盾构机回转驱动系统建模及同步控制方法

为从机械力学和电机同步控制的角度进行盾构机回转驱动系统的研究,根据盾构机的工作原理和机械结构,采用等效质量法建立盾构机回转驱动系统的动力学模型,分析刀盘回转载荷,根据盾构机刀盘回转液压系统,建立变量泵的流量方程、连续方程以及马达和负载的力矩平衡方程,构建数学模型,得到控制系统提供传递函数,最终建立了机电液的耦合模型,考虑机电液系统对同步性能的影响.结合了耦合补偿原理以及共同设定控制思路,使用环形耦合多马达同步控制策略,综合考虑单个马达相对于设定马达位移的跟踪误差和相邻马达之间的同步误差.使用变论域方法建立基于变论域模糊PID的多马达同步控制的误差补偿控制算法.通过对比实验研究表明,建立的控制模型相比不考虑机电液系统耦合模型的控制模型作用下,具有更低的同步误差和跟踪误差.     

盾构穿越特殊地层掘进施工技术应用分析

针对郑州地铁2号线盾构法掘进施工过程中遇到的大量的姜石和胶结层,造成盾构机掘进迟缓、刀盘易"结饼"、扭矩增大等变化.从盾构机流体部分、电气部分、刀盘及回转接头等方面提出了改良措施,并对改良后的盾构机掘进速度、刀盘扭矩、总推力等参数和之前的数据进行拟合,分析改良效果.由于掘进隧道相邻既有建筑物,在进行路面沉降动态监测的过程中考虑了遮拦效应的影响,以保证施工的准确及安全性.这些改良措施提高了土体的流塑性,保证了土压平衡的建立,土体进入及排出土舱速度得到有效缓解,有效降低了刀盘的扭矩,而且刀盘扭矩的变化幅度也逐渐趋于平缓,避免了刀盘扭矩过大超过额定扭矩及刀盘"结饼"等现象.     

基于蒙特卡罗方法盾构刀盘的结构可靠性分析

盾构刀盘承担开挖土体作用,在整个掘进过程中刀盘工作环境恶劣,受力情况比较复杂,在考虑输入参数(如刀盘载荷、材料属性等)不确定性因素的基础上,对刀盘可靠性进行了研究,研究刀盘在不确定性因素的作用下刀盘结构的可靠性.该文首先通过三维建模软件Pro/E对盾构机刀盘进行建模,然后将模型导入到有限元软件ANSYS中,采用蒙特卡罗有限元方法对刀盘的可靠性进行分析,考察刀盘结构可靠性,确定刀盘的失效概率及影响其失效的显著因素.     

TBM的平面刀盘与两级刀盘的力学性能对比分析

为解决全断面岩石掘进机(TBM)大直径(10m)平面刀盘承受的破岩载荷、偏心载荷过大会造成刀盘大变形、主轴承损坏的问题,引入一种两级刀盘。基于应用在西秦岭隧道的平面刀盘,采用灰关联分析的方法设计了两级刀盘的结构;建立复合岩层条件下平面刀盘和两级刀盘的受力分析模型,对比分析了两种刀盘的破岩总推力和扭矩、刀盘径向不平衡力和倾覆力矩;建立均一岩层条件下两种刀盘的有限元模型,对比分析了两种刀盘的变形和应力分布。结果表明,两级刀盘的各级破岩总推力、扭矩、径向不平衡力、倾覆力矩、刀盘变形和最大应力均比平面刀盘小,说明两级刀盘有效地把破岩载荷分散到各级刀盘,同时提高了刀盘刚度,避免了刀盘应力过度集中,有效减小了刀盘的偏心载荷。     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

软土区盾构刀盘扭矩分析及对地表变形影响

依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,提出适合杭州软土地区的土压平衡盾构机刀盘扭矩计算方法,并进行盾构掘进时地表变形与刀盘扭矩的相关性影响现场试验。研究结果表明:软土区刀盘扭矩可由7个计算影响因子组成,计算得到的理论最大扭矩与实测最大扭矩相差10%,吻合度较高;开挖面正上方的瞬时隆沉和刀盘扭矩与单环排土量的比值M呈正相关,即在扭矩一定的情况下,地表变形随着单环排土量的减少逐渐由沉降转变为隆起。     

夹矸煤层条件下硬岩掘进机刀盘结构优化

为更准确地获得硬岩掘进机在夹矸煤层掘进过程中刀盘的受力情况,基于EDEM软件建立岩层夹矸模型,并联合ANSYS有限元分析软件对刀盘截割不同岩石工况进行受载分析,并采用ANSYS软件的Design Explorer模块对刀盘结构参数进行优化设计.研究结果表明,随着夹矸层比例的增大,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越大,即需要提供的驱动载荷越大;随着夹矸层位置越靠近刀盘中心,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越小,即需要提供的驱动载荷越小.通过优化设计使得刀盘最大等效应力比优化前应力值降低了77.3%;其最小寿命比优化前提高了85.6%,在很大程度上可以确保刀盘的安全使用性能.研究结论更好的模拟硬岩掘进机实际掘进时可能会遇到的多种复杂地质条件工况,解决传统分析时截割岩石属性单一等问题,为硬岩掘进机刀盘设计和改进提供依据.     

