盾构刀盘驱动系统节能技术研究

【摘要】：盾构掘进机是一种专门用于地下隧道工程的现代化重大工程装备。现代盾构掘进机集液压、机电控制、材料、计算机等技术于一体,具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、减少对地面建筑物的影响等特点,被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程建设中。液压传动以其传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性在许多领域获得了广泛的应用,但是液压传动系统的能量利用率低,特别是盾构掘进机这种典型的大功率设备能耗巨大。因此,对盾构掘进机液压驱动系统进行节能研究具有重要的现实意义。为了减少研究成本、降低现场操作风险,有必要建立盾构模拟实验平台对盾构掘进机的关键技术进行研究。 论文以盾构刀盘模拟实验系统为研究对象,模拟实际盾构在施工过程中刀盘所遇到的不同工况,对盾构刀盘模拟实验平台进行了原理设计、元件选型、实验台监控系统的软硬件设计。通过对模拟刀盘系统进行仿真和实验,重点研究盾构刀盘变转速液压驱动和变排量液压驱动系统在不同工况下的能量损耗对比,进而揭示盾构刀盘系统的能量传递规律,为新一代节能性盾构的研制提供理论基础。本文的主要研究内容如下： 第一章介绍了盾构掘进机的工作原理及其结构组成,综述了盾构掘进机的国内外发展现状及未来的发展趋势,然后结合论文的研究内容详细介绍了盾构刀盘液压驱动系统,对其节能性研究概况进行了详细叙述,最后,针对目前盾构节能化发展的背景及本实验系统的设计原理提出了本课题的研究意义和主要研究内容。 第二章根据所要研究的内容设计了盾构刀盘半物理仿真实验平台,阐明了其液压系统工作原理,并对关键液压元器件进行了设计计算和选型。对实验台的电控部分进行了软硬件设计,并利用LabVIEW软件对系统的数据采集程序进行了编程设计。 第三章分别建立了变转速泵控马达调速系统和变排量泵控马达调速系统的数学模型,给出了数学模型推导的全过程。根据实验台系统的组成,建立了各传递环节的动态方程,得出了系统的时域数学模型,并在此基础上建立了两种系统的开环传递函数。 第四章分析了盾构刀盘液压驱动系统的能量传递链组成,对系统中的各传递环节进行了能耗分析和功率特性分析,给出了电动机的效率及泵的容积效率和机械效率的数学表达式,并深入分析了各环节对整个系统的影响,揭示了盾构刀盘掘进动力系统驱动源、传动链及执行机构之间的能量传递规律,阐明了盾构刀盘调速系统的节能原理,为下一步的仿真及实验研究奠定了理论基础。 第五章以盾构刀盘半物理仿真实验平台为基础,对变转速调速系统和变排量调速系统的效率情况进行了模型仿真和实验研究。通过分析实验台系统的负载特性,得出了本实验台和实际盾构具有系统相似性及负载相似性,然后把所得到的实验结果应用到实际盾构的掘进实验中,通过实验数据和实际掘进数据的比较,得出了变转速调速系统在实际盾构掘进中的节能优势,说明本实验结论具有很好的实际应用意义。 【关键词】：盾构 刀盘调速系统 变转速系统 变排量系统 数学模型 仿真 实验研究 AMESim 能量传递规律 相似性 节能
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U455.39
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目录10-13
• 1 绪论13-31
• 1.1 盾构机原理及国内外发展历程13-19
• 1.1.1 盾构掘进机施工原理13-14
• 1.1.2 盾构掘进机的分类及组成14-15
• 1.1.3 国外盾构掘进机发展概况15-16
• 1.1.4 国内盾构掘进机发展概况16-18
• 1.1.5 盾构掘进机发展趋势18-19
• 1.2 盾构刀盘液压驱动系统概况19-22
• 1.2.1 盾构刀盘驱动液压系统研究现状19-22
• 1.2.2 盾构刀盘驱动液压系统发展方向22
