盾构掘进机异形断面隧道切削机构的理论研究

论文摘要

盾构掘进机是一种专门用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工装备。它具有开挖快、优质、安全、经济并有利于环境保护和降低劳动强度的优点。目前正朝着机械、电子、液压和自动控制一体化，智能化的方向发展。盾构掘进机技术体现了设计制造技术、计算机、新材料、自动化、信息化和管理科学等高新技术的综合与集成，也反映了一个国家的综合国力和科技水平。1865年首次采用圆形盾构建造隧道以来，传统的盾构多以圆形断面为主，这是因为由于圆形隧道衬砌结构具有受力均匀，内力较小，设备制造简单，推进轴线容易控制，施工方便等优点，在地下隧道技术领域占有主导地位。圆形隧道的施工性能较好，故在此后的100多年内几乎所有的盾构隧道断面全部采用圆形。随着地下空间的不断深入开发和利用，人们对隧道功能提出了新的要求和隧道断面的多样化需求。但是，人们发现利用圆形盾构掘进机加工异形断面隧道如矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形等时，往往会造成断面利用率低、浪费空间等弊端。而采用异形断面更为合理，可减少开挖面积、减少切削土量、渣土处理量和回填土量，从而提高效率和空间利用率，降低造价，使隧道施工技术更趋先进。为了实现这一目标，研究与开发新颖异形断面隧道盾构掘进机，是当前各国迫切需要研究解决的重大问题。但是要研究新颖异形盾构，首先要解决盾构掘进机的核心理论与技术—切削机构。本论文在这方面作了比较系统的理论研究与探索。1．盾构掘进机在土壤中推进时，分析了其刀盘前部的土壤中某一点的应力状态，根据库仑公式，分析了土体极限平衡状态时，大小应力的关系以及简单介绍了挡土墙理论。同时介绍了盾构切削刀盘的装备扭矩的两种计算方法：阻力扭矩计算法和惯用计算法，由两者综合考虑决定盾构的切削刀盘装备扭矩。2．本文首次提出了选择二种变异五杆机构作为新颖盾构掘进机异形断面隧道的切削机构模型，并利用混合驱动机械系统实现两自由度的闭环五杆机构的可控机构。同时采用实时不可控电机RTNA（Real Time Non-Adjustable）和实时可控电机RTA（Real Time Adjustable）作为其动力源，不可控电机为切削机构提供主要的动力，可控电机起运动调节作用，两种类型的输入运动，通过一个二自由度闭环机构合成后产生所需要的非常丰富的任意轨迹输出运动。例如椭圆、矩形、拱形等轨迹，达到切削异形断面隧道的目的。它结构简单、切削断面轨迹丰富、控制容易实现、受力好的特点。3．对切削机构的可动性条件进行了分析，在五杆机构的各种极限位置分析基础上，得到了平面两自由度铰连五杆机构有曲柄存在的条件，并对其二种变异切削机构模型的工作空间进行了分析，得到了它的工作范围。4．切削机构的奇异性条件分析，通过对二种模型分析得到了切削机构的两种奇异位置的条件，此时切削机构不可避免地会出现死点和瞬时运动不确定状态。本文并提出了切削机构避免奇异位置的条件。5．切削机构的运动学分析，本文主要针对作为异形断面隧道切削机构的二种变异五杆机构的运动学进行了较全面的分析，并推导出相应的工作位置方程、速度方程、加速度方程。得到了二种切削机构的运动学数学模型，为后面逆向运动学、动力学等方面分析提供了理论基础。6．切削机构的逆向运动学分析，本文主要针对作为异形断面隧道切削机构的二种变异五杆机构的逆向运动学进行了较全面的分析，即已知输出点P的运动规律（Px，（?）x，（?）x，Py，（?）y，（?）y）和主电机运动规律（θ1，（?）1，（?）1），求伺服电机输入参数（θ4，（?）4，（?）4）。并推导出相应的工作位置方程、速度方程、加速度方程。得到了二种切削机构的逆向运动学数学模型，为混合输入控制参数等方面分析提供了理论基础，为可控电机的调节控制提供了特征关系。7．切削机构的动力学分析，在运动学和逆向运动学的理论分析基础上，得到了二种切削机构的运动学数学模型。本文利用达朗伯原理，分析二级杆组，得到了二种切削机构的动力学数学模型。为混合驱动机械系统控制方式提供了必要的数学模型。8．本文对异形盾构切削机构提出了刀盘工作点及驱动装置与五杆机构的几种不同布置形式，以供在实际的机构设计中选择最佳结构布置方案。然后按混合驱动的不同方式，对切削机构的整体结构进行了四种探索性初步方案设计，并对切削刀盘进行了改进和创新，以满足五杆轴向和径向同时切削的要求。利用普通五杆切削机构和一种变异五杆切削机构对矩形、上弓形+下矩形、椭圆等不同隧道断面轨迹形状切削时，通过4个实例来具体分析机构杆长之间的关系。并通过实例说明普通的五杆机构作为盾构掘进机异形断面隧道切削机构是可行的，但有它的工作空间的局限性。普通五杆机构的二种变异机构作为盾构掘进机异形断面隧道切削机构，其通用性、灵活性、工作空间范围等各方面要比普通的五杆机构更强、更优越。正是由于这两种变异五杆机构的杆长选择与组合更加灵活，使得切削机构的加工异形断面隧道的轨迹形状与工作空间范围更广更大，而优点更明显，更适合于工程实际，它的应用前景更巨大。9．本文利用C语言开发了变异五杆机构分析与仿真软件包，并对椭圆轨迹的异形断面隧道进行了初步分析研究。得到了θp和杆l4的运动规律，同时通过仿真软件可以输出椭圆轨迹。分析得到了一些θp与θ4的曲线特征。当长短轴a、b值差值越大，在C1、C5点附近区域的杆4的角位移θ4、角速度（?）4和角加速度（?）4数值就越大。而当长短轴a、b值差值越小，在C1、C5点附近区域的杆4的角位移θ4、角速度（?）4和角加速度（?）4数值就明显下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 盾构掘进机的发展史
