本文關鍵詞：TBM滾刀多階段受力模型及其聯(lián)接結構動態(tài)設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著社會科技的進步、經濟的發(fā)展,以及地表土地資源的日漸匱乏,世界各國逐漸開始對地下空間進行開發(fā)利用。全斷面巖石掘進機(簡稱TBM)以其掘進速度快、施工優(yōu)質高效、作業(yè)環(huán)境安全、環(huán)境污染小等優(yōu)點,可實現傳統(tǒng)鉆爆法難以實現的復雜地理地貌深埋長隧洞的施工,在中國乃至世界的水利、水電、交通、礦山等隧道工程中應用迅猛增長,如今已成為國際上隧道施工機械的主流。盤形滾刀作為巖石掘進機刀盤的核心工作部件,由于直接與巖石接觸,承受較大的沖擊載荷,因此也是TBM的易損件。而從理論的角度對滾刀破巖機理和受力預測模型進行研究來并在原有滾刀刀座聯(lián)接結構基礎上改進,對為滾刀以及刀盤的設計提供精確的載荷設計依據,并且降低滾刀以及刀盤振動具有十分重要的理論價值和工程意義。本課題來源于973項目(項目編號：2013CB035402)和國家自然科學基金項目(項目編號：51375001)資助。論文的具體工作和主要內容如下：(1)針對當前滾刀受力預測模型為靜態(tài)均值計算,不能夠真實模擬滾刀破巖過程中載荷多階段多峰值的問題,本文基于密實核理論,針對不同巖石條件,考慮滾刀在破巖過程中復雜的受力情況,分析了滾刀多階段的破巖過程；同時考慮巖石特性、滾刀類型、滾刀布局參數、掘進參數、滾刀結構參數,建立了不同類型滾刀的多階段受力預測模型,并以巖石物理參數、貫入量等參數作為變量,進行了滾刀線性切割實驗,垂向力實驗結果與理論模型的均值誤差在10%以內,證明了理論預測模型的正確性,為后續(xù)研究提供理論依據。(2)結合面的存在影響著刀座系統(tǒng)的動力學特性,螺栓預緊力和外部激勵的變化導致結合面法向壓力隨時間變化,結合面的接觸剛度也為時變剛度。本文采用集中質量法,結合刀座結構和結合面之間的剛度、阻尼關系,考慮刀座工作過程中所承受的沖擊載荷,建立了滾刀-刀座系統(tǒng)的動力學模型,建立了結合面剛度和螺栓預緊力、外部載荷、振動位移以及結合面接觸面積之間的量化關系,計算得到了結合面剛度的計算方法。根據機械振動相關理論,利用Newmark算法對系統(tǒng)響應進行了求解,并研究了結合面的阻尼系數、螺栓預緊力以及結合面接觸面積對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。結果表明：①上楔形塊和滾刀在各個方向的振動最為強烈,且垂向側向滾動方向;②比例阻尼系數β=10-3時,質量塊振動響應最為平穩(wěn),結合面的阻尼對螺栓的緊固效果有一定影響;③系統(tǒng)垂向響應對螺栓預緊力的變化更為敏感；④各結合面的面積增大一倍后,滾刀和上楔形塊振動位移均值分別下降了10.60%和1.63%。(3)為了驗證理論模型的正確性,本文利用液壓作動器,對試制的刀座樣件進行振動實驗,觀察統(tǒng)計刀座在不同預緊力、外載形式下的振動時域響應。研究發(fā)現：①試驗結果與仿真結果基本一致,證明了理論模型的正確性；②當滾刀振幅由4kN增加到4.75kN時,單側刀座在234kN螺栓預緊力下的垂向載荷響應振幅平均增加了0.178kN,而300kN螺栓預緊力下的垂向響應振幅平均增加了約0.35kN,接近輸入載荷；側向載荷響應的振幅增幅基本不變。③振幅與頻率并非呈線性關系,在3Hz之后,振幅的斜率遠大于之前的斜率。(4)為了解決刀座中楔形塊容易發(fā)生卡緊不方便現場換刀,且上楔形塊和滾刀的振動較為強烈的問題,本文在典型刀座系統(tǒng)動態(tài)特性研究和現有刀座結構基礎上,以提升刀座現場換刀的安全性與效率、降低滾刀和刀座振動為目的,對刀座聯(lián)接結構進行了改進設計。以實驗得到的盤形滾刀實際工作載荷為輸入,對改進刀座結構進行了動力學分析。通過對比改進前后的滾刀和楔形塊振動位移可知：滾刀和楔形塊的垂向振動位移分別降低了67%和53%,滾動方向位移分別降低了7.9%和7.6%,說明該改進刀座起到了良好的減振效果,可大大降低滾刀本身和刀座緊固螺栓的振動損傷。
【關鍵詞】：盤形滾刀 受力預測模型 滾刀刀座 結合面 振動特性
