文所进行的工作,并指出下一步的工作展望。