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TBM刀盘系统多自由度耦合振动响应灵敏度研究 被引量:5
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作者 凌静秀 孙伟 +1 位作者 霍军周 邓立营 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期650-657,共8页
研究冲击载荷作用下TBM刀盘的振动特性。在已有TBM刀盘系统耦合动力学模型的基础上,运用直接导数法推导动态响应灵敏度的表达式,建立适用于TBM刀盘强迫振动响应的灵敏度分析方法。以辽西北引水工程项目的刀盘系统参数为例,采用协同数值... 研究冲击载荷作用下TBM刀盘的振动特性。在已有TBM刀盘系统耦合动力学模型的基础上,运用直接导数法推导动态响应灵敏度的表达式,建立适用于TBM刀盘强迫振动响应的灵敏度分析方法。以辽西北引水工程项目的刀盘系统参数为例,采用协同数值求解方法计算刀盘振动响应及其灵敏度,并分析刀盘质量分布对响应的影响。研究结果表明:刀盘振动响应对分体质量的灵敏度最大,且各方向灵敏度均不为0,说明质量参数的变化会影响刀盘各方向振动,而刀盘支撑刚度仅影响其相关联的振动,刀盘轴向振动响应对轴向支撑刚度的灵敏度约为倾覆方向的2倍;刀盘分体质量分数控制在13%~14%区间时,结构振动最小。 展开更多
关键词 tbm刀盘系统 多自由度耦合 直接导数法 响应灵敏度
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TBM刀盘驱动系统单神经元模糊同步控制 被引量:3
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作者 刘统 龚国芳 +2 位作者 石卓 彭左 吴伟强 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第11期2207-2214,共8页
针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)刀盘多电机并联驱动由于载荷突变和传动系统磨耗所引起的电机偏载甚至过载,提出基于单神经元模糊自适应PI速度调节器的转矩主从控制策略.搭建电机闭环矢量控制模型,推导多齿轮齿圈并联系统的数学模型并使... 针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)刀盘多电机并联驱动由于载荷突变和传动系统磨耗所引起的电机偏载甚至过载,提出基于单神经元模糊自适应PI速度调节器的转矩主从控制策略.搭建电机闭环矢量控制模型,推导多齿轮齿圈并联系统的数学模型并使用S函数加以描述,在Simulink环境下将两者连接,对比分析转速并联和转矩主从控制策略下,电机对外在载荷和机械磨耗的黏性和刚性啮合响应及其机理,将单神经元模糊PI速度调节器应用于转矩主从策略消除扭矩超调.仿真结果表明,基于单神经元模糊PI速度调节器的转矩主从控制策略能够适应传动系统的参数变化,消除电机在负载变化时的扭矩超调和偏载,并能提高系统的精度和响应速度. 展开更多
关键词 tbm刀盘驱动系统 矢量控制 同步控制 转速并联控制 转矩主从控制 单神经元模糊PI控制
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TBM试验台刀盘混合驱动系统设计与仿真分析 被引量:3
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作者 刘统 龚国芳 +2 位作者 张振 彭左 吴伟强 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2015年第5期438-444,共7页
针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)在施工时因驱动扭矩不足引发的刀盘卡死情况,提出了由变频电机和泵控马达混合驱动的方案.采集电机转矩跟随主从控制系统下的电机速度信号,叠加一个预设的常量来实时调节变量泵的排量,利用比例溢流阀溢流... 针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)在施工时因驱动扭矩不足引发的刀盘卡死情况,提出了由变频电机和泵控马达混合驱动的方案.采集电机转矩跟随主从控制系统下的电机速度信号,叠加一个预设的常量来实时调节变量泵的排量,利用比例溢流阀溢流多余流量实现对马达工作压差的比例调节,从而实现泵马达系统对电机系统的转速跟随和扭矩可调,并基于○/2.5mTBM实验台的刀盘驱动系统指标要求完成了设计选型.在AMEsim仿真平台上搭建了负载敏感变量泵控系统(LSCS)、流量反馈比例变量泵控系统(FFPCS)和变量缸位移反馈比例变量泵控系统(DFPCS)的模型,分析对比了不同系统在同一电机系统速度信号下泵的压力和流量响应,并对比了不同比例控制策略下变量泵的效率.结果表明:LSCS无法响应电机系统转速跳变,且不适用于闭式系统,FFPCS和DFPCS均能较好地跟随电机系统的转速变化,尽管FFPCS有着更高的控制精度和效率,DFPCS的高可靠性、模块化和低成本优势更符合实际施工要求. 展开更多
关键词 tbm 刀盘混合驱动系统 刀盘卡死 比例变量泵 AMESIM仿真
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多点分布载荷下TBM刀盘系统振动响应分析 被引量:3
