【摘要】：預計至2022年,我國地鐵、公路、鐵路等隧道總長度將超過10000公里,隧道掘進機是其重要施工設備。掘進機通過刀盤上的滾刀進行破巖掘進。施工過程中刀具頻繁檢測更換制約掘進機施工效率以及危害換刀人員安全,實現(xiàn)換刀作業(yè)“機器換人”的高效安全作業(yè)模式勢在必行。傳統(tǒng)滾刀緊固件多且離散,并且形狀大小不一,針對此種結構設計自動化換刀執(zhí)行器,換刀動作將非常繁瑣,執(zhí)行器設計難度將非常大。在設計換刀機器人之前,設計一套適用于便于機器操作的一體化刀具系統(tǒng)及其換刀執(zhí)行器是必不可少的工作。針對以上問題,本文主要工作內(nèi)容如下:(1)分析了目前市場上應用的四種傳統(tǒng)滾刀結構的特點,根據(jù)將滾刀、鎖緊塊、螺栓集成的思想提出三種不同結構的一體式刀具系統(tǒng)方案。針對機器換刀操作提出一體式刀具評價的7項性能指標:靜剛度、靜強度、重量、三維尺寸、抽出尺寸、拆卸動作及預緊力。對比分析三種一體式結構方案、傳統(tǒng)刀具方案以及BOUYGUES公司方案的各項指標,得到一種針對機器換刀的最優(yōu)刀具方案。通過3D打印技術加工縮尺方案,針對實物模型再次優(yōu)化其結構,并加工出最終方案的縮尺樣件。(2)在設計完成一體式刀具系統(tǒng)結構基礎上,對其振動條件下,結構的預緊力變化進行了實驗研究,設計了針對刀具結構的振動緊固性實驗。在20小時振動后,振動加速度為3g時,傳統(tǒng)刀具殘余預緊力百分比下降幅度是新型刀具的1.76倍;振動加速度為10g時,傳統(tǒng)刀具殘余預緊力百分比下降幅度是新型刀具的2.69倍,即新型刀具系統(tǒng)在長時間內(nèi)抵抗預緊力下降能力優(yōu)于傳統(tǒng)刀座。(3)針對設計的一體式刀具系統(tǒng)結構,結合TBM空間限制,設計了換刀機器人的末端操作執(zhí)行器。執(zhí)行器結構包括:抓取、螺栓松緊、伸縮和旋轉(zhuǎn)自由度。通過有限元軟件對結構及關鍵零部件進行靜力學校核,執(zhí)行器在惡劣工況下最大變形為1.2738mm,最大應力為103.97Mpa。基于拉格朗日建立了執(zhí)行器的動力學方程,與Adams仿真軟件運動響應進行對比,得到推導的動力學方程求解結果與Adams虛擬仿真結果最大相對誤差0.11%。(4)針對TBM換刀機器人以及執(zhí)行器設計了驗證其功能的縮尺實驗臺。以某型號TBM為縮尺對象,保留換刀時的主要空間限制條件,以單把可調(diào)節(jié)極角、極徑、俯仰角的滾刀刀箱模擬整個換刀范圍的滾刀,設計的實驗臺結構包括極角調(diào)節(jié)、極徑調(diào)節(jié)以及俯仰角調(diào)節(jié)。在搭建完成實驗臺樣機后,對主要設計參數(shù)進行了測量驗證,除整體設計尺寸有所增大外,主要參數(shù)調(diào)節(jié)指標均在設計范圍內(nèi)。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U455.31

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本文編號：2724355