地铁隧道壁面钻孔设备研发

摘要

近年来地铁发展迅猛，其供电多采用顶部刚性接触网方式，优点明显，顶部刚性接触网安装需先钻孔。地铁隧道侧壁安全疏散平台、管道、电缆的安装也需要在侧壁钻孔。以往多采用人工手动钻孔，同时一些辅助简易机械功能少、效率低，无法适应迅猛发展的地铁建设。本论文讨论了顶部和侧壁钻孔设备方案，分析了常用设计方案，指出其优缺点，进而研发了一种多方位钻孔设备，能对隧道顶部和侧壁一次性钻四个孔，运动速度高、精度、自动化程度高，劳动强度小。通过车轮光电编码器、激光测量仪、隧道断面仪等设备测量位移、角度等参数。
　　底部XY平台调整纵横向距离，通过升降、俯仰、横滚机构实现Z轴的升降、X及Y轴的转动，通过回转机构实现Z轴的转动，由此可完成六自由度精密调整。选用电动缸、直线轴承、直线导轨、滚珠丝杠等性能优异的零部件并对其计算选型。钻机安装平台由一组矩形空心型钢安装而成，钻机底板开有两道槽，由此四个钻机间距可无级调节，适用不同安装规格。人工控制平台钢结构按国家标准设计。钻大直径孔采用水钻，水钻钻孔干净卫生、对钻具损坏小，劳动强度小。
　　钻机平台工作时受到较大的阻力、阻力矩，且水钻所用的异步电机振动较大。本论文对外部载荷进行了详细的计算，用Solidworks对设备进行三维建模，转换格式导入到网格划分精度较高的Hypermesh，得到高质量的网格，再导入到人机界面较好的Workbench进行钻机平台的有限元静力学、模态、谐响应分析，仿真计算结果显示钻机平台强度、刚度符合要求，可靠性高，有效的避开了激励频率，不会发生共振。使用Workbench多目标驱动优化技术对转轴零件进行多参数优化，为零件的设计提供可靠的参考依据。
　　选用多个价格低、功能强大的S7-200 SMART基于以太网S7协议通信实现控制系统组网，主从站控制编程简单、便于管理。常规PID控制的参数固定，无法灵活运用于复杂的隧道环境，系统控制能力较差，所以选用模糊PID控制器。利用MATLAB/Simulink软件的模糊控制工具箱对工进系统建模、仿真分析，进行了模糊PID控制参数的自整定优化。采用S7-200 SMART的专属触摸屏SMART LINE作为人机交互界面，进行自动控制或手动控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 隧道钻孔机械国内外研究现状

1．3 主要研究内容和方法

第2章 隧道钻孔设备的方案研究

2．1 地铁隧道钻孔设备工况分析

2．1．1 轴推力

2．1．2 最大回转扭矩

2．2 顶部钻孔方案

2．3 侧壁钻孔方案

2．4 小结

第3章 多方位钻孔设备的结构设计

3．1 钻孔机平台设计

3．2 工进系统设计

3．2．1 电动缸丝杠选型计算

3．2．2 电动缸伺服电机选型计算

3．2．3 直线轴承选型计算

3．3 回转系统设计

3．4 升降、俯仰、横滚机构的设计

3．4．1 转轴及转轴轴承的计算

3．4．2 第一、二、三电动缸丝杠、伺服电机的选型

3．4．3 电动滑台选型计算

3．5 底部运动平台设计

3．5．1 直线导轨的选型计算

3．5．2 滚珠丝杠及伺服电机的选型计算

3．6 小结

第4章 钻孔设备的有限元分析及优化

4．1 仿真计算工具简介

4．2 有限元分析简述

4．3 钻机平台有限元分析

4．3．1 设备简介

4．3．2 基于SolidWorks的装配体模型的简化

4．3．3 Hypermesh网格划分和清理

4．3．4 Workbench仿真

4．3．5 静力分析

4．3．6 模态分析

4．3．7 谐响应分析

4．4 转轴优化设计

4．4．1 优化设计的数学模型

4．4．2 优化设计的分析步骤

4．4．3 转轴优化计算

4．5 小结

第5章 基于以太网的多PLC的多轴联动模糊PID控制

5．1 控制方案

5．2 智能化控制系统PLC的选型

5．3 S7-200 SMART通信方式

5．4 伺服控制系统

5．5 模糊PID控制的Simulink仿真及与常规PID控制的对比

5．6 人机界面设计

5．7 小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文