一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法技术

本发明专利技术设计了一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法，属于全断面隧道掘进机减振技术领域。一种用于TBM支撑壳体的智能减振系统，主要由机械装置、传感测试系统和控制系统三部分组成。该系统可根据TBM支撑壳体实际振动水平，主动调节磁流变阻尼器输出阻尼力，从而大幅度提高减振效果，实现TBM主机系统振动的智能控制，有效的保证了TBM各关键部件的使用寿命，提高了TBM掘进效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法
本专利技术属于全断面隧道掘进机减振
，根据传统全断面隧道掘进机支撑壳体结构空间，结合磁流变和调谐质量原理，设计了一种用于TBM支撑壳体的智能振动控制系统，具体为一种TBM支撑壳体轴向-倾覆振动控制系统及控制方法。
技术介绍
全断面隧道掘进机(TBM)是一种集掘进、出渣和支护于一体的高端隧道掘进装备，由于它具有掘进效率高、工作安全可靠和污染小等优点，越来越多的工程采用TBM施工。TBM工作环境恶劣，在掘进过程中刀盘承受多点强冲击突变载荷，导致主机系统振动剧烈，剧烈的振动往往导致刀盘面板开裂、主轴承密封失效、主梁焊缝开裂等严重工程问题。由于TBM主机系统结构紧凑，关键部件出现损坏时难以维修和更换，严重时可能会造成整机的报废，严重影响工程周期。因此，研制一种用于TBM主机系统减振的方法具有十分重要的意义。磁流变阻尼器是以磁流变液为工作液，利用磁流变液可在磁场作用下瞬间从自由流动的液体转换为半固体的特性，通过向阻尼器线圈中通入不同的电流改变阻尼器内部磁场，以实现输出不同阻尼力。由于磁流变阻尼器具有体积小、响应快、阻尼力连续可调等优点，已经广泛应用于汽车、航天等领域。基于以上情况，本专利技术针对现有主驱动系统质量调谐减振装置鲁棒性差、减振效果差和减振频带宽度窄的缺点，提出了一种将磁流变阻尼器替换质量调谐减振装置中阻尼单元的减振方案，同时基于频域分析制定了一种智能振动控制策略，充分发挥了磁流变阻尼器阻尼连续可调的优点，更加有效的降低了TBM主机系统各关键部件的振动响应。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有主驱动系统质量调谐减振装置的不足，利用质量调谐减振装置减振效果对阻尼变化敏感以及磁流变阻尼力连续可调的特点，提出了一种基于磁流变和质量调谐原理的智能减振系统及控制方法。该系统可以根据TBM主机系统实际振动水平主动施加合适阻尼力，克服了现有被动减振系统的不足，实现了TBM主机系统振动的智能控制。本专利技术的技术方案：一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法，用于TBM支撑壳体的智能减振系统，主要由机械装置1、传感测试系统2和控制系统3三部分组成；所述的机械装置1主要由连杆2-1、滑块2-2、导杆2-3、传力块2-4、护盾2-5、磁流变阻尼器2-6和弹簧2-7组成；其中，传力块2-4上加工有通孔，与连杆2-1通过销轴连接，用以限制二者只有绕y轴的旋转自由度；滑块2-2内侧面加工有与传力块2-4外侧面相配合的梯形孔，同时在滑块2-2和护盾2-5两侧面加工有与导杆2-3相配合的通孔，连杆2-1、滑块2-2、导杆2-3和传力块2-4构成运动转化装置，将支撑壳体的轴向(Z轴方向平移)和倾覆(Y轴方向旋转)运动转化为护盾2-5的轴向(Z轴方向平移)运动；弹簧2-7穿过导杆2-3，两端分别焊接到护盾2-5内侧面和滑块2-2外侧面，用来提供机械装置支撑刚度，磁流变阻尼器2-6通过螺栓与护盾2-5内侧面和滑块2-2外侧面连接，用以提供机械装置阻尼力。机械装置示意图如图2所示。所述的传感测试系统2主要由第一速度传感器3-1和第二速度传感器3-2组成，传感测试系统示意图如图3所示。