（机械电子工程专业论文）盾构掘进试验系统的研制.pdf

北京交通火学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 盾构法是在土层或松软岩层中暗挖隧道的一种方法，一般采用盾构顶进，而 后拼装预制管片形成衬砌。盾构法施工具有施工速度快、精度高、振动小、噪声 低，对周围建筑物影响较小等优点。研究开发高效、经济的盾构技术，对高效率 发展我国城市地下空间建设具有非常重要的现实意义。本文研制了一种盾构掘进 试验系统，包括试验台架、土箱、切削机构、输送机构、液压系统、测试系统等， 该试验系统可以模拟对各种地质条件岩土的掘进，对其工艺参数进行试验与检测， 为施工工艺参数和技术决策提供科学依据。 论文首先以土力学、岩石破碎学为基础，由岩土性能参数分析计算了切削刀 具的受力，并通过三种理论分别计算出刀盘上每把刀具所承受的力和扭矩，利用 这些参数作为该盾构掘进试验台驱动力的指标，也为优化盾构的刀具排列以及刀 具形状设计奠定了基础。 在核心参数计算的基础上，设计了试验台的刀盘、刀盘驱动系统、推进机构、 输送机构、士箱等部件；对液压系统进行了设计和计算；对整个系统涉及的液压 元件、减速箱以及各种传感器进行了元件选型。 在完成盾构掘进试验系统制造后，针对该试验系统各个传感器的测试信号， 丌发了计算机数掘采集系统。用l a b v i e w 软件编制了测试系统，具有系统标定、 系统自检、数掘采集等功能。从而显著地简化了试验过程，避免了人工采集大量 数据可能带来的麻烦和误差，使盾构试验系统更加完善。 最后对该试验台进行调试并进行试验作业，编写了使用说明书，完成了试验 系统的研制任务。 后续的试验测试与数据分析表明，该盾构掘进试验系统满足设计要求，完成 了模拟不同埋深、不同地质条件下岩土掘进的试验工作，为北京城建集团在地铁 盾构施工中的工艺参数决策起了重要的作用。 关键词：盾构，试验台，测试系统，l a b v i e w j e 京交通人避之硕七学能论文 a b s t r a c t a b s t r a ( x a b s t r a c t ：s h i e l dm e t h o di saw a yo ft u n n e l l i n gi ns o f ts o i lo rr o c k ，ac u t t i n gh e a d c u t st h er o c ko rs o i lc o n t i n u o u s l y , a n dv a r i o u ss u p p o r tm a t e r i a l sa r ei n s t a l l e di nt h e t u n n e la f t e rc u t s h i e l dm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ， s m a l lv i b r a t i o n ，l o wn o i s e ，h a sl i t t l ei m p a c to nt h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，e t c i ti s i m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o ph i g h e f f i c i e n c y , e c o n o m i c a ls h i e l dt e c h n o l o g y , w h i c h i su s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，t h i st h e s i si n t r o d u c e d an e w d e v e l o p e ds h i e l dt u n n e l l i n gt e s ts y s t e m t h i st e s ts y s t e mi n c l u d e dt e s tr i g , s o i l b o x ，c u t t i n gh e a dc o n v e y e rs y s t e m ，h y d r a u l i cs y s t e m ，a n dm e a s u r e m e n ts y s t e m t h et e s t s y s t e mw a s u s e df o re x c a v a t i n ge x p e r i m e n t si nd i f f e r e n ts o i la n dr o c k ，a n dt h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n tw i l lb eu s e dt os u p p o r tf o rb e t t e rt u n n e l l i n go r g a n i z a t i o n f o r c e so nk n i f ew h e nc u t t i n gs o i lo rr o c kw e r ea n a l y s e da n dc a l c u l a t e db a s e do n s o i la n dr o c km e c h a n i c s f u r t h e r m o r e ，t h ef o r c ea n dt o r q u eo fe a c hk n i f ew a sc a l c u l a t e d b yt h r e e t h e o r e t i c a lm e t h o d s