一种新型开敞式盾构机挖掘装置主参数设计及运动学仿真

摘要

从世界各国城市发展的历史、现状以及未来趋势来看，向地下挖掘资源、扩大空间是现代化城市发展正在进行并将长期持续下去的大方向。开敞式盾构机挖掘装置作为机、电、液、光、水、气等一体的新型高科技机械产品，集成了当今隧道掘进技术的优点，摒弃了单一方法的弊端，突破了目前市场上盾构机对特殊地质适应能力的瓶颈，因此，研究其主结构参数及动态特性势在必行。
　　本文综合运用实验方法、理论分析及仿真分析等手段，围绕新型开敞式盾构机挖掘装置的地层适应性、主结构参数设计及动力学特性等多个方面展开研究，为后继的结构优化及自主研发提供一定的理论基础及方法支撑。具体研究工作如下:
　　(1)从地质学的角度，利用筛析等岩土力学和工程学的实验手段对自立性较好、地下水位相对较低的粘土和卵石地层等典型地质进行了深入的研究，明确了各种地层的级别，并在此基础上推导了挖掘阻力的计算方法。
　　(2)从结构形式和对特殊地质条件的适应性，将闭胸式盾构机和新型开敞式盾构机的挖掘装置进行对比分析，明确了新型开敞式挖掘装置对地层的适应性及稳定性较好，阐述了相关技术的可行性及解决方案，并对相关结构进行了选型设计。
　　(3)基于盾构机挖掘装置的主结构参数，通过UG软件建立并装配其三维模型，同时，对土体挖掘制定了详细的工序安排，并针对典型工序分解研究各个工位的运动特点，分析整个装置的运动周期;在简化力学模型的基础上，通过机构学方法，对挖掘装置进行运动学分析和动力学分析，理论推导相关的几何关系及目标函数，并通过经验公式计算得出铲斗的最大挖掘阻力，为动力学仿真分析提供载荷边界条件。
　　(4)基于UG软件的仿真模块，对盾构机挖掘装置进行逆向运动学仿真分析、正向运动学仿真分析以及动力学仿真分析，获得各连接铰点的位移、速度、加速度等参数的时变历程曲线以及关键铰点在仿真过程中的载荷随时间的变化曲线，明确结构的薄弱环节，为挖掘装置进一步的优化分析奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 开发地下空间是城市发展的必然趋势

1．2 盾构机施工技术的发展及开敞式盾构机的发展现状

1．3 本文选题的目的和意义

1．4 本文研究的内容及课题来源

1．5 本章小结

2 地质特性分析及典型工况确定

2．1 地质概述

2．2 粘土的特性分析

2．2．1 粘土的级配

2．2．2 粘土的强度

2．2．3 粘土的塑性指数

2．3 卵石的特性分析

2．3．1 卵石的尺寸

2．3．2 卵石的强度

2．3．3 石英的含量

2．4 挖掘装置工况的计算方法

2．5 本章小结

3 新型开敞式盾构机挖掘装置设计

3．1 闭胸式盾构机和新型开敞式盾构机挖掘装置的对比

3．1．1 结构型式对比

3．1．2 对粘土地层适应能力的对比

3．1．3 对卵石地层适应能力的对比

3．2 新型开敞式盾构机适应性分析

3．2．1 新型开敞式盾构机对环境的适应性

3．2．2 新型开敞式盾构机对地层稳定性的控制

3．3 本章小结

4 盾构机挖掘装置主结构参数设计

4．1 设计输入

4．2 挖掘装置三维建模

4．2．1 建立零部件模型

4．2．2 建立装配体模型

4．3 挖掘装置工序设计

4．4 挖掘装置工位设计

4．4．1 初始工位

4．4．2 工位一

4．4．3 工位二

4．4．4 工位三

4．4．5 工位四

4．4．6 工位五

4．5 挖掘装置的正向运动学分析

4．6 挖掘装置的动力学分析

4．7 挖掘装置的逆向运动学分析

4．8 挖掘装置主结构参数设计

4．9 铲斗的挖掘阻力

4．10 本章小结

5 盾构机挖掘装置运动学和动力学分析

5．1 运动仿真的前处理

5．1．1 连杆的定义

5．1．2 运动副的定义

5．1．3 运动副驱动的定义

5．1．4 确定计算方案

5．2 挖掘装置的运动学仿真

5．2．1 逆向运动学仿真

5．2．2 正向运动学仿真

5．3 挖掘装置的动力学仿真

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