一种用于TBM刀盘减振的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种用于TBM刀盘减振的设计方法，属于全断面隧道掘进机减振设计领域。TBM在极其复杂的地质环境中破碎岩石，在长期恶劣的工况条件下频繁承受冲击载荷，振动剧烈。针对TBM在破岩过程中，滚刀与岩石之间强烈的相互作用使TBM刀盘产生剧烈振动的问题，从更换零部件材料的角度，力求在贴近滚刀处减振，现将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，通过阻尼合金的内耗将振动减弱。另外，通过对不同结构刀盘在不同工况下的仿真分析，找出刀盘上振动剧烈的区域，并将该区域内滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，以降低减振成本，从而实现将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金来减振的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种用于TBM刀盘减振的设计方法
本专利技术属于全断面隧道掘进机设计
，在已有的传统全断面隧道掘进机的滚刀-刀座连接结构基础上，设计了一种将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金的TBM刀盘减振方案。
技术介绍
近些年来，随着经济的飞速发展和科技的进步，以及人口的迅猛增长导致了土地资源的日益贫乏，世界各国逐渐开始加强对地下空间的开发。全断面隧道掘进机(TBM)作为隧道施工领域的大型高端装备的应用也越来越广泛。目前，全断面隧道掘进机广泛应用于水利、电力、铁道、煤矿、交通以及城市地下工程等领域。TBM在极其复杂的地质环境中破碎岩石，在长期恶劣的工况条件下频繁承受冲击载荷，刀盘振动剧烈。TBM在工作过程中强烈的振动会严重影响掘进效率，导致刀盘筋板开裂、刀盘刀座焊缝开裂、主轴承密封失效等严重的工程问题，增加了机器的维修成本和工程周期。滚刀作为全断面隧道掘进机与岩石接触的部件，直接参与破岩过程，承受着空间多点随机载荷的共同作用，振动剧烈并且其振动形式经楔形块、刀座传递给刀盘，其连接结构如图1所示。目前，在机械减振领域已经出现了两种基本途径：一是设计和采用减振结构；二是研制和采用阻尼材料。在全断面隧道掘进机的减振领域，目前国内外已经有部分学者和企业进行了一定的研究，但他们仅从改进机械结构的机理来考虑减振问题，并且减振效果一般。目前，在材料减振的领域，阻尼合金材料的研制已经脱离实验室并且已经应用于生产实践，具有结构简便、体积小、轻量化等优点，广泛应用于船舶、航空航天、家用电器等领域。基于以上情况，本专利技术提出了将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金的TBM刀盘减振方案。TBM刀盘减振效果明显，减少了振动对TBM其他部件的损伤，也大大降低了减振所需的成本。
技术实现思路
本专利技术立足于解决全断面隧道掘进机在掘进过程中刀盘强烈的振动问题。在破岩过程中，岩石与滚刀之间强烈的相互作用作为振源，力求在贴近振源处减振，以减少振动对其他部件的影响。现以传统的滚刀-刀座连接结构为基础，利用阻尼合金可以通过自身内耗减振的特点，通过将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金来达到减振的目的。另外，由于阻尼合金价格昂贵，刀盘上滚刀数量较多，若将所有滚刀连接楔形块材料全部更换为阻尼合金，成本较大。因此，本专利技术将TBM刀盘(如图2)划分为若干区域，将刀盘振动剧烈区域内的滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，降低了减振所需成本，从而实现将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金来减振的目的。本专利技术的技术方案：一种用于TBM刀盘减振的设计方法，将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，具体材料优化模型公式如下：其中，x为刀盘区域的序号；f(x)为刀盘待更换区域的序号；δ为划分角度系数，其取值范围为0.95～1.12，在刀盘的圆周方向上划分的单位角度值越小，其值越小(本模型取δ＝1)；为刀盘结构系数，其取值范围为0.91～1.04，刀盘本体分块越多，值越大(本模型取)；R1、R2分别为正滚刀区域和边滚刀区域的直径系数，其取值范围分别为2.603～3.535、0.346～1.705，圆周直径越大，其取值越大；a为二项系数，其取值范围为0.415～0.487；b为指数系数，其取值范围为2.92～6.99；c为正弦系数，其取值范围为3.209～8.063；d为初相系数，其取值范围为3.224～3.649，以上系数均随刀盘在圆周方向上划分的单位角度值的减小而增大；模型说明：(1)先建立TBM刀盘简化模型(如图3)，以刀