单对水平支撑TBM支撑推进协调性研究

发布时间：2017-06-16 21:00

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【摘要】：硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是集开挖、支护、出碴、衬砌、测量为一体,专用于岩层地质的大型隧道施工装备,它主要由刀盘系统、支撑推进系统、尾支撑系统、后配套系统及辅助设备等组成。TBM的支撑推进机构负责为整机提供足够的掘进支撑反力、并推动刀盘向前顶进,是TBM掘进过程的核心机构之一。但现有的TBM撑靴支撑力的控制基本采用人工调整的办法,撑靴接地比压被设定为常值,忽略了支撑与推进系统间之间的耦合特性,也较少考虑围岩特性对TBM接地比压的影响,将可能造成撑靴撑破侧壁围岩或打滑等事故,进而影响施工进度,增耗人力物力。为防止上述事故的发生,故有必要结合撑靴侧壁围岩特性,开展TBM支撑推进协调性研究。本文设计了TBM支撑推进协调控制液压系统,提出了支撑推进协调性的描述及要求,分析了撑靴支撑机构与推进机构及外载间的力学关系,推导了撑靴接地比压理论计算公式,并运用动力学仿真软件验证了其有效性。针对TBM支撑推进协调性的撑靴侧壁围岩受压最小和受压波动最小两个目标,分别提出了撑靴缸压力跟踪推进缸压力及位移控制策略和基于PNN岩层识别的接地比压适应地质控制策略,并通过仿真计算进行验证。本文的主要研究内容如下：第一章介绍了TBM的分类和国内外TBM技术发展的概况,同时说明了本文研究对象特指单对水平支撑TBM。然后根据本论文研究内容阐述了掘进装备的关键机构受力分析、撑靴支撑系统和机械装备的协调性等方面的研究现状,并分析了已有研究的不足。最后介绍了本论文的研究内容及意义。第二章说明了支撑推进换步的工作原理,然后是对TBM支撑推进机构进行了力学分析,得到了关于推进缸推力及位移、刀盘转矩和侧壁围岩等效摩擦系数的撑靴空间受力算式,进而推导了撑靴接地比压理论计算公式。最后初步分析了在不同工况下的撑靴围岩受力情况,发现转向时的调向侧围岩受力大于直行时的受力,而转向时的非调向侧则小于直行时的受力,这可为TBM在调向工况下的撑靴撑紧力调整提供依据。第三章提出了TBM支撑推进协调性的描述及控制目标,由此设计了可以实现协调控制的支撑推进液压系统,然后依据撑靴侧壁围岩受压最小和受压波动最小两个支撑推进协调目标,分别提出了由推进缸压力及位移控制撑靴缸压力的策略和基于PNN岩层识别的接地比压适应地质控制策略。最后对新的电液控制系统进行数学建模。第四章搭建了TBM支撑推进机构的动力学仿真模型,并进行仿真计算,对比理论计算结果,可知单个推进行程中撑靴接地比压最大相对误差仅1.90%,故而所推导的理论公式可视作有效。结合撑靴撑紧力与撑靴接地比压理论计算公式,以实际工程的掘进参数作为输入,基于撑靴围岩受压最小的协调控制策略和基于PNN岩层识别的围岩受压波动最小控制策略分别进行仿真分析,结果表明,撑靴缸压力可跟随推进缸压力及推进位移的变化,最大相对误差仅为1.18%,此时围岩受压达到理论最小；以掘进参数作为输入的PNN识别模型可以正确地识别所掘进的岩层类型,控制输出的接地比压可以稳定控制在所识别岩层对应的安全接地比压值附近,最大波动率仅为0.7%,即在能提供足够大的推进支撑反力的前提下,达到了撑靴侧壁围岩受压波动最小的目标。第五章介绍了缩尺TBM支撑推进换步试验台的整体设计。主要是设计并校核了试验台样机及模拟负载装置部分的关键机械结构,最后针对试验台功能要求,完成了其监控系统的软硬件设计及选型,包括试验台支撑推进系统PLC控制设计,监控系统人机界面的开发等。第六章,对本论文的工作进行了总结,并对下一步的工作进行了展望。
【关键词】：单对水平支撑TBM 支撑推进机构 围岩 接地比压 协调控制 力学分析 PNN岩层识别 AMESim仿真
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-26
