盾構(gòu)掘進模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計及研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進機是一種用于隧道掘進的專用工程機械，在地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道等工程上應(yīng)用廣泛，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展、地下工程建設(shè)項目的需求增大，我國對盾構(gòu)掘進機的需求數(shù)量在未來幾十年內(nèi)都很大，然而盾構(gòu)掘進機的設(shè)計及相關(guān)技術(shù)被德、日、歐等發(fā)達(dá)國家所壟斷，我國的盾構(gòu)掘進機技術(shù)同發(fā)達(dá)國家相比仍有一定的差距?？紤]到盾構(gòu)掘進機的建造成本高、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有必要對盾構(gòu)掘進機的關(guān)鍵技術(shù)分別研究來轉(zhuǎn)嫁風(fēng)險．為了達(dá)到對盾構(gòu)掘進機量體裁衣式的設(shè)計，需要明

2、確盾構(gòu)掘進機所承受土體負(fù)載的各種關(guān)系，由于盾構(gòu)掘進機的工作環(huán)境復(fù)雜，土體負(fù)載具有隨機性和多變性，關(guān)于盾構(gòu)掘進機土體負(fù)載方面的數(shù)學(xué)模型仍然不成熟．為了減少研究成本、降低現(xiàn)場操作風(fēng)險同時為了集中解決關(guān)鍵問題，快速掌握核心技術(shù)，有必要采用盾構(gòu)模擬試驗平臺的方法來對盾構(gòu)掘進機的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。
　　 本文以盾構(gòu)模擬試驗系統(tǒng)為研究背景，基于國家973項目所提出的研究目標(biāo)，設(shè)計了盾構(gòu)模擬試驗平臺，該實驗平臺具有操作簡單、集成度高等特點，主

3、要開展關(guān)于變頻調(diào)速和變排量調(diào)速在盾構(gòu)掘進不同工況下的能耗對比分析，總結(jié)盾構(gòu)土體負(fù)載模型，研究盾構(gòu)掘進機在不同的模式切換狀態(tài)下的響應(yīng)性，揭示盾構(gòu)據(jù)進裝備的力和能量傳遞規(guī)律。在此基礎(chǔ)上針對盾構(gòu)掘進機負(fù)載的多變性和隨機性，研究了盾構(gòu)推進系統(tǒng)的同步性控制，刀盤系統(tǒng)調(diào)速的響應(yīng)性，盾構(gòu)掘進機各個系統(tǒng)之間參數(shù)匹配特性等相關(guān)問題．本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 第一章講述了盾構(gòu)掘進機的歷史及國內(nèi)外發(fā)展歷程，對國內(nèi)外的盾構(gòu)試驗系統(tǒng)進行詳細(xì)敘述，并

4、針對目前試驗系統(tǒng)設(shè)計及研究中的不足提出了本課題的研究意義和主要研究內(nèi)容．
　　 第二章設(shè)計了利用液壓負(fù)載、慣性負(fù)載和機械負(fù)載來模擬盾構(gòu)負(fù)載的盾構(gòu)模擬實驗平臺，并對關(guān)鍵液壓元件進行了選型。對關(guān)鍵的液壓支路進行了三維集成優(yōu)化設(shè)計，對試驗平臺的整體布局進行了三維整體布置。對盾構(gòu)模擬試驗平臺的電控部分進行了設(shè)計，對電控柜進行了三維設(shè)計，并利用LabVIEW軟件對系統(tǒng)的監(jiān)控界面進行了設(shè)計。
　　 第三章對推進系統(tǒng)液壓缸的同步性進行

5、了研究，提出了區(qū)內(nèi)液壓缸基于流量控制的同步控制方法，并同傳統(tǒng)的基于壓力控制的同步控制方法進行對比研究，對盾構(gòu)掘進機推進系統(tǒng)區(qū)間液壓缸之間的同步控制提出了專家PID控制方法，并利用Matlab和AMESim兩種軟件各自的特點對整個系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真，第四章對刀盤控制系統(tǒng)中泵的變排量控制方式進行了研究，比較了變量泵傳統(tǒng)的電控變排量控制方式和外控液壓控制的變排量控制方式在刀盤系統(tǒng)遇到?jīng)_擊負(fù)載時的響應(yīng)性，并通過AMESim軟件對這兩種不同控制方

6、式的泵進行了建模分析和對比，在最后利用Solidworks三維建模軟件對變量泵的恒功率調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了三維集成設(shè)計．
　　 第五章根據(jù)盾構(gòu)整體受力分析、土體力學(xué)等知識對盾構(gòu)掘進機推進系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機系統(tǒng)進行了力學(xué)建模，并分析了推進系統(tǒng)刀盤系統(tǒng)和螺旋輸送機之間參數(shù)耦合關(guān)系，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實驗數(shù)據(jù)對比證明了推導(dǎo)模型的正確性．并根據(jù)密封艙土體連續(xù)性方程對密封艙土壓平衡控制進行了建模，提出了基于前饋一反饋控制的土壓平衡控制模型，