盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種用于隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)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(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、地下工程建設(shè)項(xiàng)目的需求增大，我國(guó)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的需求數(shù)量在未來(lái)幾十年內(nèi)都很大，然而盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)被德、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，我國(guó)的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)同發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定的差距。考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的建造成本高、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有必要對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)分別研究來(lái)轉(zhuǎn)嫁風(fēng)險(xiǎn)．為了達(dá)到對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)量體裁衣式的設(shè)計(jì)，需要明

2、確盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)所承受土體負(fù)載的各種關(guān)系，由于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，土體負(fù)載具有隨機(jī)性和多變性，關(guān)于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(chǎng)操作風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)為了集中解決關(guān)鍵問(wèn)題，快速掌握核心技術(shù)，有必要采用盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的方法來(lái)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　 本文以盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)為研究背景，基于國(guó)家973項(xiàng)目所提出的研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單、集成度高等特點(diǎn)，主

3、要開(kāi)展關(guān)于變頻調(diào)速和變排量調(diào)速在盾構(gòu)掘進(jìn)不同工況下的能耗對(duì)比分析，總結(jié)盾構(gòu)土體負(fù)載模型，研究盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(jìn)裝備的力和能量傳遞規(guī)律。在此基礎(chǔ)上針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)負(fù)載的多變性和隨機(jī)性，研究了盾構(gòu)推進(jìn)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(jìn)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)之間參數(shù)匹配特性等相關(guān)問(wèn)題．本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 第一章講述了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的歷史及國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，對(duì)國(guó)內(nèi)外的盾構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)敘述，并

4、針對(duì)目前試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究中的不足提出了本課題的研究意義和主要研究?jī)?nèi)容．
　　 第二章設(shè)計(jì)了利用液壓負(fù)載、慣性負(fù)載和機(jī)械負(fù)載來(lái)模擬盾構(gòu)負(fù)載的盾構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行了選型。對(duì)關(guān)鍵的液壓支路進(jìn)行了三維集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的整體布局進(jìn)行了三維整體布置。對(duì)盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的電控部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)電控柜進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，并利用LabVIEW軟件對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
　　 第三章對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸的同步性進(jìn)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(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)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(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，第四章對(duì)刀盤控制系統(tǒng)中泵的變排量控制方式進(jìn)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(shí)的響應(yīng)性，并通過(guò)AMESim軟件對(duì)這兩種不同控制方

6、式的泵進(jìn)行了建模分析和對(duì)比，在最后利用Solidworks三維建模軟件對(duì)變量泵的恒功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維集成設(shè)計(jì)．
　　 第五章根據(jù)盾構(gòu)整體受力分析、土體力學(xué)等知識(shí)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了力學(xué)建模，并分析了推進(jìn)系統(tǒng)刀盤系統(tǒng)和螺旋輸送機(jī)之間參數(shù)耦合關(guān)系，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)密封艙土壓平衡控制進(jìn)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，