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硕士学位论文
盾构机刀盘设计参数的适应性研究
姓名:黄丙庆
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:郭伟
近年来,随着科学与技术的不断发展,人们对空间需求已经从地上逐步发展
到地下,开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。而刀盘设计是全断面
隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。特别是刀盘开口率需
根据地质条件和施工要求进行适应性设计,属复杂工程系统设计问题。掌握刀盘
适应性设计关键技术,提高自主创新设计与制造能力,具有重要的战略意义。
基于上述工程背景,在国家重点基础研究发展计划项目项目的资助
下,本文首先研究了影响刀盘设计的关键因素,改性土的流体力学参数和本构模
型,构建了刀盘适应性研究的四联体模型,进行了刀盘开口率的适应性计算和分
析。刀盘参数的适应性设计内容较广,本文仅研究了其中部分内容,主要内容包
.综合分析了砂土和粘性土的物理、力学模型,并对改性土的本构模型及
参数进行了分析比较,选取用于改性土数值计算的本构模型。
.研究了非牛顿流场的分析方法,采用计算流体力学的基本原理,对改性
土在刀盘、泥土舱及螺旋输送机内部的流场进行了分析和研究。
.研究了基于流变特性的刀盘设计分析模型,构建了刀盘设计的
四联体计算模型,给出了刀盘开口率的优化方法,借助施工现场监测,验证了四
联体计算分析模型的正确性与可行性。
.基于四联体计算模型,运用二维和三维的全流场数值模拟法,分析了刀
盘旋转和重力与界面压力和速度场的作用关系。
.研究了前处理建模软件的命令,提出参数化建模的方法,
并建立了土压平衡式盾构机刀盘的参数化模型。
.建立了刀盘刀具的力
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EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统的研究
作&&&&者：
来&&&&源： 南京理工大学
摘&&&&要： 本文研究了基于南京地铁3号线D3-TA12标段使用的土压平衡盾构机的刀盘结构以及刀盘液压驱动系统。作为盾构机核心部件之一,刀盘结构型式复杂,需因地制宜结合具体施工地质情况具体设计与分析。刀盘液压驱动系统功率大、系统负载波动频繁,本文从实际出发,设计与分析了一种可靠性高、节能效果好的刀盘驱动系统,并结合AMESim软件对其性能进行详细分析。
首先,分析影响刀盘扭矩的各种因素,确定刀盘扭矩的形成机理及构成,建立刀盘扭矩的力学数学模型,结合实际工程参数,计算出各组成扭矩数值,通过实际工程测量,验证该扭矩理论模型的正确性。
其次,研究复合型土压平衡盾构刀盘刀具布置方式,利用SolidWorks三维建模软件建立刀盘实体模型,在ANSYS中创建刀盘有限元模型,对刀盘在正常运行及静启动脱困工况时的受力进行分析,得出各工况下刀盘上应力和应变分布,通过分析找出应力集中部位,以此为后续盾构刀盘的设计制造提供相关的改进参考。
再次,基于施工要求设计了Φ6.4m土压平衡盾构刀盘液压驱动系统,分析其结构组成和工作原理,对液压系统变量泵变量马达回路、补油回路、功率控制回路进行设计与研究,并对刀盘液压驱动系统的压力、流量以及刀盘转速等参数进行计算,为后续仿真打下基础。
最后,在AMESim仿真软件中搭建刀盘驱动的液压系统模型,设定工程参数,研究了驱动系统的调速特性、怠速运转系统响应、模拟马达受损情况以及系统对冲击的动态响应等,通过对系统添加蓄能器改善系统压力以及刀盘转速工作性能。
通过对盾构刀盘结构设计以及液压驱动系统的仿真研究,得出南京地铁3号线所使用的盾构刀盘结构设计的合理性以及所设计液压驱动系统的动态响应性能,推动国产盾构刀盘结构设计及驱动相关技术的发展。
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摘要3-4? Abstract4-8? 1 绪论8-16?
1.1 引言8?
1.2 EPB盾构机工作原理及国内外发展现状8-11?
1.2.1 EPB盾构机工作原理8?
1.2.2 盾构机国内外发展现状8-11?
1.3 盾构机刀盘结构以及刀具布置技术研究现状11-12?
1.4 盾构机刀盘液压驱动以及控制技术研究现状12-14?
1.5 课题研究目的及意义14?
1.6 本文主要研究内容14-16? 2 EPB盾构刀盘扭矩理论数学模型及工程验证16-31?
2.1 EPB盾构机刀盘扭矩影响因素16-19?
2.1.1 施工地段地质情况与盾构埋深16-17?
2.1.2 刀盘结构及尺寸因素17-18?