t h ep a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gw e r eo b t a i n e db yt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，a n dt h em e t h o da l s of o u n d e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h e a r r a n g e m e n t a n ds h a p eo ft h ec u t t i n gt o o l s b a s e do np a r a m e t e r so b t a i n e db yt h e o r e t i c a ls t u d y , t h eo v e r a l lm e c h a n i c a ls y s t e m w a sd e s i g n e d 。p a r t ss u c ha sc u t t e rh e a d ，d r i v e ns y s t e m ，t h r u s ts y s t e m ，c o n v e y e rs y s t e m a n ds o i lb o xa l ld e s i g n e dt h r o u g hc a l c u l a t i o n t h eh y d r a u l i cs y s t e mw a sa l s od e s i g n e d t h r o u g hd e t a i l e dc a l c u l a t i o n 。a l ls t a n d a r dp a r t si n v o l v e di nt h et e s ts y s t e mi n c l u d e d h y d r a u l i cc o m p o n e n t ，g e a r b o x a n ds e n s o r sw e r es e l e c t e db yc a l c u l a t i o n 。 a f t e rt h em e c h a n i c a ls y s t e mw e r em a n u f a c t u r e da n di n s t a l l e d , ap cb a s ed a t a c o l l e c t i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ed a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e db yl a b v i e ws o f t w a r e ，w h i c hh a sf u n c t i o n so fc a l i b r a t i o no ft h es y s t e m ， s e l f - t e s ts y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n ds oo n ，t h i ss y s t e ms i g n i f i c a n t l y s i m p l i f i e dt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，a v o i d i n gt h e t r o u b l ea n de l t o i so fm a n u a l a c q u i s i t i o no fl a r g ea m o u n t so fd a t a t h er e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fd a t ai s m o l ep e r f e c tt ot h em o d e ls y s t e m 。 a l ls y s t e mw a sd e b u g g e da f t e rd e v e l o p e da n dp u ti n t ou s ei nt h ee x p e r i m e n t s a m a n u a lo ft h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mw a sa l s om a k eo u t , a n dh e n c ef i n i s h e dt h ew h o l e d e v e l o p m e n t l a t t e re x p e r i m e n t so nt h et e s ts y s t e ms h o wt h a tt h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l e 北京交通人学硕十学位论文a b s t r a c - r s y s t e mi ss u c c e s s f u l ，a l ls p e c i f i c a t i o n sm e e tt h er e q u i r e m e n t s t h et e s ts y s t e mh a s f i n i s h e dm a n ye x p e r i m e n t so fs h i e l dt u n n e l l i n gj nd i f f e r e n td e p t h d i f f e r e n