本文選題：TBM + 支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)��； 參考：《天津大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)是鐵路、公路、水利、市政建設(shè)等隧道施工的重大裝備,相對傳統(tǒng)的鉆爆法具有快速、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、安全等優(yōu)點,已成為隧道施工的首選裝備。支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)是TBM實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)的核心傳動機(jī)構(gòu),其性能優(yōu)劣直接決定TBM的掘進(jìn)效率和掘進(jìn)精度。本文緊密結(jié)合國家863課題“大直徑全斷面隧道掘進(jìn)裝備及重大工程機(jī)械裝備研究”和973課題“硬巖掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題”,以一種開敞式TBM的支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)為對象,研究了其動力學(xué)建模及同步控制的相關(guān)問題。論文取得主要研究成果:采用集中參數(shù)模型對TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特性研究。系統(tǒng)分析了支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、液壓缸驅(qū)動方式及工作原理,構(gòu)建了不同工況時機(jī)構(gòu)的等效拓?fù)錁?gòu)型,計算了不同作業(yè)工況機(jī)構(gòu)的自由度,歸納總結(jié)了機(jī)構(gòu)的拓?fù)涮匦�。建立了機(jī)構(gòu)位置正逆解分析模型,揭示出各驅(qū)動油缸位姿參數(shù)與刀盤位姿間的映射規(guī)律。建立機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型,進(jìn)行機(jī)構(gòu)固有特性分析,分析固有頻率隨剛度、質(zhì)量參數(shù)的變化規(guī)律。為今后TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)設(shè)計提供參考。針對鍵合圖法在處理空間問題上的局限性,將AHP分析法應(yīng)用于鍵合圖模型動力學(xué)性能影響因素分析中,簡化模型。以鍵合圖法的基本理論和其建模方法為基礎(chǔ),根據(jù)TBM支撐-推進(jìn)-換步系統(tǒng)掘進(jìn)工況特點建立了其機(jī)液耦合鍵合圖模型,為后面糾偏系統(tǒng)模型建立奠定基礎(chǔ)。將AHP應(yīng)用于動力學(xué)影響因素分析,分析了主機(jī)軸向、徑向及轉(zhuǎn)動三方向運(yùn)動對TBM推進(jìn)系統(tǒng)動力學(xué)特性的貢獻(xiàn)度,分析結(jié)果表明徑向運(yùn)動對系統(tǒng)動力學(xué)特性的貢獻(xiàn)度最大,在系統(tǒng)建模時需要詳細(xì)考慮。針對復(fù)雜地質(zhì)情況下的偏掘直接影響隧道掘進(jìn)精度和效率,對糾偏系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能相關(guān)研究。綜合考慮影響三相電機(jī)、齒輪泵、比例減壓閥、液壓缸等的非線性因素,采用鍵合圖方法建立了TBM推進(jìn)工況糾偏的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。根據(jù)TBM支撐-推進(jìn)-換步機(jī)構(gòu)推進(jìn)工況圍巖環(huán)境不明確等特點,將灰色預(yù)測模型應(yīng)用到傳統(tǒng)PID控制中,提出了一種變步長灰色預(yù)測PID控制算法(SGPID),應(yīng)用于推進(jìn)系統(tǒng)液壓同步中的壓力控制,通過與常規(guī)PID控制算法對比得知,SGPID使支路壓力的可控性、同步精度得到顯著提高。本文提出的機(jī)液耦合動力學(xué)建模方法及同步控制策略的正確性需要實驗的檢驗。根據(jù)實驗臺的設(shè)計任務(wù)和功能要求,確定實驗臺的設(shè)計思路和總體設(shè)計方案。根據(jù)不同工況下TBM真實受力狀態(tài),設(shè)計了實驗臺負(fù)載模擬裝置和圍巖約束模擬裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu),完成了TBM縮比模型和支護(hù)裝置設(shè)計方案。依據(jù)相似理論基本原理建立實驗臺參數(shù)縮比準(zhǔn)則,推導(dǎo)出實驗臺各物理量綱縮比系數(shù),完成了實驗臺基本參數(shù)設(shè)計并進(jìn)行了刀盤驅(qū)動伺服元件的選型和實驗臺液壓驅(qū)動元件參數(shù)設(shè)計。并通過對機(jī)構(gòu)縮比模型的運(yùn)動學(xué)特性和糾偏方案實驗,驗證了模型的正確性和糾偏控制算法的有效性。
[Abstract]:Tunnel Boring Machine (TBM) is a major equipment for tunnel construction such as railway, highway, water conservancy and municipal construction. Relative traditional drilling and explosion method has the advantages of fast, high quality, environmental protection, safety and so on. It has become the first equipment of tunnel construction. Support propelling and stepping mechanism is the core of TBM to realize continuous circulation driving operation. The performance of transmission mechanism directly determines the driving efficiency and driving precision of TBM. This paper closely combines the National 863 subject "large diameter full section tunnel boring equipment and major engineering mechanical equipment research" and the 973 subject "key basic problems of hard rock tunneling equipment", which is based on a kind of open type TBM support propulsion and transfer mechanism. In this paper, the dynamic modeling and the related problems of synchronous control are studied. The main research results are obtained: the kinematic and dynamic characteristics of the TBM support propulsion and transfer mechanism are studied by the centralized parameter model. The topological structure of the support propulsion and transfer mechanism, the driving mode and the working principle of the hydraulic cylinder are systematically analyzed, and the different work is constructed. In the case of the equivalent topology configuration