盾構(gòu)掘進機異形斷面隧道切削機構(gòu)的理論研究.pdf

1、盾構(gòu)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(gòu)掘進機技術(shù)體現(xiàn)了設(shè)計制造技術(shù)、計算機、新材料、自動化、信息化和管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合與集成，也反映了一個國家的綜合國力和科技水平。 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，這是因為由于圓形隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有

2、受力均勻，內(nèi)力較小，設(shè)備制造簡單，推進軸線容易控制，施工方便等優(yōu)點，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(shù)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(gòu)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(gòu)，首先要解決盾構(gòu)掘進機的核心理論與技術(shù)一切削機構(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(yīng)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(yīng)力的關(guān)系以及簡單介紹了擋土墻理論。同時介紹了盾構(gòu)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(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構(gòu)作為新穎盾構(gòu)掘進機異形斷面隧道的切削機構(gòu)模型，並利用混合驅(qū)動機械系統(tǒng)實現(xiàn)兩自由度的閉環(huán)五桿機構(gòu)的可控機構(gòu)。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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)的可動性條件進行了分析，在五桿機構(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構(gòu)有曲柄存在的條件，並對其二種變異切

6、削機構(gòu)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(gòu)的奇異性條件分析，通過對二種模型分析得到了切削機構(gòu)的兩種奇異位置的條件，此時切削機構(gòu)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(gòu)避免奇異位置的條件。 5．切削機構(gòu)的運動學(xué)分析，本文主要針對作為異形斷面隧道切削機構(gòu)的二種變異五桿機構(gòu)的運動學(xué)進行了較全面的分析，并推導(dǎo)出相應(yīng)的工作位置方程、速度方程、加速度方程。得到了二種切削機構(gòu)的運動學(xué)數(shù)學(xué)模

7、型，為后面逆向運動學(xué)、動力學(xué)等方面分析提供了理論基礎(chǔ)。 6．切削機構(gòu)的逆向運動學(xué)分析，本文主要針對作為異形斷面隧道切削機構(gòu)的二種變異五桿機構(gòu)的逆向運動學(xué)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(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)，為可控電機的調(diào)節(jié)控制提供了特征關(guān)系。 7．切削機構(gòu)的動力學(xué)分析，在運動學(xué)和逆向運動學(xué)的理論分析基礎(chǔ)上，得到了二種切削機構(gòu)的運動學(xué)數(shù)學(xué)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(gòu)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。為混合驅(qū)動機械系統(tǒng)控制方式提供了必要的數(shù)學(xué)模型。 8．本文對異形盾構(gòu)切削機構(gòu)提出了刀盤工作點及驅(qū)動裝置與五桿機構(gòu)的幾種不同布置形式，以供在實際的機構(gòu)設(shè)計中選擇最佳結(jié)構(gòu)

9、布置方案。然后按混合驅(qū)動的不同方式，對切削機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進行了四種探索性初步方案設(shè)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(gòu)和一種變異五桿切削機構(gòu)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(gòu)桿長之間的關(guān)系。并通過實例說明普通的五桿機構(gòu)作為盾構(gòu)掘進機異形斷面隧道切削機構(gòu)是可行的，但有它的工作空間的局限性。普通五桿機構(gòu)的二種變異機構(gòu)作為盾構(gòu)掘進