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双连杆偏心盾构刀盘系统总体参数优化研究

钱华  
【摘要】: 本论文主要论述的是同济大学与上海市隧道股份有限公司联合承担的上海市城建集团重点项目研究工作。 本文涉及一种新型的盾构掘进机——液压缸驱动双连杆偏心盾构。传统的单轴盾构具有切削功率大、刀具磨损不均匀、轴承较大、不能切削异形断面等缺点,而这种双连杆偏心盾构克服了传统盾构的缺点,大大降低制造成本,减小施工开支,节约能源,给社会带来极大的经济效益。 由于盾构的刀盘驱动及结构形式为盾构研制的关键技术之一,它的性能好坏直接影响到盾构的性能,所以本文主要针对双连杆偏心盾构的刀盘驱动系统进行了详细的研究。论文进行的主要研究工作如下: 1.根据双连杆偏心盾构刀盘的偏心旋转运动模式,运用运动学原理,建立刀盘驱动系统的数学模型;推导了液压缸的运动规律。具体包括液压缸驱动系统的切向力、法向力、流量等与旋转偏转角的关系。旨在为刀盘的结构设计和刀具布置提供理论依据。 2.按经验公式确定切削扭矩的值。并针对刀盘部分主要零部件进行结构设计与分析。具体包括:偏心半径r与盾构外径、刀盘尺寸的关系;驱动轴的数量及支承方式的确定;驱动轴的结构方案选择及布置位置;如何解决四驱动轴超静定问题;刀盘的结构形式及刀具的选择。 3.采用遗传算法进行优化。针对偏心盾构的偏心半径、液压缸的长度和直径对盾构结构优化设计有较大的影响,建立多目标多约束的遗传算法。采用实数进行编码,应用线性加权和法、罚函数方法建立该问题的适应度函数。通过matlab遗传算法工具箱进行计算,得到参数的优化值,以满足设计要求。 4.采用接近开关控制凸轮的形式控制多液压缸的大小工作腔换向配合,使液压缸按照工作要求自动换向,带动刀盘平稳旋转。设计定量泵液压控制系统,并进行液压元件的选择。为克服定量泵系统产生的刀盘转速脉动,对变量泵控制的恒功率系统进行分析,实现刀盘系统恒转速工作的要求。 5.分别针对定量泵控制系统和恒功率控制系统进行分析,详细的推导了两种系统的时域模型,用Matlab软件中Simulink工具箱进行仿真。结果表明,定量泵系统中刀盘转速脉动较大,恒功率系统中刀盘转速可以满足恒定的控制要求。 6.对Φ1.86m双连杆偏心盾构刀盘系统的进行实际设计,并完成加工装配。 7.编制实验软件,在模拟的盾构平台上进行试验,通过压力、转速等传感器的数据,对刀盘驱动的数学模型进行验证。绘制转速、压力曲线图。试验结果和理论分析有一定的误差,分析了产生的原因。


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