全断面掘进机综合试验台液压系统及调速特性研究

论文摘要

全断面掘进机是集机械、液压、土木、力学、控制、电气、材料、信息等多学科技术于一体的大型隧道掘进装备,广泛应用于城市地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程的建设中。随着我国城市地铁建设的高速发展,对于盾构的需求量也越来越大,但是目前我国还是主要以进口盾构为主,这主要是因为盾构需要针对不同的地质构造进行设计制造,而目前国内并没有合适的设计理论进行指导。因此搭建全断面掘进机综合试验台,模拟不同盾构在不同地质条件下的掘进过程,对于盾构在不同的地质条件下的控制方法、设计理论的研究有重要意义。本文以全断面掘进机综合试验台为研究对象,对试验台的四个液压系统包括土箱加载系统以及盾构机的刀盘驱动系统、螺旋输送机系统和推进系统进行了相关参数的确定、液压系统设计等工作。并在此基础上,对所设计变量泵-变量马达刀盘驱动液压系统进行了数学建模,使用Amesim仿真软件对刀盘驱动系统的调速特性进行了相关研究。本文的主要研究内容如下:第一章综述了目前国内外盾构掘进机的发展历史和现状,以及目前国内外盾构试验台的情况,对本课题所研究的全断面掘进机综合试验台进行了介绍。介绍了课题研究意义,概述了本文的研究内容。第二章设计了一种基于比例溢流阀的双泵加载液压系统用于土箱加载,完成模拟土箱水土压力为0.65MPa的要求。文中对液压系统主要元件进行了相关的选型以及校核。采用Solidworks三维设计软件对主油路阀块以及各个分区阀块进行了集成设计,同时采用Solidworks软件对加载横梁进行了设计,并采用软件中的插件COSMOSXpress对加载横梁进行了相关的校核。第三章根据试验台功能要求,以及实际盾构的掘进过程分析,对模拟盾构的刀盘扭矩、总推力等参数进行了相关计算。对盾构三大液压系统进行了原理设计,包括变量泵-变量马达刀盘驱动液压系统、采用分组分区控制的推进系统和螺旋输送机液压系统。此外,还对液压系统的主要元件进行了选型计算和相关校核。第四章对国外先进盾构刀盘驱动系统进行了介绍,从变量泵-定量马达系统入手,依次建立了定量泵-变量马达系统和变量泵-变量马达系统的数学模型,并进行了相关的参数分析。第五章对所设计的变量泵-变量马达闭式大范围调速刀盘驱动系统采用AMESim仿真软件进行了仿真分析。仿真结果表明所设计液压系统能满足刀盘系统调速范围大、扭矩变化大等特点,闭环控制优于开环控制方式,在高转速采用马达无级调速的方式可增大马达在较高扭矩下的转速调节范围,液压马达的容积效率降低对马达的同步性影响不大,但是机械效率的降低将影响马达的同步性。第六章对全文进行了总结和展望,并建立了土压平衡盾构总推力数学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 盾构介绍
• 1.1.1 盾构工法介绍
• 1.1.2 盾构机介绍
• 1.2 盾构国内外发展历史及研究现状
• 1.2.1 国外盾构发展历史及现状
• 1.2.2 国内盾构发展历史及现状
• 1.3 盾构试验台介绍
• 1.3.1 国内外盾构试验台研究及发展
• 1.3.2 本课题试验台介绍
• 1.4 课题研究背景和意义
• 1.4.1 全断面掘进机综合试验台研究意义
• 1.4.2 刀盘调速特性研究意义
• 1.5 课题研究内容
• 第二章 模拟土箱加载液压系统设计
• 2.1 土箱加载系统主要参数及结构特点
• 2.2 加载液压系统的设计
• 2.2.1 加载液压系统工作原理
• 2.2.2 土箱加载液压系统主要参数设计计算
• 2.2.3 土箱加载液压系统校核
• 2.2.4 土箱加载液压系统集成
• 2.3 土箱加载系统加载横梁的设计和校核
• 2.4 本章小结
• 第三章 模拟盾构机液压系统设计
• 3.1 模拟盾构机介绍
• 3.2 盾构刀盘驱动液压系统的设计
• 3.2.1 盾构刀盘驱动液压系统工作原理
• 3.2.2 盾构刀盘驱动扭矩的确定
• 3.2.3 盾构刀盘驱动液压系统主要参数设计计算
• 3.2.4 刀盘驱动液压系统校核
• 3.2.5 刀盘驱动液压系统的安装
• 3.3 盾构推进液压系统的设计
• 3.3.1 推进液压系统工作原理
• 3.3.2 模拟盾构总推进力的确定
• 3.3.3 推进液压系统主要参数设计计算
• 3.3.4 推进液压系统校核
• 3.3.5 推进液压缸的安装
• 3.4 盾构螺旋输送机液压系统的设计
• 3.4.1 螺旋输送机液压系统工作原理
• 3.4.2 螺旋输送机液压系统主要参数设计计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 刀盘驱动液压系统数学模型
• 4.1 刀盘驱动液压系统速度控制方式简介
• 4.1.1 刀盘转速控制模式
• 4.1.2 国外先进刀盘驱动液压系统
• 4.2 变量泵-变量马达调速数学模型
• 4.2.1 变量泵-定量马达系统
• 4.2.2 定量泵-变量马达系统
• 4.2.3 变量泵-变量马达系统
• 4.3 本章小结
• 第五章 刀盘驱动液压系统调速特性研究
• 5.1 建模基础
• 5.2 闭式大范围调速刀盘驱动系统仿真研究
• 5.2.1 高低速档控制方式
• 5.2.2 高转速工况变量马达无级调速
• 5.2.3 液压系统同步性
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间获得的科研成果及奖励
• 致谢