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盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究

作　者: 滕韬
导　师: 杨务滋；夏毅敏
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 盾构掘进机刀盘驱动液压系统 AMESim仿真负载冲击蓄能器
分类号: U455.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备,其刀盘驱动系统具有大惯性、大功率和变负载的特点,而近来迅速发展起来的电液控制技术在继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体,成为盾构机驱动方式的发展趋势。论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出发,针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象,分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题,探讨了一种具有更高可靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统,重点研究了系统的动态特性及其冲击适应性,主文主要研究内容如下：1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究现状。分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点,对变频电机驱动和液压驱动两种方式进行了对比。2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性,分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型,论述了盾构扭矩的构成情况及计算方法。重点研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。通过盾构刀具切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合,验证和分析了盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因。3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式,研究了现有盾构刀盘驱动液压系统的优缺点,针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变化的变量泵-变量马达容积控制驱动回路,并采用比例阀控蓄能器来控制负载的动态冲击。4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型,从系统动态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影响,揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法,在蓄能器模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。5.在已建立的数学模型的理论基础上,利用AMESim图形化仿真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型,对所构建系统的动态特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。研究结果表明,采用比例阀控蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统可以能够很好地吸收负载冲击,有效避免溢流损失,并回收部分冲击能量,具有较好的节能性和可靠性。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 盾构施工法及盾构机概述  10-14
    1.2.1 盾构施工法概述  10-12
    1.2.2 盾构机概述  12-14
  1.3 盾构机的发展研究现状  14-17
    1.3.1 盾构机的国外发展历史和现状  14-15
    1.3.2 盾构机的国内发展历史和现状  15-17
  1.4 盾构刀盘驱动方式概述  17-22
    1.4.1 现有驱动方式分析  17-20
    1.4.2 盾构刀盘驱动液压系统发展方向  20-22
  1.5 本文主要研究内容  22-23
第二章盾构刀盘负载特性分析及实验研究  23-52
  2.1 岩土特性概述  23-27
    2.1.1 岩石特性概述  23-25
    2.1.2 土壤特性概述  25-27
  2.2 盾构刀盘的切削机理及负载构成  27-39
    2.2.1 滚刀与切刀切削原理  27-35
    2.2.2 刀盘负载扭矩构成  35-38
    2.2.3 盾构刀盘切削负载与驱动液压系统耦合关系  38-39
  2.3 刀盘负载冲击的原因和影响  39-44
    2.3.1 刀盘负载冲击的原因  39-42
    2.3.2 刀盘负载冲击的影响  42-44
  2.4 盾构刀具及刀盘动态切削冲击特性实验研究  44-50
    2.4.1 盾构刀具切削实验目的  44-45
    2.4.2 盾构刀具实验设备与试样制备  45-46
    2.4.3 盾构刀具实验结果及分析  46-48
    2.4.4 盾构刀盘切削负载冲击施工现场测试  48-50
  2.5 本章小结  50-52
第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计  52-63
  3.1 盾构刀盘回转驱动结构概述  52-54
    3.1.1 刀盘的支承方式  52-53
    3.1.2 刀盘的驱动结构  53-54
  3.2 刀盘回转驱动液压系统设计思路  54-58
    3.2.1 现有的回转驱动液压系统方案的分析  54-57
    3.2.2 刀盘回转驱动液压系统设计思路  57-58
  3.3 盾构刀盘回转驱动液压系统原理设计  58-62
  3.4 本章小结  62-63
第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析  63-78
  4.1 盾构刀盘驱动液压系统模型  63-68
    4.1.1 变量泵-定量马达系统  63-65
    4.1.2 变量泵-变量马达系统  65-67
    4.1.3 主要性能参数分析  67-68
  4.2 液压冲击现象的物理过程与峰值计算  68-72
    4.2.1 液压管道中液压冲击现象的物理过程  68-69
    4.2.2 液压冲击最大压力升高值的计算  69-70
    4.2.3 液压冲击波的传播速度  70-72
  4.3 盾构刀盘驱动液压系统中蓄能器与数学模型  72-76
    4.3.1 吸收压力脉动的蓄能器  72-75
    4.3.2 吸收压力冲击的蓄能器模型  75-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章基于AMESim的盾构刀盘回转驱动液压系统仿真研究  78-99
  5.1 AMESim图形化仿真软件简介  78-79
  5.2 系统仿真模型的建立与参数设置  79-82
  5.3 实际负载下盾构刀盘回转驱动液压系统仿真对比  82-85
  5.4 系统动态性能及其压力适应性仿真  85-97
    5.4.1 液压系统动态特性仿真  85-89
    5.4.2 系统对于压力冲击适应性  89-95
    5.4.3 系统的节能性研究  95-97
  5.5 本章小结  97-99
第六章总结与展望  99-101
  6.1 总结  99-100
  6.2 展望  100-101
参考文献  101-106
致谢  106-107
攻读学位期间主要研究成果  107

盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究

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