盾构掘进模拟试验系统设计及研究

摘要

盾构掘进机是一种用于隧道掘进的专用工程机械，在地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程上应用广泛，随着我国经济高速发展、地下工程建设项目的需求增大，我国对盾构掘进机的需求数量在未来几十年内都很大，然而盾构掘进机的设计及相关技术被德、日、欧等发达国家所垄断，我国的盾构掘进机技术同发达国家相比仍有一定的差距。考虑到盾构掘进机的建造成本高、结构比较复杂，有必要对盾构掘进机的关键技术分别研究来转嫁风险．为了达到对盾构掘进机量体裁衣式的设计，需要明确盾构掘进机所承受土体负载的各种关系，由于盾构掘进机的工作环境复杂，土体负载具有随机性和多变性，关于盾构掘进机土体负载方面的数学模型仍然不成熟．为了减少研究成本、降低现场操作风险同时为了集中解决关键问题，快速掌握核心技术，有必要采用盾构模拟试验平台的方法来对盾构掘进机的关键技术进行研究。
　　 本文以盾构模拟试验系统为研究背景，基于国家973项目所提出的研究目标，设计了盾构模拟试验平台，该实验平台具有操作简单、集成度高等特点，主要开展关于变频调速和变排量调速在盾构掘进不同工况下的能耗对比分析，总结盾构土体负载模型，研究盾构掘进机在不同的模式切换状态下的响应性，揭示盾构据进装备的力和能量传递规律。在此基础上针对盾构掘进机负载的多变性和随机性，研究了盾构推进系统的同步性控制，刀盘系统调速的响应性，盾构掘进机各个系统之间参数匹配特性等相关问题．本文的主要研究内容如下：
　　 第一章讲述了盾构掘进机的历史及国内外发展历程，对国内外的盾构试验系统进行详细叙述，并针对目前试验系统设计及研究中的不足提出了本课题的研究意义和主要研究内容．
　　 第二章设计了利用液压负载、惯性负载和机械负载来模拟盾构负载的盾构模拟实验平台，并对关键液压元件进行了选型。对关键的液压支路进行了三维集成优化设计，对试验平台的整体布局进行了三维整体布置。对盾构模拟试验平台的电控部分进行了设计，对电控柜进行了三维设计，并利用LabVIEW软件对系统的监控界面进行了设计。
　　 第三章对推进系统液压缸的同步性进行了研究，提出了区内液压缸基于流量控制的同步控制方法，并同传统的基于压力控制的同步控制方法进行对比研究，对盾构掘进机推进系统区间液压缸之间的同步控制提出了专家PID控制方法，并利用Matlab和AMESim两种软件各自的特点对整个系统进行了联合仿真，第四章对刀盘控制系统中泵的变排量控制方式进行了研究，比较了变量泵传统的电控变排量控制方式和外控液压控制的变排量控制方式在刀盘系统遇到冲击负载时的响应性，并通过AMESim软件对这两种不同控制方式的泵进行了建模分析和对比，在最后利用Solidworks三维建模软件对变量泵的恒功率调节机构进行了三维集成设计．
　　 第五章根据盾构整体受力分析、土体力学等知识对盾构掘进机推进系统、刀盘系统、螺旋输送机系统进行了力学建模，并分析了推进系统刀盘系统和螺旋输送机之间参数耦合关系，通过数学推导和实验数据对比证明了推导模型的正确性．并根据密封舱土体连续性方程对密封舱土压平衡控制进行了建模，提出了基于前馈一反馈控制的土压平衡控制模型，通过实验论证可靠性好，

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 盾构概述

1.2 盾构发展历史及现状

1.2.1 国外发展概况

1.2.2 国内发展历程

1.3 盾构试验系统研究

1.3.1 国外研究概况

1.3.2 国内研究概况

1.3.3 试验研究趋势

1.4 盾构关键技术概述

1.4.1 推进系统的同步控制技术

1.5 课题研究意义及内容

1.5.1 课题研究意义

1.5.2 课题研究内容

1.6 本章小结

2 盾构模拟实验台的设计

2.1 盾构模拟实验台设计思路

2.2 液压系统设计及集成

2.2.1 液压系统工作原理

2.2.2 模拟试验平台液压系统设计计算及元件选型

2.3 实验台的三维集成优化设计

2.3.1 液压阀块的三维集成设计

2.3.2 液压试验平台的整体布局思路

2.4 模拟试验平台的电控设计

2.4.1 电控柜的设计

2.4.2 数据采集系统的界面设计

2.5 模拟试验平台主要开展的实验

2.6 本章小结

3 盾构推进系统的同步性研究

3.1 盾构模拟掘进机

3.1.1 推进系统简介

3.1.2 推进系统工作原理

3.2 推进系统同步协调控制仿真

3.2.1 推进系统控制原理

3.2.2 区内液压缸同步仿真

3.3 基于专家PID控制的同步性控制

3.3.1 专家PID控制原理

3.3.2 推进控制模型在AMESim中的搭建

3.3.3 推进控制模型在Matlab中的搭建

3.4 实验分析

3.5 小结

4 刀盘系统的顺应性分析

4.1 刀盘的工作原理

4.2 刀盘调速方式的仿真分析

4.2.1 元件的建模分析

4.3 两种控制方式的仿真比较

4.3.1 泵的两种不同控制方式的建模分析

4.3.2 管路长度对系统响应性的影响

4.4 恒功率结构的设计

4.4.1 恒功率调节机构的工作原理

4.4.2 恒功率调节结构的三维结构图

4.5 本章小结

5 盾构掘进机参数匹配特性研究

5.1 盾构掘进机工作机理

5.2 盾构受力模型分析

5.2.1 刀盘扭矩分析

5.2.2 推进系统受力建模

5.2.3 系统联合受力分析

5.2.4 实验分析

5.3 土压平衡控制模型

5.3.1 土压平衡原理

5.3.2 土压平衡控制模型

5.3.3 基于前馈反馈土压平衡控制系统仿真

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

作者简历及硕士期间取得的研究成果