本文關(guān)鍵詞：單對水平支撐TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)是集開挖、支護(hù)、出碴、襯砌、測量為一體,專用于巖層地質(zhì)的大型隧道施工裝備,它主要由刀盤系統(tǒng)、支撐推進(jìn)系統(tǒng)、尾支撐系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)及輔助設(shè)備等組成。TBM的支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)為整機(jī)提供足夠的掘進(jìn)支撐反力、并推動刀盤向前頂進(jìn),是TBM掘進(jìn)過程的核心機(jī)構(gòu)之一。但現(xiàn)有的TBM撐靴支撐力的控制基本采用人工調(diào)整的辦法,撐靴接地比壓被設(shè)定為常值,忽略了支撐與推進(jìn)系統(tǒng)間之間的耦合特性,也較少考慮圍巖特性對TBM接地比壓的影響,將可能造成撐靴撐破側(cè)壁圍巖或打滑等事故,進(jìn)而影響施工進(jìn)度,增耗人力物力。為防止上述事故的發(fā)生,故有必要結(jié)合撐靴側(cè)壁圍巖特性,開展TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性研究。本文設(shè)計(jì)了TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)控制液壓系統(tǒng),提出了支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的描述及要求,分析了撐靴支撐機(jī)構(gòu)與推進(jìn)機(jī)構(gòu)及外載間的力學(xué)關(guān)系,推導(dǎo)了撐靴接地比壓理論計(jì)算公式,并運(yùn)用動力學(xué)仿真軟件驗(yàn)證了其有效性。針對TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的撐靴側(cè)壁圍巖受壓最小和受壓波動最小兩個(gè)目標(biāo),分別提出了撐靴缸壓力跟蹤推進(jìn)缸壓力及位移控制策略和基于PNN巖層識別的接地比壓適應(yīng)地質(zhì)控制策略,并通過仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。本文的主要研究內(nèi)容如下：第一章介紹了TBM的分類和國內(nèi)外TBM技術(shù)發(fā)展的概況,同時(shí)說明了本文研究對象特指單對水平支撐TBM。然后根據(jù)本論文研究內(nèi)容闡述了掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)受力分析、撐靴支撐系統(tǒng)和機(jī)械裝備的協(xié)調(diào)性等方面的研究現(xiàn)狀,并分析了已有研究的不足。最后介紹了本論文的研究內(nèi)容及意義。第二章說明了支撐推進(jìn)換步的工作原理,然后是對TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析,得到了關(guān)于推進(jìn)缸推力及位移、刀盤轉(zhuǎn)矩和側(cè)壁圍巖等效摩擦系數(shù)的撐靴空間受力算式,進(jìn)而推導(dǎo)了撐靴接地比壓理論計(jì)算公式。最后初步分析了在不同工況下的撐靴圍巖受力情況,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)的調(diào)向側(cè)圍巖受力大于直行時(shí)的受力,而轉(zhuǎn)向時(shí)的非調(diào)向側(cè)則小于直行時(shí)的受力,這可為TBM在調(diào)向工況下的撐靴撐緊力調(diào)整提供依據(jù)。第三章提出了TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的描述及控制目標(biāo),由此設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的支撐推進(jìn)液壓系統(tǒng),然后依據(jù)撐靴側(cè)壁圍巖受壓最小和受壓波動最小兩個(gè)支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)目標(biāo),分別提出了由推進(jìn)缸壓力及位移控制撐靴缸壓力的策略和基于PNN巖層識別的接地比壓適應(yīng)地質(zhì)控制策略。最后對新的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。第四章搭建了TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真模型,并進(jìn)行仿真計(jì)算,對比理論計(jì)算結(jié)果,可知單個(gè)推進(jìn)行程中撐靴接地比壓最大相對誤差僅1.90%,故而所推導(dǎo)的理論公式可視作有效。結(jié)合撐靴撐緊力與撐靴接地比壓理論計(jì)算公式,以實(shí)際工程的掘進(jìn)參數(shù)作為輸入,基于撐靴圍巖受壓最小的協(xié)調(diào)控制策略和基于PNN巖層識別的圍巖受壓波動最小控制策略分別進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,撐靴缸壓力可跟隨推進(jìn)缸壓力及推進(jìn)位移的變化,最大相對誤差僅為1.18%,此時(shí)圍巖受壓達(dá)到理論最�。灰跃蜻M(jìn)參數(shù)作為輸入的PNN識別模型可以正確地識別所掘進(jìn)的巖層類型,控制輸出的接地比壓可以穩(wěn)定控制在所識別巖層對應(yīng)的安全接地比壓值附近,最大波動率僅為0.7%,即在能提供足夠大的推進(jìn)支撐反力的前提下,達(dá)到了撐靴側(cè)壁圍巖受壓波動最小的目標(biāo)。第五章介紹了縮尺TBM支撐推進(jìn)換步試驗(yàn)臺的整體設(shè)計(jì)。主要是設(shè)計(jì)并校核了試驗(yàn)臺樣機(jī)及模擬負(fù)載裝置部分的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu),最后針對試驗(yàn)臺功能要求,完成了其監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及選型,包括試驗(yàn)臺支撐推進(jìn)系統(tǒng)PLC控制設(shè)計(jì),監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面的開發(fā)等。第六章,對本論文的工作進(jìn)行了總結(jié),并對下一步的工作進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：單對水平支撐TBM 支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu) 圍巖 接地比壓 協(xié)調(diào)控制 力學(xué)分析 PNN巖層識別 AMESim仿真