tg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，t h er e s u l t sh a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nb e i j i n gs u b w a yc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：s h i e l dt u n n e l l i n g , m o d e ls y s t e m ，t e s ts y s t e m ，l a b v i e w 图索 图索引 图1 1 盾构液压控制系统一5 f i g 1 lt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo f t h es h i e l d 5 图2 - 1 刀具组成图7 f i g 2 - 1 c o n s t i t u t i o n a ld i a g r a mo f e a c hk n i f e 7 图2 2 刀具的几何要素7 f i g 2 2t h eg e o m e t r ye s s e n t i a lf a c t o r so f e a c hk n i f e 7 图2 3 刀具切削岩土状态一9 f i g 2 3t h ec o n d i t i o no f c u t t i n gs o i lo rr o c k 9 图2 4 刀具受力状况9 f i g 2 4t h ec o n d i t i o no f f o r c e so nk n i f e 9 图2 5 切削力和应力分布模型图1 3 f i g 2 5t h ed i s t r i b u t e dm o d e lo f c u t t i n gf o r c ea n ds t r e s so ns o i la n dr o c k 1 3 图3 - 1 盾构掘进试验系统设计方案2 0 f i g 3 - 1t h ed e s i g np r o p o s a lo f t h es h i e l dt u n n e l l i n gt e s ts y s t e m 2 0 图3 - 2 刀盘的结构图2 1 f i g 3 2t h e s t r u c t u r ec h a r to f t h ec u t t e rh e a d 2 l 图3 - 3 刀盘及供液系统2 2 f i g 3 - 3t h ec u t t e rh e a da n dp r o v i d i n gl i q u i ds y s t e m 2 2 图3 - 4 刀盘驱动系统的方案图2 3 f i 9 3 - 4t h ep r o g r a mc h a r to f c u t t e rh e a dd r i v e ns y s t e m 2 3 图3 5 主轴的基本结构2 4 f i g 3 - 5t h e b a s i cs t r u c t u r eo f a x l e t r e e 2 4 图3 - 6 轴的受力图。2 4 f i g 3 6t h ef o r c eo na x l e t r e e 2 4 图3 7 摆线针轮减速机2 5 f i g 3 7t h ec y c l o i dr e d u c e r 2 5 图3 8 传动系统右半部结构图2 5 f i g 3 - 8t h e s t r u c t u r eo f t h er i g h th a l f o f c o n v e y e rs y s t e m 2 5 图3 - 9 主轴的结构 f i g 3 9t h e s t r u c t u r eo f t h em a i na x l e t r e e 。 。2 6 。2 6 北京交通人学硕士学位论文 溺3 1 0 套麓。 f i g 3 - 1 0t h es l e e v eo nt h em a i na x l e t r e e 。2 6 豳3 - 1 1 供液系统尺寸结构2 8 f i g ，3 11t h e s i z es t r u c t u r eo f p r o v i d i n gf l u i ds y s t c r a 2 8 嗣3 一1 2 弯筑图2 8 f i g 3 - 1 2t h eb e n dt o r q u ec h a r t 2 8 鬻3 1 3 拯戆霭 + 。，。2 8 f i g 3 1 3t h et o r q u ec h a r t 。2 8 圈3 一1 4 盾构掘进试验系统3 0 f i g 3 1 4t h es h i e l dt u n n e l l i n gt e s ts y s t e m 躅3 1 5 刀盘破岩机构 3 0 f i g 3 - 1 5 t h er o c k b r e a k i n g i n s t i t u t i o n o f m t t c r h e a d ，3 1 瓣3 1 6 试验台捺避杌 奄 f i g ，3 1 6t h et h r u s ti n s t i t u t i o no f t h es y s t e m 阁4 - 1 盾构掘进试验系统液压系统 3 l 3 l 3 6 f i g 4 - 1t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h es h i e l dt u n n e l l i n gt e s ts y s t e m 。