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作者 凌静秀 孙伟 +1 位作者 杨晓静 童昕 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2017年第3期317-322,共6页
刀盘系统是全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)装备的核心部件,其工作环境极端恶劣,系统振动剧烈,导致关键构件发生异常失效,影响整机掘进效率。为此,有必要研究TBM刀盘系统的动态特性,分析不同参数对结构振动响应的影响,为... 刀盘系统是全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)装备的核心部件,其工作环境极端恶劣,系统振动剧烈,导致关键构件发生异常失效,影响整机掘进效率。为此,有必要研究TBM刀盘系统的动态特性,分析不同参数对结构振动响应的影响,为系统设计及参数匹配提供理论基础。基于已有的TBM刀盘系统动力学模型,以某供水工程TBM刀盘系统为研究对象,对空间多点分布载荷下刀盘振动响应的参数影响规律进行了分析。研究结果表明,刀盘的分体质量比例控制在13%~14%时,刀盘轴向振动最小;刀盘转速高于2r/min时,其径向及扭转振动波动较明显,且得到了一系列峰值突变的转速点;驱动小齿轮均匀布置时,刀盘径向振动最小,振动幅度比非均匀布置时小近30%。分析结果可为刀盘的结构设计及系统参数匹配提供指导。 展开更多
关键词 tbm 多点分布载荷 刀盘系统 振动响应 参数影响
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转速受限条件下TBM刀盘混合驱动系统控制器设计 被引量:1
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作者 王飞 龚国芳 秦永峰 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2019年第6期722-727,共6页
传统全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘转速同步控制方法是针对变频电机单一驱动源进行设计的,直接应用于混合驱动型TBM刀盘驱动系统易导致齿轮齿圈发生严重的偏载,显著降低TBM刀盘传动系统的使用寿命和TBM设备完好... 传统全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘转速同步控制方法是针对变频电机单一驱动源进行设计的,直接应用于混合驱动型TBM刀盘驱动系统易导致齿轮齿圈发生严重的偏载,显著降低TBM刀盘传动系统的使用寿命和TBM设备完好率。考虑到实际掘进过程中对刀盘转速的限制和系统参数漂移,采用自适应控制策略,针对电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统设计基于驱动源力矩控制的转速控制方法。建立了齿轮齿圈传动系统模型,系统的参数不确定性得到充分考虑。通过MATLAB/AMESim联合仿真表明,该自适应控制系统对参数漂移具有补偿作用,在精确控制刀盘转速的同时,实现了不同类型驱动源间的负载力矩分配,原系统中的偏载问题得到了解决。电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统通过液压马达和变频电机两种驱动源驱动特性的互补,有效提高了其地质适应性,并对提高掘进速度有着重要的作用。 展开更多
关键词 刀盘驱动 tbm 自适应控制 负载力矩分配
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TBM刀盘系统不确定工况下的动力学特性分析 被引量:5
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作者 贾连辉 徐兆辉 +2 位作者 聂晓东 叶尔肯.扎木提 霍军周 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2019年第1期148-156,共9页
为解决全断面岩石掘进机(TBM)刀盘系统由于掘进过程中工况不确定性造成的载荷不确定和动态特性预测难度大的问题,提出一种工况不确定性的动力学分析方法。首先,对4种典型掘进工况进行等效,采用区间理论将不同工况的等效载荷进行区间表示... 为解决全断面岩石掘进机(TBM)刀盘系统由于掘进过程中工况不确定性造成的载荷不确定和动态特性预测难度大的问题,提出一种工况不确定性的动力学分析方法。首先,对4种典型掘进工况进行等效,采用区间理论将不同工况的等效载荷进行区间表示,并将工况的不确定性转化为载荷的不确定性;然后,通过集中质量法建立刀盘多自由度耦合动力学模型,并结合得到的区间不确定载荷等效出不确定工况下的多自由度耦合动力学模型,求解得到不确定工况下的动力学响应;最后,以现场实测数据对该方法进行验证。研究结果表明:TBM在设计时应充分考虑工况的差异性;随着刀盘分块的增多,刀盘系统稳定性有所提高;驱动齿轮均匀分布时,刀盘系统振动稳定性较好。 展开更多
关键词 tbm刀盘系统 不同工况 不确定性转化 集中质量法 多自由度耦合 动力学分析
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A Closer Look at the Design of Cutterheads for Hard Rock Tunnel-Boring Machines 被引量:16
7
作者 Jamal Rostami Soo-Ho Chang 《Engineering》 SCIE EI 2017年第6期892-904,共13页
