盾构刀盘及其液压驱动系统关键技术研究

论文摘要

土压平衡式盾构机作为一种大型掘进设备,广泛应用于隧道、市政工程、桥梁、公路、铁路等方面,它集液压、电气、测试、土木、机械等多学科为一体,是高科技发展的产物。刀盘位于盾构机的前端,承担着开挖、搅拌及稳定等功能,是盾构机的关键部位。不同的地质情况,需要设计不同的刀盘结构及刀具配置。而国内对土压平衡式盾构刀盘及其驱动系统的相关设计理论和设计方法比较缺乏,有必要对刀盘系统加以研究,为盾构机国产化设计制造提供一定的理论帮助。本文首先设计了￠6.34m刀盘液压驱动系统原理图,阐述了系统的工作原理及对设计参数进行计算,并在AMESim环境中搭接系统模型,模仿刀盘实际施工情况仿真,仿真结果表明该液压驱动系统能很好的满足实际施工要求。对刀盘的结构进行研究,在搭接的刀盘虚拟样机模型基础上,研究了三种典型工况下刀盘的受力情况及应力应变。在此基础上,对局部不足之处加以优化。优化结果表明,优化之后刀盘性能更佳,安全性更好。本文主要研究内容如下:第一章,阐述了盾构机的发展历史及研究现状,论述了目前刀盘的驱动系统及结构现状,提出了本论文的主要研究内容。第二章,根据系统设计要求,设计了三泵联合驱动的刀盘液压系统。对刀盘系统原理进行详细的阐述说明,对主要设计参数如压力、流量、功率和扭矩等进行了详细计算,计算结果表明该系统满足系统要求。第三章,根据刀盘液压驱动系统原理图,建立了系统AMESim模型,并进行了相应的参数设置。对刀盘系统的速度负载特性、脱困、负载波动及马达失效等进行仿真,仿真结果表明该系统能很好的满足施工要求。第四章,针对软土层的盾构掘进施工要求,应用Pro/E三维设计软件,采用参数化设计方法,搭建了￠6.34m盾构刀盘的虚拟样机模型,并对刀盘、刀具以及刀架进行了虚拟装配。同时采用有限元分析软件ANSYS对刀盘模型的两种典型工况进行了有限元分析。在分析的基础上,对刀盘结构参数进行优化处理。第五章,概括了全文的主要研究内容,并对后续工作研究提出几点意见。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 盾构机的发展历史及现状
• 1.2 刀盘液压驱动控制技术研究现状
• 1.2.1 刀盘驱动方式
• 1.2.2 刀盘控制模式
• 1.3 盾构刀盘结构研究现状
• 1.4 课题的背景及研究意义
• 1.5 主要研究任务
• 第二章 盾构刀盘液压驱动系统关键技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 ￠6.34m 刀盘电液比例控制系统设计
• 2.2.1 盾构刀盘液压驱动系统原理
• 2.2.2 刀盘液压驱动系统主要参数计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 刀盘液压驱动系统数值模拟仿真
• 3.1 引言
• 3.2 刀盘液压驱动系统AMESim 模型搭接
• 3.2.1 驱动泵模型
• 3.2.2 马达及负载模型
• 3.2.3 功率控制模块
• 3.2.4 总模型
• 3.3 液压系统运行仿真分析
• 3.3.1 速度负载特性
• 3.3.2 脱困仿真分析
• 3.3.3 负载波动影响分析
• 3.3.4 马达失效仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 6.34m盾构刀盘结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 刀盘建模与装配
• 4.2.1 刀盘结构设计要点
• 4.2.2 刀盘盘体建模
• 4.2.3 刀具与刀架建模
• 4.2.4 刀盘虚拟装配
• 4.2.5 干涉检查
• 4.3 有限元分析
• 4.3.1 有限元法简介
• 4.3.2 典型工况简述
• 4.3.3 受力分析
• 4.3.4 刀盘有限元仿真分析
• 4.4 结构优化
• 4.4.1 优化因子分析
• 4.4.2 优化处理
• 4.4.3 优化结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要工作回顾
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