盾构刀盘液压驱动与控制系统研究.pdf

浙江大学机械与能源工程学院
博士学位论文
盾构刀盘液压驱动与控制系统研究
姓名:邢彤
申请学位级别:博士
专业:机械电子工程
指导教师:杨华勇;龚国芳
20080401
摘要盾构机技术正在向“大直径、大推力、大扭矩、多样化、无人值守L厣ǖ牡谒代技术发展。刀盘驱动系统是盾构机能耗最大的动力系统,在它的各种驱动方式中,液压驱动方式的功率密度最大,与盾构机大功率和安装空间有限的特点相适应,是应用最广泛的驱动方式,节能化和智能化是刀盘液压驱动技术的主要发展方向。因此,需要从以下三个方面研究新一代盾构刀盘驱动液压系统及其控制方法:第一,研究液压驱动系统的效率,提出效率更高的液压驱动方式;第二,研究刀盘扭矩的准确计算模型以及刀盘扭矩与其它关键施工参数的关系,为盾构刀盘驱动的设计与控制奠定理论计算基础;第三,研究刀盘转速控制与掘进土层的适应问题,提出智能控制方法以便实现刀盘转速的功率自适应,降低刀盘驱动的能耗。,提出了三种新型刀盘液压驱动方式,即闭式泵控回路的多泵组合驱动方式、大闭环控制的变排量泵控容积调速方式与变转速泵控容积调速方式;提出了土压平衡盾构刀盘扭矩的精确计算模型;提出了一种刀盘转速的智能控制方法,这些液压驱动与控制的新方法不同程度地提高了刀盘驱动液压系统的效率。文中,针对四种驱动方式的刀盘驱动液压系统,进行了理论分析、仿真研究和部分试验研究,仿真研究充分利用软件的优势,所建立液压驱动系统仿真模型与实际系统高度相似,尤其是负载模型充分考虑了外部条件的变化,研究内容包括刀盘液压驱动方式的效率、刀盘调速性能、时频域特性、液压系统性能、衡盾构刀盘扭矩的组成,仿真与试验研究了多D馐匝槎芄沟牡杜膛ぞ兀治隽刀盘扭矩及其与刀盘结构和掘进参数之间的关系,明确了刀盘扭矩的地层特征,提出了刀盘扭矩的精确计算模型,在此基础上,提出了基于土层识别和驱动功率效能指数的刀盘转速智能控制方法,初步研究了土层的统计分类方法和智能控制策略。论文中各章的具体内容如下:第一章,综述了盾构掘进机和盾构电液控制技术的国内外发展概况及现状,论述了盾构刀盘驱动技术现状及发展趋势以及刀盘驱动液压节能技术的发展过程,最后概述了本课题的研究内容以及所要进行的研究工作。第二章,仿真研究表明多泵组合驱动比多泵联合驱动方式的效率高ヒ%。设计制技术和电液混合恒功率控制技术的新型刀盘驱动液压系统方案。采用软件仿真研究了多泵组合驱动液压系统在多种工况下的液压系统性能,并在掘进试验中验证了液压系统的多泵组合、恒功率、路醋:偷魉俚刃阅堋R变排量容积调速技术。论述了刀盘与螺旋输送机驱动液压泵站的集成与现场总线的并对负载波动、液压马达故障、刀盘被困等情况进行了研究。文中,分析了单圆土压平了西裂蛊胶舛芄沟杜糖貉瓜低常岢隽艘远啾米楹锨际酢⒌缫罕壤第三章,研究了砂D馐匝槎芄沟牡杜糖貉瓜低常低巢捎帽栈房刂频
提高ァR虼耍岢隽耸迪值杜糖徊浇谀艿囊貉骨绞揭槐栈房刂频谋控制技术。采用软件仿真分析了所设计液压系统在多种工况下的性能,并在试验中验证了刀盘驱动液压系统的正反转、调速性能及仿真模型的正确性。此外,仿真研究表明,不同工况下,对比变转速容积控制方式和变排量容积控制方式,液压系统效率转速容积调速液压驱动方式。第四章,分析影响土压平衡盾构刀盘扭矩的各种因素和刀盘扭矩组成。利用软件建立了多D馐匝槎芄沟杜膛ぞ氐姆抡嫜芯磕P停ü抡嬗胧匝檠芯苛说盘扭矩及其与刀盘转速、推进速度、推进力、盾构埋深和刀盘开口率之间的关系,提出了土压平衡盾构刀盘扭矩的精确计算模型。第五章,研究了掘进土体的模式识别方法和刀盘驱动效能评价指标,研究表明,蚑统计分类指数建立的特征空间有很好的土体区分性,据此,提出了掘进土体的统计分类方法。最后,提出了刀盘转速智能专家系统结构,并讨论了刀盘驱动功率自第六章,概括了全文的主要研究工作、结论及本文的创新点,最后展望了今后的研关键词:盾构;刀盘驱动;液压系统效率;多泵组合驱动;闭环控制;扭矩计算模型;土体识别;功率效能指数;专家系统以适应控制策略。究工作和方向。浙江大学博士学位论文。‘
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邗签字日期:黼年牛月口钞日堋≥学位论文作者签名:唧—挎签:乒冢呼刀签字日期:弘一苔年够月≥学位论文版权使用授权书独创性声明学号——或撰写过的研究成果,也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用本人声明所呈交的学位论