The success of a tunnel-boring machine (TBM) in a given project depends on the functionality of all components of the system, from the cutters to the backup system, and on the entire rolling stock. However, no part ... The success of a tunnel-boring machine (TBM) in a given project depends on the functionality of all components of the system, from the cutters to the backup system, and on the entire rolling stock. However, no part of the machine plays a more crucial role in the efficient operation of the machine than its cutterhead. The design of the cutterhead impacts the efficiency of cutting, the balance of the head, the life of the cutters, the maintenance of the main bearing/gearbox, and the effectiveness of the mucking along with its effects on the wear of the face and gage cutters/muck buckets. Overall, cutterhead design heavily impacts the rate of penetration (ROP), rate of machine utilization (U), and daffy advance rate (AR). Although there has been some discussion in commonly available publications regarding disk cutters, cutting forces, and some design features of the head, there is limited literature on this subject because the design of cutter- heads is mainly handled by machine manufacturers. Most of the design process involves proprietary algorithms by the manufacturers, and despite recent attention on the subject, the design of rock TBMs has been somewhat of a mystery to most end-users. This paper is an attempt to demystify the basic concepts in design. Although it may not be sufficient for a full-fledged design by the readers, this paper allows engineers and contractors to understand the thought process in the design steps, what to Look for in a proper design, and the implications of the head design on machine operation and life cycle. 展开更多
关键词 tbm cutterhead design cutterhead layout Disk cutters Cutting pattern tbm efficiency
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On the Loads for Strength Design of Cutterhead of Full Face Rock Tunnel Boring Machine 被引量:2
8
作者 Meidong Han Zongxi Cai Chuanyong Qu 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第6期60-71,共12页