of the mechanism, the degree of freedom of the mechanism in different working conditions is calculated and the topological characteristics of the mechanism are summed up. A positive inverse analysis model of mechanism position is established, and the mapping law between the position and position of the driving oil cylinder and the position of the cutter disk is revealed. The dynamic model of the mechanism is established, the inherent characteristics of the mechanism are analyzed and the analysis is fixed. The variation law of the frequency with the stiffness and the mass parameters can provide reference for the design of the TBM support propulsion and transfer mechanism in the future. In view of the limitations of the bond graph method in dealing with the space problem, the AHP analysis method is applied to the analysis of the dynamic properties of the bond graph model, and the simplified model is used for the basic theory of the bond graph method and its modeling method. Based on the driving condition characteristics of the TBM support propulsion and transfer system, the hydraulic coupling bond graph model is established, which lays the foundation for the establishment of the rear correction system model. The AHP is applied to the analysis of the dynamic factors of the dynamics, and the contribution degree of the three directions of the axial, radial and rotational motion of the host to the dynamic characteristics of the TBM propulsion system is analyzed, and the analysis results are analyzed. It shows that the contribution of radial motion to the dynamic characteristics of the system is the greatest. In the system modeling, it needs to be considered in detail. In the case of complicated geological conditions, the driving precision and efficiency are directly affected and the dynamic performance of the rectifying system is studied. The non line of three phase motor, gear pump, proportional pressure relief valve, hydraulic cylinder and so on is considered. By using the bond graph method, a mathematical model for correcting the deviation of TBM propulsion condition is established, and the state space expression of the system is derived. The grey prediction model is applied to the traditional PID control, and a variable step size grey prediction PID control algorithm (SGP) is proposed. ID), applied to the pressure control in the hydraulic synchronization of the propulsion system, by comparing with the conventional PID control algorithm, it is found that SGPID makes the control of the branch pressure controllable and the synchronization precision is greatly improved. The correctness of the modeling method and the synchronization control strategy proposed in this paper needs to be tested by the experiment. According to the actual stress state of TBM under different working conditions, the mechanical structure of the load simulation device and the surrounding rock restraint simulation device are designed, and the TBM shrinkage model and the supporting device design scheme are completed. According to the basic principle of phase like theory, the parameters shrinkage of the experimental platform is established. In addition, the ratio coefficient of the physical dimension of the experimental platform is derived, the basic parameters of the test bench are designed, the selection of the servo components of the cutter disk drive and the design of the parameters of the hydraulic driving components of the experimental platform are carried out. The correctness of the model and the correction control algorithm are verified by the kinematic characteristics of the mechanism shrinkage model and the experiment of the correction scheme. Efficiency.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP273;U455.3

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本文編號：1930925