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基于力传递特性的新型TBM推进机构尺度优化方法研究
| 论文题名： | 基于力传递特性的新型TBM推进机构尺度优化方法研究 |
| 关键词： | 隧道盾构机;推进机构;结构优化;力传递性能 |
| 摘要： | 推进机构作为众多TBM子系统中的一个，是完成隧道掘进的关键设备。该机构的工作环境十分复杂，地质软硬不一，同时需要承受来自作业环境的重载荷、大突变载荷及强震动载荷。若力传递性能不好，将导致其推进的动力传递不能适应其掘进面工作环境的严重变化，掘进阻力传递不能适应其支撑面工作环境严重变化，或其工作模式不能适应作业状态变化等三方面的问题，给隧道施工带来各种不利的影响。如，瞬时关节力过大将引起刀具磨损甚至断裂，更严重的将出现刀盘变形、推进缸断裂、刀盘解体等事故。因此，如何从机械设计角度改进其拓扑构型，优化其机构尺度，提高其力传递性能将是本文研究的主要问题。本文围绕该问题开展了以下研究工作。 1.阐述了本文的研究背景及研究意义，综述了TBM全断面岩石掘进机国内外研究现状、TBM推进机构研究现状及并联机构尺度优化现状。总结了其他学者研究工作，针对TBM推进机构所面临的问题，提出了本文的主要研究内容。 2.以新型TBM推进机构为研究对象，对其自由度进行了分析，得出机构具有完整的6自由度。以坐标变换理论为基础对机构进行运动学分析得到其运动学反解方程及速度雅克比矩阵，并基于机构的反解方程及速度雅克比矩阵对刀盘的直线掘进和曲线掘进的轨迹进行规划。最后对单根推进缸进行了刚度分析，并以此为基础研究了动平台各运动方向的刚度。 3.分析了推进机构在掘进过程中的受力情况，得出TBM在工作过程中受5个掘进阻力及两个阻力矩分别是：盾壳与四周土体所产生的的摩擦力、盾尾与管片所产生的的摩擦力、后配套台车与轨道之间所产生的摩擦力、刀盘的正面阻力、切削岩石的切削阻力、水平阻力矩、纵向阻力矩。基于此建立了推进机构的力学模型。从而推导出了关节力的表达式，并分析了关节力与运动参数及结构参数的关系,得出了动平台半径与定平台半径为影响关节力大小的主要因素。 4.根据对TBM常见机械故障的分析，建立力传递性能指标，基于该指标建立了优化函数并通过遗传算法对机构结构参数进行优化。为了验证优化结果的正确性，引入载荷顺应性指标，并基于该指标同样对机构进行优化。对比两种优化方法的结果得出：力传递性能指标是有效的。 |
| 作者： | 何柳 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 徐尤南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华东交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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