Cutterhead loads are the key mechanical parameters for the strength design of the full face hard rock tunnel boring machine(TBM).Due to the brittle rock-breaking mechanism,the excavation loads acting on cutters fluctu... Cutterhead loads are the key mechanical parameters for the strength design of the full face hard rock tunnel boring machine(TBM).Due to the brittle rock-breaking mechanism,the excavation loads acting on cutters fluctuate strongly and show some randomness.The conventional method that using combinations of some special static loads to perform the strength design of TBM cutterhead may lead to strength failure during working practice.In this paper,a three-dimensional finite element model for coupled Cutterhead–Rock is developed to determine the cutterhead loads.Then the distribution characteristics and the influence factors of cutterhead loads are analyzed based on the numerical results.It is found that,as time changes,the normal and tangential forces acting on cutters and the total torque acting on the cutterhead approximately distribute log normally,while the total thrusts acting on the cutterhead approximately show a normal distribution.Furthermore,the statistical average values of cutterhead loads are proportional to the uniaxial compressive strength(UCS)of cutting rocks.The values also change with the penetration and the diameter of cutterhead following a power function.Based on these findings,we propose a three-parameter model for the mean of cutterhead loads and a method of generating the random cutter forces.Then the strength properties of a typical cutterhead are analyzed in detail using loads generated by the new method.The optimized cutterhead has been successfully applied in engineering.The method in this paper may provide a useful reference for the strength design of TBM cutterhead. 展开更多
关键词 tbm cutterhead Strength design Numerical simulation Three-parameter model Random cutter forces
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TBM刀盘电动-液压同步驱动系统研究 被引量:2
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作者 侯昆洲 《流体传动与控制》 2017年第2期5-7,共3页
基于TBM刀盘驱动系统的工作原理,分析了不同刀盘驱动方式的优缺点,提出了采用电动-液压同步驱动方式,实现大扭矩的刀盘驱动。工程应用表明,这种方法实现了TBM刀盘电动和液压的同步驱动,为TBM刀盘驱动系统的改进提供参考。
关键词 tbm 刀盘驱动系统 电动-液压同步驱动
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基于数字样机技术的全断面掘进机关键部件的动态仿真分析 被引量:1
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作者 朱立达 王日清 +1 位作者 苏鹏程 王宛山 《机床与液压》 北大核心 2011年第19期89-93,共5页
针对全断面掘进机的关键部件设计理论不够完善、制造工艺不够合理等问题,在设计阶段采用数字样机技术对其进行动态仿真。通过对刀盘系统和管片拼装机进行运动学和动力学仿真,在数字样机上分析其运动规律、进行机构干涉检查以及评估驱动... 针对全断面掘进机的关键部件设计理论不够完善、制造工艺不够合理等问题,在设计阶段采用数字样机技术对其进行动态仿真。通过对刀盘系统和管片拼装机进行运动学和动力学仿真,在数字样机上分析其运动规律、进行机构干涉检查以及评估驱动力和扭矩大小,为不同地质条件下的刀具布置和选型提供参考。采用基于数字样机技术的有限元方法进行模态和强度仿真分析,获得关键部件的各阶振型图和应力变化规律,为关键部件的动态优化设计提供依据。 展开更多