全断面岩石掘进机连续性刀盘形变理论及应用研究

刀盘是全断面岩石掘进机上的关键核心部件.实际工程应用发现,全断面岩石掘进机作业过程中,盘形滚刀破岩作业效能低、设备振动大,与刀盘形变极不均匀关系密切.以弹性力学理论为基础,论文建立了全断面岩石掘进机作业刀盘的形变模型;考虑刀盘上盘形滚刀均匀布置,从而将作业刀盘看成面板上分布着均布载荷的弹性连续薄板;根据刀盘与其支撑大轴承的联接关系,确定刀盘支撑边界条件为夹支,从而对刀盘形变模型进行了求解.根据理论研究,论文提出了全断面岩石掘进机曲面刀盘概念——根据破岩地质条件,给刀盘以预变形,当刀盘在此地质条件下破岩作业时,刀盘产生弹性变形,从而使预变形消失,刀盘保持平面作业状态.论文建立的理论增强了刀盘作业刚度,使作业刀盘的极不均匀变形因其预变形基本能保持平面作业状态,有效提高了刀盘上盘形滚刀的破岩作业效能、降低了机器振动,从而为全断面岩石掘进机刀盘结构设计提供了借鉴.     

全断面岩石掘进机变厚度刀盘面板理论及应用

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;通过用变形量极差衡量变形量不均匀度,结合应用研究发现,半径为5m的刀盘,当其为0. 15m的等厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 0425m;当其是基本厚度为0. 15m、中心厚度为0. 242m的变厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 023m,对比研究发现,刀盘半径为5m的变厚度刀盘较等厚度刀盘最大变形不均匀度降低了45. 88%.论文研究方法和研究结论为全断面岩石掘进机刀盘理论的深入研究和发展提供了有益借鉴.     

TBM刀盘系统多自由度耦合振动响应灵敏度研究

研究冲击载荷作用下TBM刀盘的振动特性。在已有TBM刀盘系统耦合动力学模型的基础上,运用直接导数法推导动态响应灵敏度的表达式,建立适用于TBM刀盘强迫振动响应的灵敏度分析方法。以辽西北引水工程项目的刀盘系统参数为例,采用协同数值求解方法计算刀盘振动响应及其灵敏度,并分析刀盘质量分布对响应的影响。研究结果表明:刀盘振动响应对分体质量的灵敏度最大,且各方向灵敏度均不为0,说明质量参数的变化会影响刀盘各方向振动,而刀盘支撑刚度仅影响其相关联的振动,刀盘轴向振动响应对轴向支撑刚度的灵敏度约为倾覆方向的2倍;刀盘分体质量分数控制在13%~14%区间时,结构振动最小。     

盾构刀盘扭矩与位移相关性分析

盾构刀盘扭矩是盾构施工参数的重要组成部分。为了明确盾构刀盘扭矩大小,以及扭矩对土体位移的影响,确保盾构隧道施工的高效和安全,以北京地铁14号线工程的现场测试和理论分析建立了扭矩各组成部分的计算模型。采用高频率采集数据的方式,结合现场测试的扭矩和盾构施工引起的土体位移,讨论两者的相关性。研究结果表明:刀盘扭矩由7个部分组成,其中与地层土体情况有关扭矩约占总扭矩的99%,刀盘与土体的摩擦扭矩占总扭矩的65%;定义了与扭矩、距离相关的f值,并得到测点单环位移变化量S与1/f成反比关系,即S与扭矩T成正比,与距离L成反比关系;S与1/f之间的相关性及匹配性较好,刀盘到达测点前S与1/f的相关性要优于刀盘通过测点后;施工时主要考虑刀盘到达前扭矩对土体位移的影响,周围土体主要为粉土的S与1/f的相关性要优于粉细砂。     

盾构机复合岩土层掘进刀盘弯矩特性分析

针对盾构机在掘进过程中上软下硬的复合地质结构,建立了其刀盘截面圆模型,基于单个切削刀和盘形滚刀的切削机制,建立了复合岩土层掘进时刀盘平面内总弯矩分析模型,分析了与刀盘接触的撑子面内,不同软土面积分数的复合地质条件下,刀盘旋转掘进过程中的弯矩动态特性.结果表明:刀盘平面内2个方向的弯矩与刀盘旋转角分别呈正弦和余弦曲线关系;弯矩波动振幅随撑子面内软土面积分数的增加而降低;当刀盘截面圆内软土面积分数为50%时,其弯矩最大.     