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 国际盾构掘进机发展史
• 1.1.3 我国盾构掘进机发展史
• 1.1.4 异形断面盾构掘进机发展史
• 1.2 盾构类型与技术特性
• 1.2.1 盾构类型
• 1.2.2 盾构主要技术特性
• 1.3 两自由度混合驱动机构的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容及创新点
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 1.4.3 本文创新点
• 第2章 刀盘推进时的土力学基础
• 2.1 土壤中某一点的应力状态
• 2.2 土体极限平衡状态
• 2.3 极限平衡状态时大小主应力的关系
• 2.4 挡土墙理论
• 2.4.1 普遍朗肯状态
• 2.4.2 局部朗肯状态
• 2.4.3 库仑土压力状态
• 2.5 盾构切削刀盘装备扭矩的计算
• 2.5.1 阻力扭矩计算法
• 2.5.2 惯用计算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 切削机构的选择和可动性条件分析
• 3.1 切削机构的选择
• 3.2 平面两自由度五杆机构的有曲柄充分条件
• 3.3 平面两自由度变异五杆机构的工作空间分析
• 3.3.1 变异五杆机构一的工作空间分析
• 3.3.2 变异五杆机构二的工作空间分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 切削机构的奇异性条件分析
• 4.1 变异切削机构一的奇异性条件分析
• 4.2 变异切削机构二的奇异性条件分析
• 4.3 避免奇异位置的条件
• 4.4 本章小结
• 第5章 切削机构的运动学分析
• 5.1 变异切削机构一的运动学分析
• 5.1.1 变异五杆机构一工作位置方程分析
• 5.1.2 变异五杆机构一速度方程分析
• 5.1.3 变异五杆机构一加速度方程分析
• 5.2 变异切削机构二的运动学分析
• 5.2.1 变异五杆机构二工作位置方程分析
• 5.2.2 变异五杆机构二速度方程分析
• 5.2.3 变异五杆机构二加速度方程分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 切削机构逆向运动学分析
• 6.1 变异切削机构一逆向运动学分析
• 6.1.1 变异五杆机构一工作位置方程分析
• 6.1.2 变异五杆机构一速度方程分析
• 6.1.3 变异五杆机构一加速度方程分析
• 6.2 变异切削机构二逆向运动学分析
• 6.2.1 变异五杆机构二工作位置方程分析
• 6.2.2 变异五杆机构二速度方程分析
• 6.2.3 变异五杆机构二加速度方程分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 切削机构的动力学分析
• 7.1 变异切削机构一的动力学分析
• 7.1.1 活动构件的惯性力和惯性力矩
• 7.1.2 各构件的动力学分析
• 7.2 变异切削机构二的动力学分析
• 7.2.1 活动构件的惯性力和惯性力矩
• 7.2.2 各构件的动力学分析
• 7.3 实例
• 7.3.1 切削机构与基本参数
• 7.3.2 实例结果
• 7.4 本章小结
• 第8章 切削机构的结构布置及其初步方案
• 8.1 切削机构刀盘工作点C（或P）结构布置形式
• 8.2 切削机构结构布置的初步研究
• 8.2.1 五杆机构结构布置形式
• 8.2.2 五杆机构与驱动装置的布置形式
• 8.3 异形盾构切削机构的整体结构设计初步方案
• 8.3.1 主电机-伺服电机驱动结构
• 8.3.2 主电机-伺服液压马达驱动结构
• 8.3.3 主驱动液压马达-伺服电机驱动结构
• 8.3.4 主驱动液压马达-伺服液压马达驱动结构
• 8.4 异形盾构切削机构的刀盘结构设计
• 8.5 异形盾构切削机构杆长关系及实例
• 8.5.1 普通五杆机构杆长关系及实例
• 8.5.2 变异五杆机构一杆长关系及实例
• 8.5.3 变异五杆机构二杆长关系及实例
• 8.6 本章小节
• 第9章 椭圆轨迹的仿真分析初步研究
• 9.1 仿真软件的开发框图
• 9.2 仿真软件的使用
• 9.3 椭圆轨迹初步研究
• p变化规律'>9.3.1 基本条件和θ_p变化规律
• 4的运动规律'>9.3.2 杆l₄的运动规律
• 9.4 结论
• 9.5 本章小结
• 第10章 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.2 创新点
• 10.3 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文和研究成果