关键词 数字样机 全断面掘进机 刀盘系统 管片拼装机 仿真分析
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代理模型在复杂机电系统全局敏感度分析中的应用 被引量:5
11
作者 李洁翎 孙伟 +1 位作者 丁鑫 宋学官 《机械设计与制造》 北大核心 2017年第S1期229-232,共4页
全局敏感度分析(GSA)是一种在整个设计空间中考虑输入参数的不确定性对输出响应不确定性的影响的敏感度分析方法,且能反映出各参数间的相互作用。复杂机电系统包含大量参数且结构复杂,通过引入全局敏感度分析可以确定各参数对系统输出... 全局敏感度分析(GSA)是一种在整个设计空间中考虑输入参数的不确定性对输出响应不确定性的影响的敏感度分析方法,且能反映出各参数间的相互作用。复杂机电系统包含大量参数且结构复杂,通过引入全局敏感度分析可以确定各参数对系统输出特性影响大小,从而有助于理解系统响应规律,缩短设计周期。由于全局敏感度分析需基于大量仿真计算,为解决计算成本问题,提出一种基于最优代理模型的全局敏感度分析方法,通过对比选取最优代理模型替代仿真实验完成全局敏感度分析。以某隧道掘进机(TBM)刀盘驱动系统为例,以关键节点振动响应及动态啮合力为系统动力学特性评价指标,考虑外部条件、材料系数、啮合参数和联接参数等输入参数变化,得到全局敏感度分析结果,为隧道掘进机刀盘驱动系统的进一步设计优化提供指导,并最终验证了该方法的合理性。 展开更多
关键词 全局敏感度 复杂机电系统 代理模型 tbm刀盘驱动系统 动力学特性
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我国硬岩掘进机的创新与实践 被引量:45
12
作者 洪开荣 王杜娟 郭如军 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2018年第4期1-19,共19页
近年来,在TBM装备研发、推广应用力度不断加大的背景下,我国TBM设计、制造及施工技术均有了大幅度的提升,但与国外相对成熟的技术相比,在核心技术掌握及应用水平上还有一定的差距。在分析国内外TBM研究与应用现状的基础上,针对大瑞铁路... 近年来,在TBM装备研发、推广应用力度不断加大的背景下,我国TBM设计、制造及施工技术均有了大幅度的提升,但与国外相对成熟的技术相比,在核心技术掌握及应用水平上还有一定的差距。在分析国内外TBM研究与应用现状的基础上,针对大瑞铁路高黎贡山隧道所处地段存在的"三高四活跃"复杂地质条件,开展TBM设计方案研究工作:1)通过开展原型滚刀破岩及缩尺滚刀磨损试验,为TBM刀盘适应性设计及关键参数计算提供依据;2)从刀盘刀具高效破岩、TBM扩挖和集成式支护系统等方面对TBM设计方案进行论述;3)对搭载式HSP法、RTP岩体温度法2种超前地质预报技术进行研究。研究成果能够为复杂地质条件下高适应性TBM设计、制造及其在高黎贡山隧道工程中的应用奠定基础。 展开更多
关键词 硬岩掘进机 地质适应性 滚刀破岩试验 滚刀磨损试验 tbm设计 刀盘刀具 支护系统设计 超前地质预报
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TB880E型掘进机刀盘驱动力传递装置综合分析 被引量:2
13
作者 张富强 《隧道建设》 2009年第6期678-682,共5页
介绍TB880E掘进机主驱动系统的动力传递装置和传递路径,分析驱动系统的受力原理及使用工况,并结合该驱动系统在隧道施工过程中出现的故障现象及处理实践,阐述综合分析方法对复杂设备的使用、维护、保养的重要性和指导作用,可为从事该行... 介绍TB880E掘进机主驱动系统的动力传递装置和传递路径,分析驱动系统的受力原理及使用工况,并结合该驱动系统在隧道施工过程中出现的故障现象及处理实践,阐述综合分析方法对复杂设备的使用、维护、保养的重要性和指导作用,可为从事该行业的技术人员提供参考。 展开更多
关键词 tbm 刀盘驱动力 传递装置 综合分析 重要性
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TBM刀盘驱动系统分层次建模及动力学特性研究 被引量:8
14
作者 孙伟 马宏辉 +1 位作者 丁鑫 王林涛 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第1期44-55,共12页
提出一种适用于全断面岩石掘进机(Tunnel boring machines,TBM)刀盘驱动系统的分层次建模方法,考虑系统变频电机运行特性、齿轮时变啮合刚度和啮合误差等非线性因素,基于动力学相似理论建立刀盘驱动系统整机动力学模型。研究了刀盘驱动... 提出一种适用于全断面岩石掘进机(Tunnel boring machines,TBM)刀盘驱动系统的分层次建模方法,考虑系统变频电机运行特性、齿轮时变啮合刚度和啮合误差等非线性因素,基于动力学相似理论建立刀盘驱动系统整机动力学模型。研究了刀盘驱动系统在电动机启动、稳态载荷与冲击载荷等工况下的动力学响应,分析结果表明各构件的振动频率主要集中在各级啮合频率的倍频处;动态啮合力的最大幅值均发生在相应啮合频率的倍频处且动态啮合力的波动随着外部激励的增加而加剧。基于模型试验台,测试得到不同转速工况下刀盘驱动系统的振动响应,结果表明各级传动系统的啮合频率及倍频是系统振动的主要频率成分,验证了分层次建模方法的适用性,分析结果为刀盘驱动系统的动力学设计提供了理论依据。 展开更多
关键词 tbm 刀盘驱动系统 分层次建模 动力学特性
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