论文摘要
随着城市化和工业化步伐的加快,盾构法施工技术已被广泛应用于铁路隧道、过江隧道、公路隧道和城市地下工程。全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程建设装备,是大规模开发利用地下空间的前提条件。作为全断面掘进机的重要功能部件的管片拼装机对整个地下施工具有重要的影响。因此,具有良好的工作性能的管片拼装机就显得非常重要。本课题以“十一五”国家重大科技支撑计划项目——全断面掘进机(大型全断面掘进机研制)项目(2007BA09801)和沈阳北方重工集团(NHI)的合作项目为依托,开展相关研究工作。以沈阳北方重工集团全断面掘进机国家重点实验室的Φ3.2米多功能全断面掘进试验机为平台,对其管片拼装机进行改进优化,使其具有灵活的调姿功能。然后对改进后的管片拼装机进行运动学和动力学仿真分析、液压系统仿真分析以及静力学分析,验证新机型的工作性能,为搭建基于视觉伺服技术的管片拼装无人化智能控制系统提供严谨的数学模型和动力学理论基础。本文的主要研究内容有如下几方面：(1)首先阐述课题的研究背景和研究意义,介绍盾构管片拼装机的类型、结构形式及其工作原理以及国内外的研究情况。(2)针对试验机微调机构不够灵活的缺点,对试验机的调姿机构进行结构改进,使其能够灵活调整管片姿态。并根据改进后的试验机数据,利用三维建模软件SolidWorks进行零件建模和装配建模,建立试验机虚拟样机。(3)根据串、并联机器人的运动学和动力学分析理论,对改进后的管片拼装机进行运动学和动力学分析。运用串、并联机器人的运动学相关理论,构建位置机构和姿态机构的运动学数学模型,建立机构位置逆解与速度映射解析方程,并求出机构Jacobian矩阵。以牛顿—欧拉动力学方程和拉格朗日方程为基础,构建管片拼装机姿态机构的动力学数学模型,建立管片拼装机姿态机构操作空间——关节空间映射关系动力学方程及操作空间动力学方程。(4)根据盾构管片拼装机的机械机构和工作要求,建立试验样机的液压系统模型,利用MATLAB中的SimHydraulics和Simulink工具箱进行仿真,验证液压系统的稳定性。(5)将试验样机的三维装配体导入仿真工具软件Matrix Laboratory(简称MATLAB),再利用该软件中的SimMechanics和Simulink内置工具箱对改进后的管片拼装机进行物理仿真,研究驱动支链液压缸驱动力、位移及速度、运动平台的工作载荷及速度等变化规律得到相关数据。(6)建立试验样机系统的多体动力机械系统和液压控制系统的联合仿真模型,对试验样机进行联合仿真,分析仿真结果,并根据仿真结果对试验样机的机械机构和液压系统进行改进优化。(7)对拼装机进行静力学分析,验证拼装机的刚度和强度。