3 7 豳4 - 2 液联驱动控制系统 f i g 4 2t h eh y d r a u l i cd r i v ec o n t r o ls y s t e m 潮毒0 液聪驱动控制系统集成模块 ，。4 4 4 4 f i g 4 3t h ei n t e g r a t i o nm o d u l eo f h y d r a u l i cd r i v ec o n t r o ls y s t e m 。，4 4 阔5 - 1 测试系统结构图4 5 f i g 5 1t h es t r u c t u r eo f t h et e s ts y s t e m 。 懑5 - 2j n 3 3 8 a 型旋转式传感器结构图 。4 5 f i g 5 2t h es t r u c t u r eo f t h es e n s o rj n 3 3 8 a 4 6 瀚5 - 3 主轴褪矩、转速传感器的安装谴鬣( 表) 和j n 3 3 8 转矩转速测薰仅( 嚣) 。4 7 f i g 5 _ 3t h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o no ft h e $ f f l l s o rj n 3 3 8 a0 e 1 0a n dm e a s u r i n g i n s t r u m e n t 嘶g h t ) 鞠5 4b k - 1 b 柱式测力弦重传感器产暴圈( 麦) 和绩糖强( 右) 。 ，4 7 。+ + 4 7 f i g 5 - 4t h ep r o d u c t ( 1 e f 0a n dt h es t r u c t u r e ( r i g h t ) o f t h es e n s o rb k - 1 b 。4 7 黼5 5t s 一5 智能数显控制仪 f i g 5 - 5t h e is 5d i g i 撼d i s p l a yc o n t r o l l e r 躅5 - 6p c i 。7 4 8 3 板卡 ，4 8 f i g 5 - 6t h ep c i - 7 4 8 3b o a r d 。4 8 4 8 图索； 图5 - 7p c i - 7 4 8 3 逻辑方框图5 0 f i g 5 7t h el o g i cb l o c kd i a g r a mo f p c i 一7 4 8 3 5 0 图5 8 采集系统连线图5 1 f i g 5 8t h ec o n n e c t i o no f a c q u i s i t i o ns y s t e m 5 1 图5 - 9p j 7 1 0 0 接线板与测量仪连线图5 2 f i g 5 9t h ec o n n e c t i o no f w i r i n gp l a t ep j 一7 1 0 0a n dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s 5 2 图5 1 0p j 一7 1 0 0 接线板接线图5 2 f i g 5 1 0 t h ec o n n e c t i o n o f w i r i n g p l a t e p j 一7 1 0 0 5 2 图5 1 1 螺旋输送机液压马达的安装5 2 f i g 5 1 1t h e i n s t a l l a t i o n o f c o n v e y o r h y d r a u l i c m o t o r 5 2 图5 1 2 扭矩转速传感器的安装( 左) 和推力传感器的安装( 右) 5 3 f i g 5 1 2 t h e i n s t a l l a t i o n o f s p e e d t o r q u es g l l s o r ( 1 e f t l a n d t h r u s ts e n s o r ( r i g h t ) 5 3 图5 1 3p c i 7 4 8 3 与测量仪连线图5 3 f i g 5 1 3t h ec o n n e c t i n go f p c i - 7 4 8 3a n dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s 5 3 图5 一1 4 测试系统总体流程图5 4 f i g 5 1 4t h e o v e r a l lf l o wc h a no f t h et e s ts y s t e m 5 4 图5 1 5 线程划分5 5 f i g 5 1 5t h ed i v i s i o no f t h r e a d 5 5 图5 1 6 测试系统主面板设计5 6 f i g 5 1 6t h em a i np a n e ld e s i g no f t h et e s ts y s t e m 5 6 图5 一1 7 测试系统主程序部分框图5 6 f i g 5 1 7t h eb l o c kd i a g r a mo f m a i np r o g r a m 。5 6 图5 1 8 找寻板卡基地址5 7 f i g 5 - l8f i n db o a r da d d r e s s 5 7 图5 1 9 系统自检模块面板5 7 f i g 5 1 9s e l f - t e s tm o d u l ep a n e l 5 7 图5 2 0 系统自检模块部分程序框图5 8 f i g 5 2 0t h eb l o c kd i a g r a mo f s e l f - t e s tm o d u l e 5 8 图5 - 2 1 自检模块的调用。