盾构机双驱动大功率行星齿轮的传动原理及特性

在研究盾构机及行星齿轮机构的基础之上,针对盾构机刀盘驱动系统,提出一种新型盾构机双驱动大功率行星齿轮传动系统,分析了传动系统的原理及其结构;建立了新型传动系统的运动学模型,对该系统的传动特性进行了分析,获得了系统的传动比、系统内部的转速、扭矩的关系和变化规律;通过对比简化实验得到的结果与理论计算得到的结果,其变化规律基本一致,验证了数学模型及分析方法的正确性.双驱动大功率行星齿轮传动系统具有传动比大、承载能力强的特点,能实现低转速、大扭矩输出的功能,满足盾构机的基本工作要求,不仅可取代传统的多个电机同时驱动多个减速器的传动系统,还能实现3种不同型式的盾构机传动系统功能.     

斜盘柱塞式液压变压器的扭矩特性

在对斜盘柱塞式液压变压器进行受力分析的基础上,建立了斜盘柱塞式液压变压器各配流口在液压变压器控制角为零和不为零时的扭矩的数学模型,并运用Matlab进行了仿真研究,发现各配流口的扭矩是不连续的,在两个周期间过渡时存在扭矩跳动.文中还建立了扭矩跳动系数的模型,并进行了仿真,发现液压变压器的扭矩跳动系数很大,且随控制角而变...     

盾构机密封舱土压平衡综合优化控制

为了实现盾构机掘进过程密封舱土压平衡的精确高效控制,提出了盾构刀盘系统、推进系统和排渣系统的综合优化控制方法.设计了以扭矩切深指数(TPI)和场切深指数(FPI)为特征输入参数的地层识别系统,然后建立了专家控制系统,根据地层识别的量化结果和控制规则给出刀盘转速的控制策略;在此基础上,提出了采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)非线性预测控制方法来协调控制推进速度和螺旋输送机转速,并利用蚁群算法(ACS)滚动优化控制变量,实现密封舱土压平衡控制.实验结果表明即使在工况发生变化时亦能够很好地控制密封舱土压平衡,证明了方法的有效性,实现了盾构机土压平衡的多子系统协调优化控制.     

盾构机刀盘驱动控制系统的设计与应用

介绍了以PLC做控制器、工控机做监控器、S120为执行器,构成刀盘的驱动控制系统。进而在盾构机刀盘驱动性能的要求下,设计出刀盘驱动控制系统,阐述了主从控制方式,实现主从传动的负荷均衡分配功能,保证机械受力的均匀和一致性。从而实现设备的安全、可靠运行。     

基于AMESIM的盾构刀盘液压驱动系统多级功率控制模式研究

为使盾构机刀盘液压驱动系统在复杂地质层条件下节能降耗,在恒功率调速的基础上建立多级功率控制模式,即满载模式（100%全功率）,经济模式（80%全功率）,轻载模式（60%全功率）,实现功率的可调。并针对某型盾构机在软土与砂土两种地质层负载载荷随机变化,借助AMESIM软件对系统在三种工作模式下进行仿真分析和对比研究。结果表明软土地质层为保证盾构机的正常工作,选用满载模式或经济模式;砂土地质层为提高系统工作效率,降低能耗,选用经济模式或轻载模式。     

TBM刀盘系统多自由度耦合固有特性及敏感度

综合考虑时变啮合刚度、轴承刚度、综合传递误差、阻尼等影响因素,建立了TBM刀盘系统的平移-扭转-倾覆多自由度耦合动力学模型.基于实际工程项目的刀盘系统参数求解固有频率和振型,并研究系统参数对固有频率的影响及敏感度问题.研究结果表明,刀盘系统低阶固有频率为57和61 Hz,对应振型分别为电机和小齿轮的纯扭转振动及刀盘和大齿圈平移倾覆耦合振动,刀盘分体的切向支撑刚度和质量的敏感区间分别为3~4 GN/m和19~23 t.     

花岗岩球状风化发育区盾构施工特点分析

花岗岩发育地区球状风化体(俗称"孤石")的分布直接影响城市轨道交通工程的盾构施工。基于华南地区花岗岩球状发育区盾构施工工程案例,分析了在这一特殊地质环境下盾构施工在盾构机选型和盾构推进过程中参数控制相关问题,提出花岗岩球状风化体发育区盾构施工应合理选择盾构机,在孤石地层掘进时应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力,刀盘的贯入量以及刀盘的转速等施工参数,做到平稳掘进,减少对地层的扰动。     

全断面岩石掘进机刀盘轴承受力分析

全断面岩石掘进机刀盘轴承是全断面岩石掘进机的关键核心部件之一,其受力分析是全断面岩石掘进机刀盘轴承研制的理论基础.通过对全断面岩石掘进机刀盘轴承的典型结构与布置的分析,建立了全断面岩石掘进机刀盘轴承的受力模型;以给出的推力传递系数为基础,分析了刀盘刀具破岩力、刀盘推力和刀盘组件重力(包括轴承内圈)等对刀盘轴承的作用.结合某隧洞工程地质特点,将此理论应用于其全断面岩石掘进机刀盘轴承的失效研究,所得结论与实际情况基本吻合,从而验证了所建刀盘轴承受力模型的正确性.