TBM支撐-推進(jìn)-換步系統(tǒng)建模與同步控制研究.pdf

1、全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)是鐵路、公路、水利、市政建設(shè)等隧道施工的重大裝備，相對傳統(tǒng)的鉆爆法具有快速、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，已成為隧道施工的首選裝備。支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)是 TBM實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)的核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其性能優(yōu)劣直接決定TBM的掘進(jìn)效率和掘進(jìn)精度。本文緊密結(jié)合國家863課題“大直徑全斷面隧道掘進(jìn)裝備及重大工程機(jī)械裝備研究”和973課題“硬巖掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題”，以一種開

2、敞式 TBM的支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)為對象，研究了其動(dòng)力學(xué)建模及同步控制的相關(guān)問題。論文取得主要研究成果：
　　采用集中參數(shù)模型對 TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性研究。系統(tǒng)分析了支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、液壓缸驅(qū)動(dòng)方式及工作原理，構(gòu)建了不同工況時(shí)機(jī)構(gòu)的等效拓?fù)錁?gòu)型，計(jì)算了不同作業(yè)工況機(jī)構(gòu)的自由度，歸納總結(jié)了機(jī)構(gòu)的拓?fù)涮匦浴＝⒘藱C(jī)構(gòu)位置正逆解分析模型，揭示出各驅(qū)動(dòng)油缸位姿參數(shù)與刀盤位姿間的映射規(guī)律。建立機(jī)構(gòu)動(dòng)

3、力學(xué)模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)固有特性分析，分析固有頻率隨剛度、質(zhì)量參數(shù)的變化規(guī)律。為今后 TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
　　針對鍵合圖法在處理空間問題上的局限性，將AHP分析法應(yīng)用于鍵合圖模型動(dòng)力學(xué)性能影響因素分析中，簡化模型。以鍵合圖法的基本理論和其建模方法為基礎(chǔ)，根據(jù) TBM支撐-推進(jìn)-換步系統(tǒng)掘進(jìn)工況特點(diǎn)建立了其機(jī)液耦合鍵合圖模型，為后面糾偏系統(tǒng)模型建立奠定基礎(chǔ)。將AHP應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)影響因素分析，分析了主機(jī)軸向、徑向及轉(zhuǎn)動(dòng)

4、三方向運(yùn)動(dòng)對TBM推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的貢獻(xiàn)度，分析結(jié)果表明徑向運(yùn)動(dòng)對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的貢獻(xiàn)度最大，在系統(tǒng)建模時(shí)需要詳細(xì)考慮。
　　針對復(fù)雜地質(zhì)情況下的偏掘直接影響隧道掘進(jìn)精度和效率，對糾偏系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能相關(guān)研究。綜合考慮影響三相電機(jī)、齒輪泵、比例減壓閥、液壓缸等的非線性因素，采用鍵合圖方法建立了TBM推進(jìn)工況糾偏的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。根據(jù) TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)推進(jìn)工況圍巖環(huán)境不明確等特點(diǎn)，將灰色預(yù)測模型應(yīng)用