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD421.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstact6-10
• 1 緒論10-21
• 1.1 課題研究背景與工程意義10-12
• 1.2 國內外相關工作研究現狀12-19
• 1.2.1 滾刀破巖機理研究現狀12-13
• 1.2.2 滾刀受力預測模型研究現狀13-16
• 1.2.3 結合面動態(tài)特性研究現狀16-18
• 1.2.4 座結構設計研究概況18-19
• 1.3 本文主要研究內容與方法19-21
• 2 滾刀群多階段空間聯(lián)合破巖預測模型21-42
• 2.1 滾刀群多階段空間聯(lián)合破巖預測模型的建立21-37
• 2.1.1 密實核破巖機理21-23
• 2.1.2 基于密實核理論的滾刀群多階段空間復合破碎巖石機理23-26
• 2.1.3 滾刀群多階段空間復合破碎巖石受力預測模型26-35
• 2.1.4 總體模型的表達35-37
• 2.2 滾刀線切割巖石實驗37-41
• 2.2.1 實驗目的與方案37-38
• 2.2.2 理論與實驗結果與分析38-41
• 2.3 本章小結41-42
• 3 含多結合面的滾刀-刀座系統(tǒng)多自由度耦合動力學模型42-59
• 3.1 含多結合面的滾刀-刀座系統(tǒng)多自由度耦合動力學模型42-50
• 3.1.1 滾刀-刀座系統(tǒng)力學等效模型42-44
• 3.1.2 振動系統(tǒng)動力學微分方程44-47
• 3.1.3 滾刀-刀座系統(tǒng)受力分析47-49
• 3.1.4 結合面解析參數模型49-50
• 3.2 振動模型結合面動力學參數50-51
• 3.3 振動模型結構動力學參數51-57
• 3.3.1 滾刀、刀座及楔形塊等效質量51-52
• 3.3.2 滾刀、刀座及楔形塊等效剛度52-57
• 3.3.3 滾刀傾覆等效阻尼57
• 3.4 本章小結57-59
• 4 滾刀-刀座聯(lián)接結構動態(tài)特性分析59-78
• 4.1 系統(tǒng)振動響應求解59-64
• 4.1.1 微分方程初值的解析解59-61
• 4.1.2 微分方程的數值求解61-62
• 4.1.3 各部件的振動響應62-64
• 4.1.4 各部件載荷的時域響應64
• 4.2 刀座振動實驗64-71
• 4.2.1 實驗樣件設計65-67
• 4.2.2 整體方案設計67-68
• 4.2.3 實驗結果及分析68-71
• 4.3 不同因素對刀座振動響應的影響71-76
• 4.3.1 有無結合面對刀座振動響應的影響71-73
• 4.3.2 結合面阻尼系數對刀座振動響應的影響73-74
• 4.3.3 螺栓預緊力對刀座振動響應的影響74-76
• 4.3.4 結合面面積對刀座振動響應的影響76
• 4.4 本章小結76-78
• 5 刀座聯(lián)接結構優(yōu)化設計78-86
• 5.1 典型刀座結構分析78-80
• 5.2 刀座聯(lián)接結構優(yōu)化設計80-81
• 5.3 改進刀座聯(lián)接結構性能評價81-85
• 5.3.1 改進刀座聯(lián)接結構可行性分析81-82
• 5.3.2 改進刀座聯(lián)接結構動力學模型82-83
• 5.3.3 改進刀座系統(tǒng)振動響應分析83-85
• 5.4 本章小結85-86
• 結論86-88
• 參考文獻88-93
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況93-94
• 致謝94-95

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前3條

1 林家騏;研究盤形滾刀破巖機理與提高刀具使用壽命[J];福州大學學報(自然科學版);1990年01期

2 余靜;;滾壓破巖機理和參數計算[J];金屬礦山;1981年07期

3 張學良;溫淑花;蘭國生;丁紅欽;張宗陽;王曉偉;劉志恒;;平面結合面切向接觸阻尼分形模型及其仿真[J];西安交通大學學報;2011年05期

  本文關鍵詞：TBM滾刀多階段受力模型及其聯(lián)接結構動態(tài)設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：278295