5 8 f i g 5 - 2 1t l l ec a l lo f s d f - t e s tm o d u l e 5 8 图6 1 推力传感器线性插值v i 的方框图。6 4 f i g 6 1t h e b l o c kd i a g r a mo f t h r u s ts e l 【l _ s o l l i n e a ri n t e r p o l a t i o n 6 4 图6 2 推力参数拟合曲线6 4 f i g 6 2t h e c l l l v ef i t t i n go f t h r u s tp a r a m e t e r s 6 4 她京交邂大学疆女学蕴论交 灏6 - 3 亵矩簧黪器线後援萤y i 鼢方撰烫 。，。6 5 f i g 6 3t h eb l o c kd i a g r a mo f t o r q u es e n s o rl i n e a ri n t e r p o l a t i o n 6 5 辫6 4 攘矩参数羧含蘸线 f i g 6 _ 4t h eo n v ef i t t i n go f t o r q u ep a r a m e t e r s 。 翔6 5 测试系绞豹操掺学台 f i g 6 5t h eo p e r a t i n gp l a t f o r mo f t e s ts y s t e m 瀚6 - 6 系统正农叁检 f i g 6 - 6s y s t e mi sc h e c k i n g 爨6 - 8 数据保存路径设爨密口。 。，。，。6 7 6 7 豳6 7 系统自糗正常 6 7 f 毽6 7s y s t e mi so k f i g 6 8t h ew i n d o wo f s e t i n gd a t as a v i n gp a t h 瀚6 - 9 “停止采集”变暗色 6 7 6 8 6 8 6 8 f i g 6 1 0t h eb u t t o no f s t o pc o l l e c t i n gb e c o m e sg r a y 。+ 。6 8 嬲6 1 0 退出系统对话梃6 8 f i g 6 一l ot h ed i a l o go f s y s t e me x i t 6 8 表索g 表索引 表2 1 彤与职的数值( 埏) 1 0 t a b 2 一lt h ev a l u e so f 彤a n d 职( k g ) 1 0 表2 2h = 0 5 c m 时，每把刀的扭矩( n m ) 1 0 t a b 2 2t h et o r q u eo f e a c hk n i f e ，w h e nh e q u a l s0 5 c m ( n m ) 1 0 表2 3h = l c m 时，每把刀的扭矩( n m ) 1 0 t a b 2 - 3t h et o r q u eo f e a c hk n i f e , w h e nh e q u a l sl e r n ( n m ) 1 0 表2 - 4h = 2 c m 时，每把刀的扭矩( n m ) 1 0 t a b 2 - 4t h et o r q u eo f e a c hk n i f e w h e nh e q u a l s2 c m ( n m ) 一1 0 表2 5 单刀切削力嵋( 姆) 1 1 t a b 2 5t h e f o r c e o f s i n g l ek n i f e ( k g ) t l 表2 - 6 多刀切削力彤( n ) 1 2 t a b 2 6t h ef o r c e 彬o f m u l t i k n i v e s ( n ) 1 2 表2 7 多刀下的扭矩，( n m ) 。1 2 t a b 2 7t h et o r q u eto f m u l t i k n i v e s ( n m ) 1 2 表2 8 干砂条件下的职( k g ) 1 2 t a b 2 8t h ev a l u eo ff 攻u n d e rt h ed r ys a n dc o n d i t i o n ( k g ) 1 2 表2 - 9 粘土条件下的职( k g ) 1 2 t a b 2 9t h ev a l u eo f 职u n d e rt h ec l a yc o n d i t i o n ( k 2 ) 1 2 表2 1 0 砂质凝灰岩和水泥砂浆条件下的西1 4 t a b 2 1 0t h ev a l u eo f u n d e rt h es a n d y c o a g u l a t i o nc r a gc o n d i t i o n 1 4 表2 1 l 主切削力f ( n ) 1 5 t a b 2 11t h em a i nf o r c e r 7 0 f e a c hk n i f e ( n ) 1 5 表2 1 2 每把刀总切削力曰( n ) 1 5 t a b 2 一1 2t h et o t a lf o r c ero f e a c hk n i f e ( n ) 1 5 表2 1 3 砂质凝灰岩和水泥砂浆条件下水平切削力和垂直切削力( h = 5 m m ) 1 5 t a b 2 - 1 3t h el e v e la n dv e r t i c a lc u t t i n gf o r c eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a ga n d c e m e n tm o r t a rc o n d i t i o n ( h = s m m ) 1 5 表2 一1 4 砂质凝灰岩和水泥砂浆条件下水平切削力和垂直切削力( h - - 1 0 m m ) 1 5 t a b 2 - 1 4t h el e v e la n dv e r t i c a lo a r i n gf o r c eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a ga n d c e m e n tm o r t a l c o n d i t i o n ( h = l o m m ) 。