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盾构管片拼装机的设计及动态性能研究

崔国华  
【摘要】: 本文从工程需求、功能要求及机构学原理出发,建立了管片拼装机的选型原则,提出构建位置与姿态解耦的串-并混联构型管片拼装机的机型方案;运用基于李群及微分流形理论的运动综合法,综合出姿态微调机构的基本构型,进而完成六自由度混联构型管片拼装机的概念设计。为尽量避免奇异性并增强整机的稳定性及承载能力,提出在3-SPS-1-S型姿态机构基础上,基于构型衍生法构建4-SPS-1-S型冗余驱动机构,作为管片拼装机的微调姿态机构。运用机器人学、机构学相关理论,建立管片拼装机的运动学与动力学模型,分别引入Jacobian矩阵条件数与可操纵度两种运动学性能评价指标、承载能力和驱动性能两种动力学性能评价指标,对管片拼装机的冗余驱动姿态机构进行了动态性能评价。结合盾构管片拼装机的机构设计,研究在机构构型已定的情况下,引入Jacobian矩阵条件数与最大承载力性能的全域性能指标,根据工程可实现性构造相关约束条件,建立姿态机构的多目标优化设计模型;基于改进蚁群算法确定了尺度参数的最优值,在上述工作基础上完成混联构型管片拼装机的样机设计。针对含恰约束链的4-SPS-1-S型姿态机构,提出一种综合考虑机构驱动及传动部件弹性,并考虑约束链弹性的并联机构末端刚度快速预估方法,对该姿态机构进行了刚度特性评价;并在结构设计阶段,借助Ansys参数化设计语言,提出一种并联构型装备有限元快速建模策略与实施办法。为校验盾构管片拼装机设计理论与实际的吻合性,以及是否达到设计时所规定的技术经济指标,对管片拼装机的性能参数进行试验测试分析。 本文系统研究了可实现六自由度的混联构型管片拼装机的概念设计、构型综合、运动性能分析、动力性能分析及刚度分析等关键技术,为管片拼装机的设计提供一套较为完整的构型综合、性能分析和样机设计的方法。


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