机械机电毕业论文设计盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究.docx
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机械机电毕业论文设计盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究
摘要
集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的
盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用
最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备,其刀盘驱动系统具有大惯
性、大功率和变负载的特点,而近来迅速发展起来的电液控制技术在
继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体,成为
盾构机驱动方式的发展趋势。
论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出
发,针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象,
分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题,探讨了一种具有更高可
靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统,重点研究了系统的动态特性
及其冲击适应性,主文主要研究内容如下:
1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究
现状。
分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点,对变频电机驱动和液
压驱动两种方式进行了对比。
2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性,
分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型,论述了
盾构扭矩的构成情况及计算方法。
重点研究了盾构刀盘在切削过程中
负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。
通过盾构刀具
切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合,验证和分析了盾构掘进
过程中负载的随机性和冲击的产生原因。
3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式,研究了现有盾构刀盘
驱动液压系统的优缺点,针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变
化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路,并采用比例阀控蓄能器来
控制负载的动态冲击。
4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型,从系统动态特性
入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身
的影响,揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法,在蓄能器
模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。
5.在已建立的数学模型的理论基础上,利用A州[ESim图形化仿
真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型,对所构建系统的动态
特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。
研究结果表明,采用比例
阀控蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统可以能够很好地吸收负载
冲击,有效避免溢流损失,并回收部分冲击能量,具有较好的节能性
多中南大学硕士学位论文摘要
和可靠性。
关键词:
盾构掘进机;刀盘驱动液压系统;AMESim仿真;负载冲击;
蓄能器中南大学硕士学位论文ABSTRACT
ABSTRACT
Shieldtunnelingmaehineonwhiehmechanieal,eleetrieal,
information,measurement,场draulieandeontroltechniqueswereapPlied
hasfeaturesofhigheffieieney,quie知ess,highqualityandsafety,whieh
madeitbethemostwidelyusedeons加etionequiPmentinunderground
tunnelingProjectintheworid.Thedrivesystemofitseuttethead15with
thefeaturesoflargeinertia,highPowerandvariableload.Sincethe
eleetro一冲dranliecontroltechniquescloselyintegratedwitheleetronic
teehnology,ithasbeeomethenewtrendofthedrivingmode.Basedon
theactualworkingeonditions,aimingatimPaetloadandeuttethead
deadlocking,theProblemsofexistingdrivingmodewereanalyzed,a
drivingsystemwithhigherreliabilityandhigherenergyeffieieneywas
Putforward,thesystem,5dynamicPerformaneeandimPaetadaptability
weremainlystudied.Themainresearchwork15asfollows:
1.ThedeveloPmenteourseandresearchstatusofshieldteehnology
werereviewed.Theexistingdrivingmodeofcuttetheadwasanalyzed.
、乞riable一frequeneydrivingmodewaseomParedwithhydrauliedriving
mode.
2.FromthePersPeetiveofload,thebasicProPertiesofroekand5011
werediseussed,theeuttingmeehaniealmodelandthePhysical
PhenomenaincuttingProcesswereexPounded.TheeomPositionof
torqueanditsresearchmethodwasdeseribedindetail.TheimPaetload
anditseffectaswellasthereasonofeuttetheaddeadlockingweremainly
studied.BasedontheshieldtoolcuttingeXPerimentandthedata
collectedfromtheshieldsite,theeausesoftheload,5randornnessand
imPactwereverifiedandanalyzed.
3.Shieldeutterdrivesystem,5strueturewasanalyzed.The
advantagesanddisadvantagesofexistingshieldcutterdrivehydraulic
systemhasbeenstudied.Thedesignideasofshielddrivenhydraulic
systemwasProPosedundertheenvironmeniforload.Basedontheload,a
volumemotorcontrolloopofvariablePumP一variablemotorwas
Proposed.ThecombinationofProPortionalvalveandaeeumulatorwas
usedtocontrolthedynamieimPaetloads.
4.Basedonfluidmeehanies,themathematiealmodelofthe
111
知中南大学硕士学位论文ABSTRACT
cutterhead,s勿draulicdrivingsystemwasestablished.St别rtingatsystem
dynamieeharaeteristics,theeffeetsoftheParametersofthesystemonthe
systemitselfunderheavyimPaetloadwerestudied.HydranlicimPactand
theealeulationmethodofitsPeakwereelaborated.Basedonthemodelof
冲draulieaeeumulator,its勿namiceharacteristicswereanalyzed.
5.Basedonthemathematiealmodelestablished,thesimulation
modelofcuttethead’s妙drauliesystemwasbuiltbyuseofthesoftware
AN田Sim.Thedynamieeharacteristicsofthesystemandadaptabilityof
theimPaetwerestudiedbysimulation.Theresultsshowthattheshield
rotaryeutterdrivehydraulicsystemcanabsorbloadimPaetwell,avoid
theoverflow1055effectivelyandreeoverPartoftheimPaetenergyby
usingtheProPortionalvalvetoeontralaceumulator.Ithasbetterenergy
efficiencyandreliability.
