基于虚拟样机技术的泥水平衡式全断面掘进机仿真研究

摘要

全断面掘进机也叫隧道掘进机，是一种非常先进的地下隧道施工设备，它一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道。全断面掘进机是集机械、电子、液压、激光、控制等技术为一体的高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖衬砌成套设备，主要由主机和后配套设备、超前地质探测系统等构成。
　　数字化样机技术是一项新兴的工程技术，借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的实体虚拟模型，模拟在现实环境下系统的运动学和动力学相关的特性。还可以根据仿真结果，对机械系统进行优化设计，在产品设计阶段发现机械系统潜在的问题和不足之处，消除了传统设计中对物理样机的依赖性，缩短了产品的研发周期，降低了研发成本，使企业更具有市场竞争性。
　　虽然目前有许多功能强大的建模或分析软件，但是很难用其中的某一种单一软件独立完成整个机械系统的工作过程的仿真分析。基于这种情况，联合仿真应运而生，各大软件公司联手，在不同领域之间的软件间提供接口，可以使不同软件实现连接，以共同完成整个机械系统的仿真过程。
　　本文的研究对象是Φ11.182m泥水平衡式全断面掘进机的数字化样机。本文的主要内容主要分为以下的四大部分:
　　第一部分是数字化样机开发，利用三维建模软件Pro/Engineer以及现有的泥水平衡式全断面掘进机部分零部件装配与说明图纸开发出能应用的一套虚拟样机，为以下的工作做好准备。
　　第二部分是基于虚拟样机技术，利用动力学分析软件ADAMS，在工作情况下，研究掘进机的掘进速度与驱动力、刀盘转速与转动驱动力矩之间的关系。
　　第三部分为基于数字化样机技术，利用ADAMS和MATLAB/Simulink对数字样机进行动力学和控制的联合仿真，分别采用传统PID控制和模糊自适应PID控制的方法，对比两种控制方法的优点，并探讨推力-掘进速度控制系统的控制性能，以及工程施工中由于地质条件改变后，速度响应曲线的变化规律，以给施工过程一定的指导。
　　第四部分为是基于数字化样机，利用联合仿真的方法，实现掘进机的姿态控制，主要是研究掘进机在水平面上偏离预定轴线后的纠偏方法，以及该纠偏方法在小半径曲线掘进作业中的应用，并在数字化样机上验证了该纠偏方法的可行性。
　　本文采用数字样机技术有效地实现了掘进机的动力学相关联合仿真，这种方法不只是适用于掘进机的设计开发，并且还可以推广到其它一些复杂机械系统的研究、设计和开发中去，因此本文的研究方法具有重要的实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 课题研究的意义

1．2 数字化样机技术概述

1．2．1 数字化样机技术简介

1．2．2 虚拟样机技术

1．3 全断面掘进机概述

1．3．1 全断面掘进机简介

1．3．2 国内外研究现状、发展动态

1．4 课题的研究方法和主要研究内容

第2章 虚拟样机的建立和联合仿真基础

2．1 基于Pro／E的泥水平衡式全断面掘进机虚拟样机的建立

2．1．1 Pro／Engineer简介

2．1．2 三维数字模型的建立方法

2．1．3 泥水平衡式全断面掘进机关键零部件的三维数字化建模

2．2 动力学联合仿真理论及方法

2．2．1 数字化样机技术联合仿真

2．2．2 多体系统动力学基础

2．2．3 数字化样机动力学联合仿真平台的搭建

2．3 本章小结

第3章 基于ADAMS的泥水平衡全断面掘进机的动力学仿真

3．1 泥水平衡式全断面掘进机工作条件下的受力分析

3．1．1 工作参数

3．1．2 掘进机受力计算

3．2 开挖面稳定与施工参数控制分析

3．3 泥水平衡式全断面掘进机的动力学仿真

3．3．1 数字模型的建立

3．3．2 仿真过程分析

3．4 仿真结果分析

3．4．1 驱动扭矩与刀盘角速度之间的关系

3．4．2 推力与掘进速度之间的关系

3．5 本章小结

第4章 掘进机整机推力与速度的动力学与控制的联合仿真

4．1 联合仿真基础构建

4．2 PID控制与模糊控制

4．2．1 PID控制方法简介

4．2．2 模糊控制理论基础

4．3 传统PID速度控制系统

4．3．1 传统PID速度控制系统的建立

4．3．2 仿真过程及结果分析

4．3．3 传统PID控制分类对比分析

4．3．4 工作情况突变分析

4．4 模糊自适应PID控制

4．4．1 模糊控制器的设计

4．4．2 模糊PID控制结果分析

4．4．3 模糊控制工作情况突变分析

4．5 本章小结

第5章 掘进机长距离掘进过程中的姿态控制

5．1 引言

5．2 影响掘进机姿态的因素

5．3 直线掘进时姿态控制的仿真

5．3．1 姿态变化分析

5．3．2 直线掘进纠偏方法

5．3．3 选定纠偏角速度的联合仿真

5．4 掘进姿态控制方法在小半径曲线掘进中的应用

5．4．1 掘进机转弯的最小曲线半径R的确定

5．4．2 小半径曲线的掘进方法

5．5 地质条件对纠偏过程的影响

5．6 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