2.1.3 刀具结构及其布置形式18?
2.1.4 刀盘切刀切入深度18?
2.1.5 土壤改良剂的作用18-19?
2.2 EPB盾构刀盘扭矩理论计算模型的研究19-27?
2.2.1 盾构刀盘扭矩计算经验公式19-20?
2.2.2 盾构刀盘扭矩组成及理论分析20-27?
2.3 EPB盾构刀盘扭矩计算与验证27-30?
2.3.1 南京地铁3号线D3-TA12标段地质情况分析27-28?
2.3.2 南京地铁3号线D3-TA12标段刀盘扭矩计算与验证28-30?
2.4 本章小结30-31? 3 EPB盾构刀盘设计31-50?
3.1 EPB盾构刀盘结构设计31?
3.2 EPB盾构刀具布置31-36?
3.2.1 EPB盾构主要配置刀具31-34?
3.2.2 刀具布置原则34-35?
3.2.3 刀具布局设计35-36?
3.3 刀盘结构有限元分析36-49?
3.3.1 有限元理论分析过程36-37?
3.3.2 ANSYS介绍37?
3.3.3 刀盘工况分析37-38?
3.3.4 建立刀盘模型38-40?
3.3.5 添加约束和载荷40-43?
3.3.6 各工况计算结果分析43-49?
3.4 本章小结49-50? 4 EPB盾构刀盘液压驱动系统研究50-63?
4.1 刀盘液压驱动系统设计要求50-51?
4.2 EPB刀盘液压驱动系统的功能模块设计51-58?
4.2.1 变量泵模块52-55?
4.2.2 变量马达模块55?
4.2.3 控制回路55-58?
4.2.4 补油回路58?
4.3 刀盘液压驱动系统主要参数计算58-62?
4.3.1 刀盘驱动系统压力计算58-59?
4.3.2 刀盘驱动系统流量以及刀盘转速计算59?
4.3.3 恒功率控制参数计算59-62?
4.4 本章小结62-63? 5 基于AMESim的EPB盾构刀盘液压驱动系统仿真研究63-77?
5.1 AMESim软件介绍63?
5.2 基于AMESim刀盘液压驱动系统建模与参数设置63-66?
5.3 刀盘液压驱动系统动态特性仿真66-70?
5.3.1 刀盘调速性能66-68?
5.3.2 盾构怠速运转68-69?
5.3.3 变量马达故障不同步69-70?
5.4 液压驱动系统对压力冲击适应性70-76?
5.4.1 马达与泵内外泄漏对系统压力稳定性影响70-73?
5.4.2 蓄能器对扰动冲击压力的吸收73-74?
5.4.3 蓄能器预充压力对吸收冲击的能力的影响74-75?
5.4.4 蓄能器开口对吸收冲击的影响75-76?
5.5 本章小结76-77? 6 结论与展望77-79?
6.1 论文总结77?
6.2 工作展望77-79? 致谢79-80? 参考文献80-84? 附录84
中国学术期刊网络出版总库[1] 赵金汉;;安徽建筑;2005年01期[2] 钱七虎,李朝甫,傅德明;;地下空间;2002年01期[3] 韦良文;张庆贺;邓忠义;;;地下空间与工程学报;2007年01期[4] 张乃涓;;地下工程与隧道;2003年04期[5] 白杉,周洁;;工程机械;2004年05期[6] 施虎;龚国芳;杨华勇;苏健行;;;工程机械;2008年07期[7] 施虎;周如林;张瑞临;邓立营;;;工程机械;2009年06期[8] 何峰;李小岗;孙善辉;;;中国工程科学;2010年12期[9] 梅向阳;普红平;;;工业安全与环保;2006年10期[10] 张占普;杜文华;朱长清;彭会霄;;;河北冶金;2011年10期
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独创性声明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及
取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，
论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得
武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一
同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说
明并表示了谢意。
签名：刍≥办――一日期：皇盟L么立――一
学位论文使用授权书
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，
允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的
全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制
手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有
关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息
保密的论文在解密后应遵守此规定
研究生 ㈣：孙靳 ㈣：柱嗽喊砧年“岁日
近些年来，随着科学技术的发展和社会的不断进步，我国的城镇化进程进一
步加快，人们对空间的需求愈来愈大 特别是城市 ，地面空间已经不能满足人
们的需求，人们对地下空间的开发和利用逐渐增加。随着地铁和地下排水系统
的广泛应用，盾构机的使用也逐渐增多，盾构机在我国的使用量以每年30％速
度在增长。然而盾构机的掘进工况非常复杂，在掘进过程中，盾构机会遇到不
同的地质条件，从而导致刀盘的受
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