先导式双护盾TBM推进系统开发与性能仿真分析

摘要

随着轨道交通和南水北调工程的大力发展，隧洞挖掘已经成为施工中最重要的环节之一。受到地质条件的影响，隧洞在开挖的过程中极易发生坍塌，给人身财产安全带来极大的威胁，全断面隧道掘进机（TBM）作为一种新型的隧洞挖掘装备，大大提高了隧洞的挖掘效率和施工的安全性。目前，TBM主要用于开挖直径大于3m的隧洞，小直径隧洞主要还是依靠人工挖掘。本文以小型先导式双护盾TBM为研究对象，对其多缸并联推进系统结构设计、运动学建模仿真以及液压伺服控制进行了研究。 根据双护盾TBM的工作原理，对先导式双护盾TBM的刀盘系统、推进系统以及支护系统方案进行了确立，完成TBM系统方案的设计，并对掘进机的刀盘机构和推进机构进行结构设计；在Solidworks中建立推进机构的简化三维模型，并建立了并联推进机构的位置反解模型；采用边界搜索法结合MATLAB软件进行了推进机构的工作空间求解；在ADAMS中导入推进机构的模型并对其添加约束，对其沿TBM轴向掘进和转向掘进时的运动进行仿真分析，研究推进机构各液压缸支链在不同工作状态下的运动规律，验证了推进机构的可行性，为推进机构控制系统的建立提供理论依据。 采用伺服直驱泵控技术对推进机构的液压控制系统进行了建立，并对所建液压系统的元器件采用AMESim软件标准库进行建模，进一步搭建系统的开环和闭环仿真模型；对推进液压系统开环控制时的速度进行仿真分析，验证了液压系统的可行性；采用PID控制技术建立推进液压系统的闭环控制系统，在AMESim中对不同PID参数下的系统的速度变化进行了仿真分析，得出了一组最佳的PID参数，在该参数的控制系统下对推进机构的转向掘进轨迹进行了仿真分析，结果表明闭环控制系统在推进系统的掘进过程中具有更加快速和准确的控制精度。基于CQYZ-D电液伺服控制实验台搭建了单缸电液伺服系统实验平台，进行了不同PID参数对系统位移响应的影响的正交实验，验证了不同PID参数对系统的影响规律，证明了在PID控制下推进液压系统的控制精度比较高，系统的误差比较小。

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