盾構(gòu)掘進模擬試驗系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進機囊括了機構(gòu)、電子、控制、液壓、土木、通信等多種學(xué)科應(yīng)用技術(shù)，作為隧道掘進的專用工程機械，它實現(xiàn)了巖土切削、隧道支護、排碴、地面沉降控制等隧道掘進過程的自動化。目前我國已進入城市化進程的高速發(fā)展階段，需要大量盾構(gòu)應(yīng)用于隧道工程建設(shè)，而在盾構(gòu)制造與盾構(gòu)掘進技術(shù)研究方面，國內(nèi)發(fā)展水平距國外還有較大差距?；谠谑┕がF(xiàn)場進行實驗需要承擔(dān)特別高的技術(shù)安全風(fēng)險和付出巨大的經(jīng)濟代價，因此物理模擬實驗是掌握盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。有必要建立模擬實驗

2、平臺，為盾構(gòu)設(shè)備設(shè)計、制造及施工提供參考。
　　 本文采用理論計算、三維建模完成了盾構(gòu)模擬實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計。通過軟件編程實現(xiàn)土箱的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作。針對智能控制需要，利用理論推導(dǎo)與實驗數(shù)據(jù)，建立地層識別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在地層辨識基礎(chǔ)上，為了提高刀盤轉(zhuǎn)速地層適用性，建立刀盤轉(zhuǎn)速模糊PID控制模型，并通過軟件仿真對控制系統(tǒng)的性能進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 第一章首先簡述了盾構(gòu)法施工原理及其國內(nèi)

3、外發(fā)展歷程，而后介紹了國內(nèi)外盾構(gòu)試驗臺研究情況。隨后對地層識別與刀盤轉(zhuǎn)速控制技術(shù)進行了詳細的介紹，并在此基礎(chǔ)上，提出了本課題的研究意義與研究內(nèi)容。
　　 為了模擬盾構(gòu)掘進的地質(zhì)環(huán)境，第二章設(shè)計了土箱系統(tǒng)，它由土箱本體、土壓加載系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。利用SolidWorks軟件完成土箱本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過理論計算對土壓加載系統(tǒng)進行選型與設(shè)計。針對控制需求，完成土箱電控系統(tǒng)的主要硬件選型，并運用LabView進行了電控

4、程序的設(shè)計。
　　 第三章利用SolidWorks軟件對模擬盾構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，它主要由刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、螺旋輸送系統(tǒng)組成。根據(jù)理論計算完成對模擬盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)選型設(shè)計工作，并對液壓泵站進行三維設(shè)計。
　　 第四章首先分析了砂土、粘土、砂礫土三種地層中推進力、推進速度、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速四個掘進參數(shù)與地層之間的關(guān)系，結(jié)果表明：單憑其中任一參數(shù)的變動規(guī)律很難判斷地層信息情況。在此基礎(chǔ)上，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地層識別

5、模型，此模型以相鄰采樣時刻的8個掘進參數(shù)為輸入，地層編碼為輸出。通過60組訓(xùn)練樣本對地層識別模型加以訓(xùn)練，然后用30組預(yù)測樣本對地層識別模型加以檢驗，地層識別率達到93％。結(jié)果表明：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地層識別模型能夠?qū)崿F(xiàn)掘進參數(shù)與地層之間非線性映射關(guān)系，對地層進行識別。
　　 第五章在分析了某型盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了刀盤轉(zhuǎn)速常規(guī)PD控制器與模糊PID控制器，并通過Matlab與AMESim軟件建立了仿真模型。仿真結(jié)