KEYWORDSshieldtunnelingmaehine,cuttethead’5hydrauliedriving
system,A侧田Simsimulation,loadimPact,aeeumulator
IV中南大学硕士学位论文目录
摘要........................................................................................................................……I
ABSTRACT..........................................................................................................……111
目录......................................................................................................................……V
第一章绪论...........................................................................................................……1
1.1引言............................................................................................................……1
1.2盾构施工法及盾构机概述........................................................................……2
1.2.1盾构施工法概述.............................................................................……2
1.2.2盾构机概述...........................................................................……,...……4
1.3盾构机的发展研究现状............................................................................……6
1.3.1盾构机的国外发展历史和现状.....................................................……6
1.3.2盾构机的国内发展历史和现状.....................................................……7
1.4盾构刀盘驱动方式概述............................................................................……9
1.4.1现有驱动方式分析.........................................................................……9
1.4.2盾构刀盘驱动液压系统发展方向...............................................……12
1.5本文主要研究内容..................................................................................……14
第二章盾构刀盘负载特性分析及实验研究.....................................................……巧
2.1岩土特性概述..........................................................................................……15
2.1.1岩石特性概述...............................................................................……巧
2.1.2土壤特性概述...............................................................................……17
2.2盾构刀盘的切削机理及负载构成..........................................................……19
2.2.1滚刀与切刀切削原理...................................................................……19
2.2.2刀盘负载扭矩构成.......................................................................……27
2.2.3盾构刀盘切削负载与驱动液压系统祸合关系...........................……30
2.3刀盘负载冲击的原因和影响..................................................................……31
2.3.1刀盘负载冲击的原因...................................................................……31
2.3.2刀盘负载冲击的影响...................................................................……34
2.4盾构刀具及刀盘动态切削冲击特性实验研究......................................……36
2.4.1盾构刀具切削实验目的...............................................................……36
2.4.2盾构刀具实验设备与试样制备...................................................……37
2.4.3盾构刀具实验结果及分析...........................................................……38
2.4.4盾构刀盘切削负载冲击施工现场测试.......................................……40
2.5本章小结..................................................................................................……42
第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计.........................................................……44
3.1盾构刀盘回转驱动结构概述..................................................................……44
3.1.1刀盘的支承方式...........................................................................……44
3.1.2刀盘的驱动结构...........................................................................……45
3.2刀盘回转驱动液压系统设计思路..........................................................……46
3.2.1现有的回转驱动液压系统方案的分析.......................................……46
3.2.2刀盘回转驱动液压系统设计思路...............................................……49
3.3盾构刀盘回转驱动液压系统原理设计..................................................……50
3.4本章小结..................................................................................................……54
厂中南大学硕士学位论文目录
第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析.................……55
4.1盾构刀盘驱动液压系统模型..................................................................……55
4.1.1变量泵一定量马达系统..................................................................……55
4.1.2变量泵一变量马达系统..................................................................……57
4.1.3主要性能参数分析.......................................................................……59
4.2液压冲击现象的物理过程与峰值计算..................................................……60
4.2.1液压管道中液压冲击现象的物理过程.......................................……60
4.2.2液压冲击最大压力升高值的计算...............................................……61
4.2.3液压冲击波的传播速度,..............................................................……62
4.3盾构刀盘驱动液压系统中蓄能器与数学模型......................................……64
4.3.1吸收压力脉动的蓄能器............................……。
............................……64
4.3.2吸收压力冲击的蓄能器模型.......................................................……67
4,4本章小结..................................................................................................……68
第五章基于AMESha的盾构刀盘回转驱动液压系统仿真研究....................……70
5.1AMESim图形化仿真软件简介...............................................................……70
5.2系统仿真模型的建立与参数设置..........................................................……71
5.3实际负载下盾构刀盘回转驱动液压系统仿真对比..............................……74
5.4系统动态性能及其压力适应性仿真......................................................……77
5.4.1液压系统动态特性仿真..........……,..............................................……77
5.4.2系统对于压力冲击适应性...........................................................……81
5.4.3系统的节能性研究.......................................................................……87
5.5本章小结..................................................................................................……89
第六章总结与展望.............................................................................................……91
6.1总结..........................................................................................................……91
6.2展望..........................................................................................................……92
参考文献...............................................................................................................……93
致谢.......................................……,...............................……,...................................……98
攻读学位期间主要研究成果............
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- 机械 机电 毕业论文 设计 盾构 回转 驱动 液压 系统 建模 仿真 研究