盾构刀盘液压驱动系统调速同步复合控制研究

发布时间：2020-06-23 10:40

【摘要】：随着我国地铁隧道建设需求的不断扩大,盾构技术发挥着越来越重要的作用。液压驱动相比于电机驱动具有结构简单、操作方便、易于自动控制和承载能力强等特点,常作为盾构刀盘驱动方式。因盾构机实际工作时地质环境恶劣、负载多变,目前液压马达仍广泛用作盾构机的动力元件。但由于机械摩擦引起的磨损、零件塑性变形、工作油液污染以及其他液压元件的安装制造误差,会引起的液压马达转速不同步,工作效率降低。本文针对盾构刀盘液压驱动系统中并联液压马达的调速同步问题,以某型盾构机为例,对盾构刀盘的液压驱动复合控制系统进行设计,并对泵控马达的调速、阀控马达的同步控制进行数学建模分析,采用AMESim(液压仿真软件)结合MATLAB软件建立刀盘液压驱动系统恒功率调速同步复合控制联合仿真模型,对PID、模糊PID两种控制方法进行联合仿真对比分析知,对马达的转速同步调节控制,模糊PID控制优于PID控制。本文的主要研究内容分布如下:第一章介绍了截至目前国内外盾构机发展及研究现状,论述了盾构刀盘液压驱动系统的控制技术的特点及发展趋势,最后对本课题研究内容及研究意义加以概述。第二章对盾构刀盘液压驱动系统进行分析,对液压调速控制、同步控制技术的原理及特性进行了分析,电液比例控制技术的特点加以总结。重点研究了液压调速同步复合控制系统设计及系统的工作原理,并绘制了液压复合控制系统原理图,最后对刀盘液压驱动系统关键元器件的主要参数进行计算和选型。第三章根据液压复合控制系统要求,对泵控马达调速系统以及阀控马达同步系统分别进行数学建模。对电控变量泵的内部结构进行剖析,并完成了变量泵控定量马达的数学建模。对单回路阀控马达同步系统的各个环节分别进行研究并建立传递函数,得到阀控马达的闭环控制传递函数模型。第四章在刀盘液压驱动系统原理图的基础上,采用AMESim液压仿真软件建立了刀盘液压驱动系统模型,MATLAB/Simulink软件建立系统控制模型,结合模糊自整定PID控制策略搭建刀盘液压驱动复合控制系统联合仿真模型,验证控制方案的可行性。第五章总结了论文研究的主要工作内容,以及分析并概括了刀盘液压调速同步复合控制系统有待进一步研究与完善的部分。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;U455.39;U231.3
【图文】：

盾构机,盾构

图 1-1 盾构机发展历程图Fig.1-1 The development of shield machine第一代盾构机始于 1825 年采用人力挖掘式矩形盾构在伦敦泰晤士河下挖掘隧道，这种设备结构简单，为人工手动挖掘砂土。施工人员根据地质层的不同，可利用千斤顶作为支撑，然后再开始从正面进行深度挖掘，可有效防止土层突然塌陷。也可在盾构前端采用胸板封闭，这样盾构掘进时，胸板在开口处将土体推送进盾构中，大大提高掘进效率，施工条件得到较大改善。第二代盾构机随着 1876 年世界上首个机械化盾构的问世而开始，，它是由英国人约翰荻克英森布伦敦（John Dickinson Brunton）和姬奥基布伦敦（George Brunton）设计，并且注册了专利。该盾构采用半球形可旋转刀盘，可实现土渣机械输送，最后通过皮带输送机送出。到了 19 世纪八十年代，詹尼斯亨利格瑞海德（Janes Heary Greathead）首次利用空气压力制造气压平衡盾构机，并在伦敦的地下隧道建设中成功实施，为现代盾构技术奠定了基础。第二代盾构机主要以机械挖掘以及气压平衡盾构作为代表。第三代盾构机到 20 世纪中后期出现以泥水平衡式和土压平衡式盾构为代表。1964年，英国人 Mott Hay 和 Anderson 及 John Bartlett 注册了适用于含水量大的砂质土层泥水的加压平衡盾构专利。1967 年，日本三菱公司制造出利用泥水压力稳定开挖面土体，

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1 绪论刀盘液压驱动系统控制研究现状随着工业技术的不断创新，盾构刀盘的液压驱动控制技术愈发趋向成熟，但先进控制技术主要掌握在工业发达的少数国家手中。早在 1994 年，日本专利进机的液压驱动技术”中就解决了多马达驱动存在的冗余干涉问题[23]，其图 1-2 所示。液压回路中，采用泵控容积调速替代阀控节流调速，解决了马成的压力上升问题，成功将压力油转输给其他并联的正常马达。具体实现过个马达故障时，选择阀打开，将该马达支路的油液返送到液压油回路 25，然常马达使用，大大降低了能耗。

【参考文献】