1 5 表2 1 5 砂质凝灰岩和水泥砂浆条件下水平切削力和垂直切削力( h = 2 0 伽n ) 1 6 t a b 2 1 5t h el e v e la n dv e r t i c a lc u t t i n gf o r c eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a ga n d 北京交通大学硕士学蛾论文 c e m e n tm o r t a rc o n d i t i o n ( h = 2 0 m m ) 表2 一1 6 砂质凝灰者条件下刀其韵箍矩0 a = 5 m m ) ( n 讲) 1 6 t a b 2 1 6t h et o r q u eo fe a c hk n i f eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a gc o n d i t i o n ( h = 5 m m ) ( n m ) 表2 1 7 砂质凝灰辫条件下刀具的扭矩伪= 1 0 n 蛐) ( n + 槐) 1 6 t a b 2 - 1 7t h et o r q u eo fe a c hk n i f eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a gc o n d i t i o n ( h = 1 0 m m ) ( n 。m ) 表2 - 1 8 砂爱凝灰辫条传下刀具的翅矩( h = 2 0 m m ) ( n 搬) 1 6 t a b 2 - 1 8t h et o r q u eo fe a c hk n i f eu n d e rt h es a n d yc o a g u l a t i o nc r a gc o n d i t i o n ( h = 2 0 m m ) ( n m ) 1 6 表2 一1 9 水泥砂浆条件下刀爨的掇矩( n m s m m ) ( n 册) 1 6 t a b 2 - 1 9t h et o r q u eo fe a c hk n i f eu n d e rt h ec e m e n tm o r t a rc o n d i t i o n ( h = s m m ) ( n ，m ) 表2 - 2 0 水泥砂浆条件下刀具的扭矩( h = 1 0 m m ) ( n 坍) 1 7 t a b 2 2 0t h et o r q u eo f e a c hk n i f eu n d e rt h ec e m e n tm o r t a rc o n d i t i o n ( h = l o m m ) ( n 掰) 。 表2 - 2 1 水泥砂浆条件下刃具的扭矩( h = 2 0 m m ) ( n 。m ) 1 7 t a b 2 - 2 1t h et o r q u eo fe a c hk n i f eu n d e rt h ec e m e n tm o r t a rc o n d i t i o n ( h = 2 0 m m ) ( n m ) 1 7 表4 1 瓣构掘进试验台液压缸拜受载嚣算缭栗3 2 t a b 。垂lt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fh y d r a u l i cc y l i n d e ro ft h es y s t c r au n d e rt h e c o n d i t i o n so f l o a d 。 3 2 表加2 液压缸工作循环中各阶段眶力、流量和功率3 3 t a b 4 - 2t h ep r e s s u r e ) f l o wr a t ea n dp o w e ro fw o r k i n gc y c l es t a g eh y d r a u l i c c y l i n d e r 。，。，。，。 表4 - 3 液压敷工作循环中各阶段压力、流爨和功率( 第二次) t a b 4 _ 3t h ep r e s s u r e , f l o wr a t ea n dp o w e ro fw o r k i n gc y c l e c y l i n d e r ( s e c o n d ) 表毒_ 幸液压掇制溺毫控装嚣王作状态 。3 3 3 4 s t a g eh y d r a u l i c 3 矗 。3 6 t a b 。4 - 4t h ew o r ks t a t eo f h y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e 表舢5 三执行元件的工作状况分析 t a b 4 5t h ew o r ka n a l y s i so f i m p l e m e n t a t i o no f t h et h r e ec o m p o n e n t s 3 9 表4 - 6 系统巾各敷热部件单位时间发热功率的计算方法4 0 t a b , 4 - 6t h ec a l c u l a t i o no fh e a t i n gp o w e ru