盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)異形斷面隧道切削機(jī)構(gòu)的理論研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(jì)并有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。目前正朝著機(jī)械、電子、液壓和自動(dòng)控制一體化，智能化的方向發(fā)展。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息化和管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合與集成，也反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和科技水平。 1865年首次采用圓形建盾構(gòu)建造隧道以來，傳統(tǒng)的盾構(gòu)多以圓形斷面為主，這是因?yàn)橛捎趫A形隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有

2、受力均勻，內(nèi)力較小，設(shè)備制造簡(jiǎn)單，推進(jìn)軸線容易控制，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在地下隧道技術(shù)領(lǐng)域占有主導(dǎo)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(gòu)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(duì)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(shí)，往往會(huì)造成斷面利用率低、浪費(fèi)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(jià)，使隧道施工技術(shù)更趨先進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究與開發(fā)新穎異斷面隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，是當(dāng)前各國(guó)迫切需要研究解決的重大問題。但是要研究新穎異形盾構(gòu)，首先要解決盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的核心理論與技術(shù)一切削機(jī)構(gòu)。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(gòu)掘進(jìn)機(jī)在土壤中推進(jìn)時(shí)，分析了其刀盤前部的土壤中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)庫(kù)侖公式，分析了土體極限平衡狀態(tài)時(shí)，大小

4、應(yīng)力的關(guān)系以及簡(jiǎn)單介紹了擋土墻理論。同時(shí)介紹了盾構(gòu)切削刀盤的裝備扭矩的兩種計(jì)算方法：阻力扭矩計(jì)算法和慣用計(jì)算法，由兩者綜合考慮決定盾構(gòu)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(jī)構(gòu)作為新穎盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)異形斷面隧道的切削機(jī)構(gòu)模型，並利用混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩自由度的閉環(huán)五桿機(jī)構(gòu)的可控機(jī)構(gòu)。同時(shí)采用實(shí)時(shí)不可控電機(jī)RTNA(Real Time Non-Adjustable)和實(shí)時(shí)可控電機(jī)RTA(Real Time Adju

5、stable)作為其動(dòng)力源，不可控電機(jī)為切削機(jī)構(gòu)提供主要的動(dòng)力，可控電機(jī)起運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)作用，兩種類型的輸入運(yùn)動(dòng)，通過一個(gè)二自由度閉環(huán)機(jī)構(gòu)合成后產(chǎn)生所需要的非常豐富的任意軌跡輸出運(yùn)動(dòng)。例如橢圓、矩形、拱形等軌跡，達(dá)到切削異形斷面隧道的目的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切削斷面軌跡豐富、控制容易實(shí)現(xiàn)、受力好的特點(diǎn)。 3．對(duì)切削機(jī)構(gòu)的可動(dòng)性條件進(jìn)行了分析，在五桿機(jī)構(gòu)的各種極限位置分析基礎(chǔ)上，得到了平面兩自由度鉸連五桿機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件，並對(duì)其二種變異切

6、削機(jī)構(gòu)模型的工作空間進(jìn)行了分析，得到了它的工作范圍。 4．切削機(jī)構(gòu)的奇異性條件分析，通過對(duì)二種模型分析得到了切削機(jī)構(gòu)的兩種奇異位置的條件，此時(shí)切削機(jī)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)和瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)不確定狀態(tài)。本文並提出了切削機(jī)構(gòu)避免奇異位置的條件。 5．切削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，本文主要針對(duì)作為異形斷面隧道切削機(jī)構(gòu)的二種變異五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了較全面的分析，并推導(dǎo)出相應(yīng)的工作位置方程、速度方程、加速度方程。得到了二種切削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模

7、型，為后面逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面分析提供了理論基礎(chǔ)。 6．切削機(jī)構(gòu)的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，本文主要針對(duì)作為異形斷面隧道切削機(jī)構(gòu)的二種變異五桿機(jī)構(gòu)的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了較全面的分析，即已知輸出點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(P<,x>，P<,x>，P<,x>，P<,y>，P<,y>，P<,y>)和主電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律(θ<,1>,θ<,1>,θ<,1>)，求伺服電機(jī)輸入?yún)?shù)(θ<,4>,θ<,4>.θ<,4>)。并推導(dǎo)出相應(yīng)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(chǔ)，為可控電機(jī)的調(diào)節(jié)控制提供了特征關(guān)系。 7．切削機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，在運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論分析基礎(chǔ)上，得到了二種切削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型。本文利用達(dá)朗伯原理，分析二級(jí)桿組，得到了二種切削機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。為混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)控制方式提供了必要的數(shù)學(xué)模型。 8．本文對(duì)異形盾構(gòu)切削機(jī)構(gòu)提出了刀盤工作點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)裝置與五桿機(jī)構(gòu)的幾種不同布置形式，以供在實(shí)際的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇最佳結(jié)構(gòu)

9、布置方案。然后按混合驅(qū)動(dòng)的不同方式，對(duì)切削機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四種探索性初步方案設(shè)計(jì)，并對(duì)切削刀盤進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足五桿軸向和徑向同時(shí)切削的要求。 利用普通五桿切削機(jī)構(gòu)和一種變異五桿切削機(jī)構(gòu)對(duì)矩形、上弓形+下矩形、橢圓等不同隧道斷面軌跡形狀切削時(shí)，通過4個(gè)實(shí)例來具體分析機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)之間的關(guān)系。并通過實(shí)例說明普通的五桿機(jī)構(gòu)作為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)異形斷面隧道切削機(jī)構(gòu)是可行的，但有它的工作空間的局限性。普通五桿機(jī)構(gòu)的二種變異機(jī)構(gòu)作為盾構(gòu)掘進(jìn)