隧道掘进装备铰接与管片拼装机构设计研究

论文摘要

大型隧道掘进装备可分为用于硬岩地质施工的全断面岩石掘进机和用于软土地质施工的盾构机。近年来,随着我国经济社会和城市化进程的飞速发展,隧道掘进机,特别是盾构机被广泛应用于各种交通及市政工程,且需求逐步加大。本文结合当前国内对隧道掘进机发展的迫切要求,在国家重点基础研究发展计划（973计划）的支持下,对隧道掘进机中的两个重要部件——用于曲线掘进及方向纠偏的铰接装置和给开挖后的隧道表面贴上管片的管片拼装机进行了进行研究,取得以下成果:1.满足大曲率弯道掘进的铰接装置的构型设计对隧道掘进机中现有的主、被动铰接装置进行研究,总结各自的工作特点及优缺点,通过对隧道施工过程中的切削、位姿调整和大曲率弯道掘进运动特征的分析,建立任务特征表达和动作分解模型;分析机构构型对装备灵活性的影响,根据大曲率弯道掘进特征、过约束多自由度机构的复合运动特性,提出了一种基于6-（2-SPS）R并联构型的隧道掘进机铰接装置的设计方案。2.铰接装置新构型的运动分析与承载计算采用并联机构运动学、动力学分析方法,研究大载荷约束下机构运动传递与力传递规律,揭示驱动力与外载荷的耦合作用关系,得出各支链驱动单元载荷分配规律及计算方法,为掘进装备的系统刚度、结构强度和可靠性设计提供理论依据。3.六自由度管片拼装机构型设计研究管片拼装过程的运动特征,根据其自由度要求,采用集合论等数学工具,推出多种机构拓扑结构,并综合整机的复合运动特性和机构的实用性,设计出一种基于“一移二转”或“一移三转”并联构型的管片拼装机构。4.管片拼装机的运动分析与承载计算本文着重分析了两种管片拼装机的运动和动力特性,分别为基于3-RPS并联构型和基于1-PS&3-SPS并联构型的管片拼装新机构,研究两种构型设计方案下机构的运动传递与力传递规律,通过计算若干性能指标,将新机构与原机构进行比较,分析各自的优缺点,为机构优化设计做准备。5. CAD模型的建立及数值算例利用三维建模软件Pro/E建立隧道掘进机铰接装置和管片拼装机的CAD模型,将文件导入多刚体系统动力学仿真软件ADAMS,给机构的各个连接加上运动副,给各个油缸加上驱动,动画实现铰接装置和管片拼装机的工作过程。根据前文运动学、静力学和动力学分析过程中得到的各构件之间的尺寸、运动和力学关系,给出具体数值算例。本文的研究为隧道掘进设备中的铰接装置和六自由度管片拼装机的机构设计及驱动油缸的结构强度设计提供了依据,在盾构技术国产化进程中具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 隧道掘进机简介和国内外研究现状
• 1.2.1 岩石掘进机和盾构机的区别
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 国内发展现状
• 1.3 课题来源及内容
• 1.4 本文的研究内容及安排
• 第二章 隧道掘进机中铰接装置构型分析及其性能指标建立
• 2.1 引言
• 2.2 隧道掘进机中铰接装置的分类
• 2.2.1 被动型铰接装置
• 2.2.2 主动型铰接装置
• 2.2.3 与铰接装置配合的仿形刀
• 2.3 铰接装置的工作步骤
• 2.4 铰接机构类型分析与新构型提出
• 2.5 铰接装置性能指标建立
• 2.5.1 最小转弯半径与最大铰接角度
• 2.5.2 支链油缸输出力
• 2.5.3 突变运动或载荷下的顺应能力
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于6-（2-SPS）R 并联构型的铰接装置新机构分析
• 3.1 引言
• 3.2 铰接新机构运动学建模
• 3.2.1 坐标系的建立
• 3.2.2 位置分析
• 3.2.3 速度分析
• 3.2.4 加速度分析
• 3.3 铰接新机构力学建模
• 3.3.1 土压基本理论
• 3.3.2 外载荷计算公式推导
• 3.3.3 油缸输出力建模
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 环境参量与尺寸参数设定
• 3.4.2 外载荷计算
• 3.4.3 基于Pro/E 与ADAMS 的铰接新机构建模
• 3.4.4 数值仿真与性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 管片拼装机构型设计
• 4.1 引言
• 4.2 管片拼装机的自由度要求分析
• 4.3 管片拼装机的现有构型及其性能评价
• 4.3.1 四自由度管片拼装机
• 4.3.2 基于五杆并联构型的六自由度管片拼装机
• 4.3.3 带球面并联机构的六自由度管片拼装机
• 4.4 基于GF集的管片拼装机新构型设计
• 4.4.1 GF 集简介
• 4.4.2 GF 集运算法则
• 4.4.3 1T2R 型三自由度并联机构
• 4.4.4 1T3R 型四自由度并联机构
• 4.5 管片拼装机机构评价与选型
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于3-RPS 并联构型的管片拼装新机构I 分析
• 5.1 引言
• 5.2 管片拼装新机构I 的刚体位姿描述
• 5.3 管片拼装新机构I 运动学建模
• 5.3.1 位置分析
• 5.3.2 速度分析
• 5.3.3 加速度分析
• 5.4 管片拼装新机构I 静力学建模
• 5.5 管片拼装新机构I 动力学建模
• 5.5.1 支链坐标系建立
• 5.5.2 惯性张量计算公式
• 5.5.3 牛顿欧拉法
• 5.5.4 凯恩动力学法
• 5.6 平移、回转和偏转运动分析
• 5.6.1 平移和回转运动分析
• 5.6.2 液压元件的选择
• 5.6.3 偏转运动分析
• 5.7 算例分析
• 5.7.1 尺寸参数设定与Pro/E 软件三维建模
• 5.7.2 数值仿真与性能分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 基于1-PS&3-SPS 并联构型的管片拼装新机构II 分析
• 6.1 引言
• 6.2 管片拼装新机构II 的刚体位姿描述
• 6.3 管片拼装新机构II 运动学建模
• 6.3.1 位置分析
• 6.3.2 速度分析
• 6.3.3 加速度分析
• 6.4 管片拼装新机构II 静力学建模
• 6.5 管片拼装新机构II 动力学建模
• 6.6 算例分析
• 6.6.1 尺寸参数设定与Pro/E 软件三维建模
• 6.6.2 数值仿真与性能分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 攻读硕士期间参与的科研项目
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书