• 1.3 盾构刀盘节能化发展概况22-24
• 1.3.1 盾构刀盘节能化发展历程22-23
• 1.3.2 盾构刀盘节能技术国内研究现状23-24
• 1.4 变频液压技术发展及研究概况24-29
• 1.4.1 变频驱动液压技术的发展27-28
• 1.4.2 变频驱动液压技术国内研究现状28-29
• 1.5 课题研究意义及内容29-30
• 1.5.1 课题研究意义29-30
• 1.5.2 课题研究内容30
• 1.6 本章小结30-31
• 2 盾构刀盘半物理仿真实验台设计31-46
• 2.1 实验台液压系统工作原理31-32
• 2.2 实验台液压系统设计计算及元件选型32-38
• 2.2.1 变量泵的选择32-34
• 2.2.2 定量泵的选择34
• 2.2.3 定量马达的选择34-35
• 2.2.4 普通三相异步电动机的选择35
• 2.2.5 变频器及变频电机的选择35-36
• 2.2.6 油箱的设计及选择36-38
• 2.3 实验台电控系统设计38-44
• 2.3.1 实验台电控系统硬件设计38-40
• 2.3.2 实验台电控系统软件设计40-44
• 2.4 实验台的安装布局44-45
• 2.5 本章小结45-46
• 3 盾构刀盘实验系统数学模型46-64
• 3.1 盾构刀盘变转速调速系统数学模型46-53
• 3.1.1 变频器环节46-47
• 3.1.2 电机环节模型47-48
• 3.1.3 定量泵及马达环节数学模型48-51
• 3.1.3.1 定量泵的流量连续性方程48-49
• 3.1.3.2 马达的流量连续性方程49-50
• 3.1.3.3 马达轴上的力矩平衡方程50-51
• 3.1.4 加载回路环节模型51-52
• 3.1.5 变转速调速系统开环传递函数52-53
• 3.2 盾构刀盘变排量调速系统数学模型53-63
• 3.2.1 电比例变量泵机构基本方程54-59
• 3.2.1.1 电—机械转换元件方程54-55
• 3.2.1.2 滑阀流量方程55
• 3.2.1.3 控制变量缸流量连续性方程55-56
• 3.2.1.4 活塞及负载力的平衡方程56-58
• 3.2.1.5 变量缸活塞位移与斜盘角度之间的关系58-59
• 3.2.2 变排量泵控马达开式回路系统模型59-61
• 3.2.2.1 变量泵的排量方程59
• 3.2.2.2 变量泵的流量方程59-60
• 3.2.2.3 液压马达高压腔流量连续方程60
• 3.2.2.4 液压马达和负载的力矩平衡方程60-61
• 3.2.3 变排量调速系统开环传递函数61-63
• 3.3 本章小结63-64
• 4 盾构刀盘系统能量传递规律特性分析64-73
• 4.1 盾构刀盘调速系统能耗分析64-70
• 4.1.1 电动机效率与损耗分析64-66
• 4.1.2 电动机变频调速节能原理66
• 4.1.3 调速对电动机效率的影响66-68
• 4.1.4 液压泵容积效率分析68
• 4.1.5 液压泵的机械效率分析68-70
• 4.2 盾构刀盘调速系统节能原理70-72
• 4.3 本章小结72-73
• 5 盾构刀盘实验系统仿真分析及实验研究73-89
• 5.1 盾构刀盘调速实验系统仿真模型及结果分析73-75
• 5.1.1 盾构刀盘调速实验系统仿真模型建立73-74
• 5.1.2 仿真结果分析74-75
• 5.2 盾构刀盘调速系统节能实验研究75-84
• 5.2.1 盾构刀盘调速实验系统实验原理75-78
• 5.2.2 盾构刀盘调速实验系统实验结果分析78-84
• 5.3 基于土层的盾构刀盘调速系统相似性实验分析84-88
• 5.4 本章小结88-89
• 6 总结和展望89-91
• 6.1 论文总结89-90
• 6.2 工作展望90-91
• 参考文献91-96
• 作者简历及在学期间取得的科研成果96

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