基于粘性耦合的TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)脫困技術(shù)研究.pdf

1、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine)簡稱TBM，是集巖石力學(xué)、機(jī)電液一體化控制、光學(xué)測量、隧道工程等多學(xué)科技術(shù)于一體的大型工廠化隧道施工成套裝備。TBM主要由刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、支撐換步系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)等組成。由于圍巖條件惡劣，巖體收縮變形等原因，TBM在硬巖掘進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生刀盤被困事故。刀盤被困后，往往由于驅(qū)動系統(tǒng)的脫困扭矩不足而不得已采用人工方式脫困，由此帶來耗時(shí)費(fèi)力、增加成本、安全隱患等一

2、系列問題。因此，改善TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的整體驅(qū)動性能、提高刀盤的脫困扭矩、建立TBM脫困控制方法，對于保障TBM高效掘進(jìn)有著重要意義。
　　本課題設(shè)計(jì)了“變頻電機(jī)+慣性飛輪+液粘調(diào)速離合器”協(xié)同控制的新型驅(qū)動方案，旨在不增加驅(qū)動系統(tǒng)裝機(jī)功率的前提下提高脫困扭矩，改善驅(qū)動性能。方案的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)在于對液粘調(diào)速離合器的有效使用及合理控制來實(shí)現(xiàn)脫困。由于TBM脫困的動態(tài)過程對液體粘性離合器的控制精度、滑差損失及響應(yīng)速度等動態(tài)性能提出了新

3、的挑戰(zhàn)。因此，研究新型結(jié)構(gòu)的液粘調(diào)速離合器，揭示粘性傳動機(jī)理，提高其控制精度及響應(yīng)速度，進(jìn)而建立TBM刀盤脫困的協(xié)同控制方法，是TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須突破的關(guān)鍵問題。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一章，闡述了課題背景和研究意義，在分析對比現(xiàn)有的TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了新型的刀盤驅(qū)動方案。由于該方案中引入了液粘調(diào)速離合器這一關(guān)鍵元件，故對液粘傳動技術(shù)、液粘調(diào)速離合器的發(fā)展進(jìn)行了綜述，并且總結(jié)了液粘

4、調(diào)速離合器內(nèi)部流場、控制特性、扭矩特性、起動接合控制方面的研究現(xiàn)狀及存在的不足，進(jìn)而指出了本課題所要開展的研究內(nèi)容。
　　第二章，分析了基于粘性耦合的新型TBM刀盤驅(qū)動方案的優(yōu)點(diǎn)，提出了TBM脫困模擬試驗(yàn)臺的功能、任務(wù)、指標(biāo)以及驅(qū)動加載方案。針對TBM脫困模擬試驗(yàn)臺的需求，提出了一種“離心式油腔+雙活塞壓緊結(jié)構(gòu)”的新型液粘調(diào)速離合器，并且對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步開展TBM脫困技術(shù)研究提供了實(shí)驗(yàn)條件。
　　第三章，通

5、過求解簡化后的Navier-Stokes方程，詳細(xì)推導(dǎo)了各油膜承載力的計(jì)算公式，為后續(xù)的理論研究工作打下基礎(chǔ)。通過摩擦片力學(xué)模型分析，得出了液粘調(diào)速離合器摩擦副間油膜厚度的分布規(guī)律?；贔LUENT仿真，研究了離心式油腔結(jié)構(gòu)及雙活塞結(jié)構(gòu)對于液粘調(diào)速離合器的油膜均勻性的影響規(guī)律，基于雙摩擦片摩擦片受力及運(yùn)動模型，推導(dǎo)出了雙活塞液粘調(diào)速離合器摩擦片間油膜的動態(tài)平衡方程及傳遞函數(shù)，并對其動態(tài)特性進(jìn)行了理論分析及ADAMS仿真研究。
　　

6、第四章，分析了變頻電機(jī)、液粘調(diào)速離合器、負(fù)載模型等能量傳遞環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，搭建了TBM脫困模擬試驗(yàn)臺的AMESim仿真模型，研究了飛輪初速度、飛輪轉(zhuǎn)動慣量、冷卻系統(tǒng)、油膜厚度控制曲線、液粘調(diào)速離合器結(jié)構(gòu)等因素對TBM脫困性能的影響規(guī)律，得到了各因素下刀盤脫困扭矩、轉(zhuǎn)速變化及沖擊度變化曲線，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間長達(dá)70s的2倍于負(fù)載扭矩的脫困扭矩，驗(yàn)證了新型TBM驅(qū)動方案脫困能力強(qiáng)、沖擊度小的特點(diǎn)。
　　第五章，搭建了TBM刀盤脫困模擬試