基于粘性耦合的TBM刀盘驱动系统脱困技术研究

摘要

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)简称TBM，是集岩石力学、机电液一体化控制、光学测量、隧道工程等多学科技术于一体的大型工厂化隧道施工成套装备。TBM主要由刀盘驱动系统、推进系统、支撑换步系统、导向系统、后配套系统等组成。由于围岩条件恶劣，岩体收缩变形等原因，TBM在硬岩掘进过程中经常发生刀盘被困事故。刀盘被困后，往往由于驱动系统的脱困扭矩不足而不得已采用人工方式脱困，由此带来耗时费力、增加成本、安全隐患等一系列问题。因此，改善TBM刀盘驱动系统的整体驱动性能、提高刀盘的脱困扭矩、建立TBM脱困控制方法，对于保障TBM高效掘进有着重要意义。
　　本课题设计了“变频电机+惯性飞轮+液粘调速离合器”协同控制的新型驱动方案，旨在不增加驱动系统装机功率的前提下提高脱困扭矩，改善驱动性能。方案的关键点及难点在于对液粘调速离合器的有效使用及合理控制来实现脱困。由于TBM脱困的动态过程对液体粘性离合器的控制精度、滑差损失及响应速度等动态性能提出了新的挑战。因此，研究新型结构的液粘调速离合器，揭示粘性传动机理，提高其控制精度及响应速度，进而建立TBM刀盘脱困的协同控制方法，是TBM刀盘驱动系统设计必须突破的关键问题。
　　本文的主要研究内容如下：
　　第一章，阐述了课题背景和研究意义，在分析对比现有的TBM刀盘驱动系统的优缺点的基础上，提出了新型的刀盘驱动方案。由于该方案中引入了液粘调速离合器这一关键元件，故对液粘传动技术、液粘调速离合器的发展进行了综述，并且总结了液粘调速离合器内部流场、控制特性、扭矩特性、起动接合控制方面的研究现状及存在的不足，进而指出了本课题所要开展的研究内容。
　　第二章，分析了基于粘性耦合的新型TBM刀盘驱动方案的优点，提出了TBM脱困模拟试验台的功能、任务、指标以及驱动加载方案。针对TBM脱困模拟试验台的需求，提出了一种“离心式油腔+双活塞压紧结构”的新型液粘调速离合器，并且对其关键零部件进行了设计，为进一步开展TBM脱困技术研究提供了实验条件。
　　第三章，通过求解简化后的Navier-Stokes方程，详细推导了各油膜承载力的计算公式，为后续的理论研究工作打下基础。通过摩擦片力学模型分析，得出了液粘调速离合器摩擦副间油膜厚度的分布规律。基于FLUENT仿真，研究了离心式油腔结构及双活塞结构对于液粘调速离合器的油膜均匀性的影响规律，基于双摩擦片摩擦片受力及运动模型，推导出了双活塞液粘调速离合器摩擦片间油膜的动态平衡方程及传递函数，并对其动态特性进行了理论分析及ADAMS仿真研究。
　　第四章，分析了变频电机、液粘调速离合器、负载模型等能量传递环节的数学模型，搭建了TBM脱困模拟试验台的AMESim仿真模型，研究了飞轮初速度、飞轮转动惯量、冷却系统、油膜厚度控制曲线、液粘调速离合器结构等因素对TBM脱困性能的影响规律，得到了各因素下刀盘脱困扭矩、转速变化及冲击度变化曲线，实现了持续时间长达70s的2倍于负载扭矩的脱困扭矩，验证了新型TBM驱动方案脱困能力强、冲击度小的特点。
　　第五章，搭建了TBM刀盘脱困模拟试验台，开展了液粘调速器的动、静态实验以及基于粘性耦合的TBM脱困实验，验证了前面的理论及仿真分析结果。
　　第六章，对全文的工作及成果进行了概况总结，并展望了本课题下一步工作的研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 TBM刀盘驱动系统概述

1．2．1 TBM刀盘驱动分类及其特点

1．3 液粘传动技术概况

1．3．1 液粘传动的工作原理

1．3．2 液粘传动元器件

1．3．3 液粘调速离合器的基本工作特性

1．4 液粘调速离合器及其系统相关技术研究现状

1．4．1 液粘调速离合器发展概况

1．4．2 液粘调速离合器内部流场研究现状

1．4．3 液粘调速离合器控制特性研究现状

1．4．4 液粘调速离合器传动特性研究现状

1．4．5 离合器系统起动接合过程研究现状

1．5 课题研究意义

1．6 课题研究内容

1．7 本章小结

2 TBM刀盘脱困试验台及新型液粘调速离合器研制

2．1 TBM刀盘驱动新型方案设计

2．2 TBM脱困模拟试验台

2．2．1 脱困的定义及试验台的功能、任务、指标

2．2．2 试验台的设计方案

2．3 新型液粘调速离合器设计

2．3．1 普通液粘调速离合器结构及其工作原理

2．3．2 新型液粘调速离合器主机结构特点

2．3．3 新型液粘调速离合器关键零部件设计

2．4 本章小结

3 液粘调速离合器传动特性研究

3．1 液粘调速离合器摩擦副油膜受力分析

3．1．1 液粘调速离合器活塞受力分析

3．1．2 液粘调速离合器摩擦副油膜承载力分析

3．1．3 静压承载力、离心承载力、动压承载力求解

3．2 液粘调速离合器摩擦副间油膜厚度均匀性分析

3．2．1 单活塞结构液粘调速离合器摩擦副油膜分布规律

3．2．2 单活塞结构液粘调速离合器摩擦副油膜分布规律仿真分析

3．2．3 双活塞结构油膜厚度的均匀性分析

3．2．4 液粘调速离合器油膜厚度fluent仿真分析

3．2．5 离心式油腔结构对于液粘调速离合器摩擦副油膜均匀性影响规律

3．3 双活塞液粘调速离合器动态特性分析

3．3．1 油膜动态平衡方程

3．3．2 单、双活塞结构液粘调速离合器动态特性对比分析

3．3．3 ADAMS仿真分析

3．4 本章小结

4 基于粘性耦合的TBM刀盘脱困性能研究

4．1 TBM刀盘新型驱动方案数学模型建立

4．1．1 原动机模型建立

4．1．2 液粘调速离合器数学模型

4．1．3 负载模型建立

4．1．4 冷却系统

4．1．5 冲击度

4．2 系统动力学仿真分析

4．2．1 仿真模型建立

4．2．2 飞轮初始速度的影响

4．2．3 飞轮转动惯量的影响

4．2．4 冷却系统的影响

4．2．5 离合器油膜厚度的影响

4．2．6 双活塞结构的影响

4．2．7 基于双闭环控制的双活塞HVC脱困性能仿真

4．3 本章小结

5 TBM刀盘脱困模拟试验台实验研究

5．1 TBM刀盘脱困模拟试验台

5．1．1 机械结构设计

5．1．2 电控系统设计

5．2 试验项目及数据分析

5．2．1 新型液粘调速离合器粘性耦合机理研究

5．2．2 基于粘性耦合的TBM脱困机理研究

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间取得的科研成果