• 1.1 TBM技术概况及国内外发展历史与现状14-19
• 1.1.1 TBM的分类14-16
• 1.1.2 单对水平支撑TBM16
• 1.1.3 国外TBM技术发展概况16-17
• 1.1.4 国内TBM技术发展概况17-19
• 1.2 TBM支撑推进协调性研究现状19-23
• 1.2.1 支撑推进机构受力分析现状19-20
• 1.2.2 撑靴支撑系统研究现状20-22
• 1.2.3 掘进协调性研究现状22
• 1.2.4 已有研究成果的不足22-23
• 1.3 课题研究意义及内容23-25
• 1.3.1 课题研究意义23-24
• 1.3.2 课题研究内容24-25
• 1.4 本章小结25-26
• 2 TBM支撑推进机构力学分析26-41
• 2.1 TBM支撑推进换步工作原理26-27
• 2.2 TBM支撑与推进的力学关系分析27-34
• 2.2.1 支撑推进机构受力分析27-29
• 2.2.2 支撑与推进力学关系分析29-32
• 2.2.3 机构外载分析及计算32-34
• 2.3 TBM接地比压分析34-35
• 2.4 不同工况下撑靴围岩受力分析35-40
• 2.4.1 撑靴围岩动态接触有限元模型36
• 2.4.2 调向工况撑靴支撑受力修正36-37
• 2.4.3 各工况仿真参数37-38
• 2.4.4 各工况仿真结果分析38-40
• 2.5 本章小结40-41
• 3 TBM支撑推进协调控制设计41-55
• 3.1 支撑推进协调性描述41-43
• 3.1.1 侧壁围岩受压最小41-42
• 3.1.2 侧壁围岩受压波动最小42-43
• 3.2 支撑推进协调控制设计43-47
• 3.2.1 新型电液控制系统设计43-44
• 3.2.2 围岩受压最小的控制策略44-45
• 3.2.3 基于PNN岩层识别的围岩受压波动最小控制策略45-47
• 3.2.3.1. PNN神经网络45-46
• 3.2.3.2. 控制策略设计46-47
• 3.3 支撑推进协调电液控制系统理论建模47-53
• 3.4 本章小结53-55
• 4 理论计算与仿真分析55-75
• 4.1 TBM支撑推进机构力学仿真55-62
• 4.1.1 支撑力理论计算55-56
• 4.1.2 支撑推进机构数字模型的建立56-57
• 4.1.3 支撑推进仿真计算分析57-60
• 4.1.4 基于实际样机的支撑推进力关系研究60-62
• 4.2 TBM撑靴缸及推进缸协调控制仿真62-69
• 4.2.1 撑靴缸压力理论设定值计算62-63
• 4.2.2 建立电液控制系仿真模型63-65
• 4.2.3 理论协调仿真结果65-67
• 4.2.4 基于实际掘进参数的协调仿真结果67-69
• 4.3 基于PNN岩层识别的接地比压控制仿真69-74
• 4.3.1 地层识别模型建立及计算69-70
• 4.3.2 地层识别结果70-71
• 4.3.3 安全接地比压推理计算71-72
• 4.3.4 最小围岩受压波动控制仿真结果72-74
• 4.4 本章小结74-75
• 5 TBM支撑推进换步试验台设计75-93
• 5.1 试验台整体设计75
• 5.2 试验台关键零部件选型及校核75-81
• 5.2.1 关键零部件选型76-78
• 5.2.2 关键零部件校核78-81
• 5.3 试验台监控系统设计81-92
• 5.3.1 监控系统的功能要求81-82
• 5.3.2 监控系统硬件设计82-83
• 5.3.3 电机驱动线路设计83-84
• 5.3.4 监控系统PLC控制设计84-91
• 5.3.5 监控系统人机界面设计91-92
• 5.4 本章小结92-93
• 6 结论与展望93-96
• 6.1 论文总结93-94
• 6.2 工作展望94-96
• 参考文献96-102
• 作者简历及在学期间取得的科研成果102-103

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