盾構掘進機異形斷面隧道切削機構的理論研究.pdf

1、盾構掘進機是一種專門用于地下隧道工程開挖的大型高科技施工裝備。它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟并有利于環(huán)境保護和降低勞動強度的優(yōu)點。目前正朝著機械、電子、液壓和自動控制一體化，智能化的方向發(fā)展。盾構掘進機技術體現(xiàn)了設計制造技術、計算機、新材料、自動化、信息化和管理科學等高新技術的綜合與集成，也反映了一個國家的綜合國力和科技水平。 1865年首次采用圓形建盾構建造隧道以來，傳統(tǒng)的盾構多以圓形斷面為主，這是因為由于圓形隧道襯砌結構具有

2、受力均勻，內(nèi)力較小，設備制造簡單，推進軸線容易控制，施工方便等優(yōu)點，在地下隧道技術領域占有主導地位。圓形隧道的施工性能較好，故在此后的100多年內(nèi)幾乎所有的盾構隧道斷面全部采用圓形。 隨著地下空間的不斷深入開發(fā)和利用，人們對隧道功能提出了新的要求和隧道斷面的多樣化需求。但是，人們發(fā)現(xiàn)利用圓形盾構掘進機加工異形斷面隧道如矩形、橢圓形、馬蹄形、雙圓形和多圓形等時，往往會造成斷面利用率低、浪費空間等弊端。而采用異形斷面更為合理，可減少

3、開挖面積、減少切削土量、渣土處理量和回填土量，從而提高效率和空間利用率，降低造價，使隧道施工技術更趨先進。為了實現(xiàn)這一目標，研究與開發(fā)新穎異斷面隧道盾構掘進機，是當前各國迫切需要研究解決的重大問題。但是要研究新穎異形盾構，首先要解決盾構掘進機的核心理論與技術一切削機構。本論文在這方面作了比較系統(tǒng)的理論研究與探索。 1．盾構掘進機在土壤中推進時，分析了其刀盤前部的土壤中某一點的應力狀態(tài)，根據(jù)庫侖公式，分析了土體極限平衡狀態(tài)時，大小

4、應力的關系以及簡單介紹了擋土墻理論。同時介紹了盾構切削刀盤的裝備扭矩的兩種計算方法：阻力扭矩計算法和慣用計算法，由兩者綜合考慮決定盾構的切削刀盤裝備扭矩。 2.本文首次提出了選擇二種變異五桿機構作為新穎盾構掘進機異形斷面隧道的切削機構模型，並利用混合驅動機械系統(tǒng)實現(xiàn)兩自由度的閉環(huán)五桿機構的可控機構。同時采用實時不可控電機RTNA(Real Time Non-Adjustable)和實時可控電機RTA(Real Time Adju

5、stable)作為其動力源，不可控電機為切削機構提供主要的動力，可控電機起運動調(diào)節(jié)作用，兩種類型的輸入運動，通過一個二自由度閉環(huán)機構合成后產(chǎn)生所需要的非常豐富的任意軌跡輸出運動。例如橢圓、矩形、拱形等軌跡，達到切削異形斷面隧道的目的。它結構簡單、切削斷面軌跡豐富、控制容易實現(xiàn)、受力好的特點。 3．對切削機構的可動性條件進行了分析，在五桿機構的各種極限位置分析基礎上，得到了平面兩自由度鉸連五桿機構有曲柄存在的條件，並對其二種變異切

6、削機構模型的工作空間進行了分析，得到了它的工作范圍。 4．切削機構的奇異性條件分析，通過對二種模型分析得到了切削機構的兩種奇異位置的條件，此時切削機構不可避免地會出現(xiàn)死點和瞬時運動不確定狀態(tài)。本文並提出了切削機構避免奇異位置的條件。 5．切削機構的運動學分析，本文主要針對作為異形斷面隧道切削機構的二種變異五桿機構的運動學進行了較全面的分析，并推導出相應的工作位置方程、速度方程、加速度方程。得到了二種切削機構的運動學數(shù)學模

7、型，為后面逆向運動學、動力學等方面分析提供了理論基礎。 6．切削機構的逆向運動學分析，本文主要針對作為異形斷面隧道切削機構的二種變異五桿機構的逆向運動學進行了較全面的分析，即已知輸出點P的運動規(guī)律(P<,x>，P<,x>，P<,x>，P<,y>，P<,y>，P<,y>)和主電機運動規(guī)律(θ<,1>,θ<,1>,θ<,1>)，求伺服電機輸入?yún)?shù)(θ<,4>,θ<,4>.θ<,4>)。并推導出相應的工作位置方程、速度方程、加速度方程

8、。得到了混合輸入控制參數(shù)等方面分析提供了理論基礎，為可控電機的調(diào)節(jié)控制提供了特征關系。 7．切削機構的動力學分析，在運動學和逆向運動學的理論分析基礎上，得到了二種切削機構的運動學數(shù)學模型。本文利用達朗伯原理，分析二級桿組，得到了二種切削機構的動力學數(shù)學模型。為混合驅動機械系統(tǒng)控制方式提供了必要的數(shù)學模型。 8．本文對異形盾構切削機構提出了刀盤工作點及驅動裝置與五桿機構的幾種不同布置形式，以供在實際的機構設計中選擇最佳結構

9、布置方案。然后按混合驅動的不同方式，對切削機構的整體結構進行了四種探索性初步方案設計，并對切削刀盤進行了改進和創(chuàng)新，以滿足五桿軸向和徑向同時切削的要求。 利用普通五桿切削機構和一種變異五桿切削機構對矩形、上弓形+下矩形、橢圓等不同隧道斷面軌跡形狀切削時，通過4個實例來具體分析機構桿長之間的關系。并通過實例說明普通的五桿機構作為盾構掘進機異形斷面隧道切削機構是可行的，但有它的工作空間的局限性。普通五桿機構的二種變異機構作為盾構掘進