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U455.3
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 緒論14-26
• 1.1 TBM技術(shù)概況及國內(nèi)外發(fā)展歷史與現(xiàn)狀14-19
• 1.1.1 TBM的分類14-16
• 1.1.2 單對水平支撐TBM16
• 1.1.3 國外TBM技術(shù)發(fā)展概況16-17
• 1.1.4 國內(nèi)TBM技術(shù)發(fā)展概況17-19
• 1.2 TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性研究現(xiàn)狀19-23
• 1.2.1 支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析現(xiàn)狀19-20
• 1.2.2 撐靴支撐系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.3 掘進(jìn)協(xié)調(diào)性研究現(xiàn)狀22
• 1.2.4 已有研究成果的不足22-23
• 1.3 課題研究意義及內(nèi)容23-25
• 1.3.1 課題研究意義23-24
• 1.3.2 課題研究內(nèi)容24-25
• 1.4 本章小結(jié)25-26
• 2 TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)力學(xué)分析26-41
• 2.1 TBM支撐推進(jìn)換步工作原理26-27
• 2.2 TBM支撐與推進(jìn)的力學(xué)關(guān)系分析27-34
• 2.2.1 支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析27-29
• 2.2.2 支撐與推進(jìn)力學(xué)關(guān)系分析29-32
• 2.2.3 機(jī)構(gòu)外載分析及計(jì)算32-34
• 2.3 TBM接地比壓分析34-35
• 2.4 不同工況下?lián)窝鷰r受力分析35-40
• 2.4.1 撐靴圍巖動態(tài)接觸有限元模型36
• 2.4.2 調(diào)向工況撐靴支撐受力修正36-37
• 2.4.3 各工況仿真參數(shù)37-38
• 2.4.4 各工況仿真結(jié)果分析38-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 3 TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)41-55
• 3.1 支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性描述41-43
• 3.1.1 側(cè)壁圍巖受壓最小41-42
• 3.1.2 側(cè)壁圍巖受壓波動最小42-43
• 3.2 支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)43-47
• 3.2.1 新型電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)43-44
• 3.2.2 圍巖受壓最小的控制策略44-45
• 3.2.3 基于PNN巖層識別的圍巖受壓波動最小控制策略45-47
• 3.2.3.1. PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)45-46
• 3.2.3.2. 控制策略設(shè)計(jì)46-47
• 3.3 支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)電液控制系統(tǒng)理論建模47-53
• 3.4 本章小結(jié)53-55
• 4 理論計(jì)算與仿真分析55-75
• 4.1 TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)力學(xué)仿真55-62
• 4.1.1 支撐力理論計(jì)算55-56
• 4.1.2 支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)數(shù)字模型的建立56-57
• 4.1.3 支撐推進(jìn)仿真計(jì)算分析57-60
• 4.1.4 基于實(shí)際樣機(jī)的支撐推進(jìn)力關(guān)系研究60-62
• 4.2 TBM撐靴缸及推進(jìn)缸協(xié)調(diào)控制仿真62-69
• 4.2.1 撐靴缸壓力理論設(shè)定值計(jì)算62-63
• 4.2.2 建立電液控制系仿真模型63-65
• 4.2.3 理論協(xié)調(diào)仿真結(jié)果65-67
• 4.2.4 基于實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)的協(xié)調(diào)仿真結(jié)果67-69
• 4.3 基于PNN巖層識別的接地比壓控制仿真69-74
• 4.3.1 地層識別模型建立及計(jì)算69-70
• 4.3.2 地層識別結(jié)果70-71
• 4.3.3 安全接地比壓推理計(jì)算71-72
• 4.3.4 最小圍巖受壓波動控制仿真結(jié)果72-74
• 4.4 本章小結(jié)74-75
• 5 TBM支撐推進(jìn)換步試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)75-93
• 5.1 試驗(yàn)臺整體設(shè)計(jì)75
• 5.2 試驗(yàn)臺關(guān)鍵零部件選型及校核75-81
• 5.2.1 關(guān)鍵零部件選型76-78
• 5.2.2 關(guān)鍵零部件校核78-81
• 5.3 試驗(yàn)臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)81-92
• 5.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求81-82
• 5.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)82-83
• 5.3.3 電機(jī)驅(qū)動線路設(shè)計(jì)83-84
• 5.3.4 監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制設(shè)計(jì)84-91
• 5.3.5 監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)91-92
• 5.4 本章小結(jié)92-93
• 6 結(jié)論與展望93-96
• 6.1 論文總結(jié)93-94
• 6.2 工作展望94-96
• 參考文獻(xiàn)96-102
• 作者簡歷及在學(xué)期間取得的科研成果102-103

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本文編號：456384