盘中心为圆心，分别以中心滚刀与刀盘圆心的最大距离、边滚刀与刀盘圆心的最小距离为半径做圆，将刀盘在径向方向上划分为三个区域，从内向外分别为中心滚刀区域3-1、正滚刀区域3-2和边滚刀区域3-3；(2)以通过刀盘中心的水平线作为第一块薄板，以第一块薄板为基准，按照一定的角度值(本模型以30°为例)将刀盘在圆周方向上等分为若干区域，按顺时针方向由内向外依次编写刀盘区域的序号x，x＝1、2、3、…、n；在正滚刀区域3-2中，从左侧开始，将位于第一块薄板上方的区域的序号记为1，编写完正滚刀区域3-2后，按照同样的方式编写边滚刀区域3-3；(3)现将步骤(2)已经编写的序号带入材料优化模型，求解f(x)值，若其值为非整数时，取整数部分即可；所求得的值便为需要将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金区域的序号(如图3阴影区域)；直到f(x)≥x停止带入，得到的结果即为全部需要替换的区域。由于TBM在掘进过程中工况的复杂性，这一替换模型并不是准确计算值，具有一定的误差，其误差在工程上可以接受。本专利技术的有益效果：针对TBM在破岩过程中刀盘强烈的振动问题，本专利技术提出了材料替换优化模型，将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，刀盘减振效果明显，减少了振动对TBM其他部件的损伤，也大大降低了减振所需的成本。另外，本专利技术采用了更换零件材料的方式来达到减振的目的，使TBM的减振方式更加丰富、多样化。附图说明图1是TBM滚刀-刀座连接结构。图2是TBM刀盘模型。图3是TBM刀盘划分区域模型。图中：1-1上楔形块；1-2下楔形块；2-1边滚刀；2-2正滚刀；2-3中心滚刀；3-1中心滚刀区域；3-2正滚刀区域；3-3边滚刀区域。具体实施方式下面结合本专利技术的附图和技术方案详细说明本专利技术的具体实施方式。1、将TBM刀盘划分为不同区域并编号。以刀盘中心为圆心，分别以中心滚刀与刀盘圆心的最大距离、边滚刀与刀盘圆心的最小距离为半径做圆，将刀盘在径向方向上划分为三个区域,从内向外分别为中心滚刀区域3-1、正滚刀区域3-2和边滚刀区域3-3。以通过刀盘中心的水平线作为第一块薄板，以第一块薄板为基准，按照一定的角度值(本模型以30°为例)将刀盘在圆周方向上等分为若干区域，按顺时针方向由内向外依次编写刀盘区域的序号x，x＝1、2、3、…、n；在正滚刀区域3-2中，从左侧开始，将位于第一块薄板上方的区域的序号记为1，编写完正滚刀区域3-2后，按照同样的方式编写边滚刀区域3-3；2、确定需要将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金区域的序号。现将步骤(2)已经编写的序号带入材料优化模型，求解f(x)值，若其值为非整数时，取整数部分即可；所求得的值便为需要将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金区域的序号(如图3阴影区域)；直到f(x)≥x停止带入，得到的结果即为全部需要替换的区域。另外，采用此种方式将刀盘划分区域时，存在着一把滚刀被分割成两部分，并且这两部分分别在不同的区域内，若其中有一部分出现在振动剧烈的区域内，则只需将该把滚刀连接上楔形块材料更换为阻尼合金即可。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于TBM刀盘减振的设计方法，其特征在于，该设计方法将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，具体材料优化模型公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种用于TBM刀盘减振的设计方法，其特征在于，该设计方法将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，具体材料优化模型公式如下：其中，x为刀盘区域的序号；f(x)为刀盘待更换区域的序号；δ为划分角度系数，其取值范围为0.95～1.12，在刀盘的圆周方向上划分的单位角度值越小，其值越小；为刀盘结构系数，其取值范围为0.91～1.04，刀盘本体分块越多，值越大；R1、R2分别为正滚刀区域和边滚刀区域的直径系数，其取值范围分别为2.603～3.535、0.346～1.705，圆周直径越大，其取值越大；a为二项系数，其取值范围为0.415～0.487；b为指数系数，其取值范围为2.92～6.99；c为正弦系数，其取值范围为3.209～8.063；d为初相系数，其取值范围为3.224～3.649，以上系数均随刀盘在圆周方向上划分的单位角度值的减小而增大；模型说明：(1)先建立TBM...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍军周，季文博，徐兆辉，孟智超，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21