速度传感器均通过强力磁座吸附到支撑壳体外侧面，布置位置与支撑壳体质心处于同一水平线上，且关于支撑壳体质心对称，测量轴向加速度a和倾覆角加速度β原理如下式所示：其中：和分别为第一速度传感器3-1在第n次和第n-1次采集到的速度值；和分别为第二速度传感器3-2在第n次和第n-1次采集到的速度值；l为速度传感器到支撑壳体质心垂直距离；Δt为速度传感器采集相邻两次数据的时间差，其值由控制系统3设定。所述的控制系统3主要有PC机、DSP控制器、中间继电器、PWM、IGBT驱动、降压斩波电路和电流传感器组成。DSP控制器通过自身输出接口分别与PC机、PWM相连，PWM通过IGBT驱动与降压斩波电路串联，电流传感器、中间继电器1控制的常开开关和中间继电器2控制的常闭开关依次接入降压斩波电路-磁流变阻尼器电流回路，控制系统示意图如图4所示。DSP控制器接受来自传感测试系统2采集的速度信号，根据振动特性规律，计算出目标电流，并经PWM、降压斩波电路多级调节电流特性，获得连续可调的控制电流，并输出给磁流变阻尼器2-6的线圈，从而使磁流变阻尼器2-6内部磁场发生变化，实时提供系统所需最优阻尼力，降低TBM支撑壳体振动水平。PC机通过DSP控制器接口进行数据传输，实时显示TBM智能振动控制系统状态。本专利技术的有益效果：本专利技术基于磁流变和调谐质量原理设计了一套用于TBM支撑壳体的智能振动控制系统，能够有效解决现有主驱动系统质量调谐减振装置鲁棒性差、减振效果差和减振频带宽度窄的问题。该系统可根据TBM支撑壳体实际振动水平，主动调节磁流变阻尼器输出阻尼力，从而大幅度提高减振效果，实现TBM主机系统振动的智能控制，有效的保证了TBM各关键部件的使用寿命，提高TBM掘进效率。附图说明图1是智能减振系统总示意图。图2是机械装置示意图。图3是传感测试系统示意图。图4是控制系统示意图。图5是控制原理图。图中：1机械装置；2传感测试系统；3控制系统；2-1连杆；2-2滑块；2-3导杆；2-4传力块；2-5护盾；2-6磁流变阻尼器；2-7弹簧；3-1第一速度传感器；3-2第二速度传感器。具体实施方式下面结合附图和技术方案详细说明本专利技术的具体实施方式。参照图2，整个机械装置装配过程如下：步骤一：将连杆2-1与传力块2-4通过销轴连接；步骤二：将传力块2-4固定到滑块2-2梯形槽内，同时调整滑块2-2与护盾2-5的相对位置，使两部件上开有的导杆孔同心；步骤三：将弹簧2-7和导杆孔中心轴线重合，并通过焊接的方式将两端分别固定到滑块2-2外侧面和护盾2-5内侧面；步骤四：将导杆2-3依次穿过护盾2-5、弹簧2-7、滑块2-2；步骤五：将磁流变阻尼器2-6两端通过螺栓分别固接到滑块2-2外侧面和护盾2-5内侧面，并将电流线引出与控制系统电流接口相连。机械装置中单根弹簧刚度由下式确定：k＝π2fm其中：k为单根弹簧刚度；f为TBM支撑壳体主要振动频率，其值由现场实测支撑壳体振动数据求解得到；m为护盾质量，其值由实际测得。参照图3，传感测试系统由第一速度传感器3-1和第二速度传感器3-2组成，通过强力磁座与支撑壳体外侧面相连，其布置在楔块连接孔和电机之间，对称布置在支撑壳体质心两侧，且与支撑壳体质心处于同一水平位置。参照图1、图4和图5，为保证控制系统硬件工作的可靠性，将控制系统硬件布置点选取在振动水平较低的主梁后段。TBM在掘进过程中，安装在支撑壳体上的第一速度传感器3-1和第二速度传感器3-2将所测信号传递给DSP控制板，DSP控制板首先进行数据处理，将支撑壳体速度信号转化为加速度和角加速度信号，然后对加速度信号和角加速度信号进行FFT变换，若两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法，其特征在于，用于TBM支撑壳体的智能减振系统，主要由机械装置(1)、传感测试系统(2)和控制系统(3)三部分组成；/n所述的机械装置(1)主要由连杆(2-1)、滑块(2-2)、导杆(2-3)、传力块(2-4)、护盾(2-5)、磁流变阻尼器(2-6)和弹簧(2-7)组成；其中，传力块(2-4)上加工有通孔，与连杆(2-1)通过销轴连接，用以限制二者只有绕y轴的旋转自由度；滑块(2-2)内侧面加工有与传力块(2-4)外侧面相配合的梯形孔，同时在滑块(2-2)和护盾(2-5)两侧面加工有与导杆(2-3)相配合的通孔，连杆(2-1)、滑块(2-2)、导杆(2-3)和传力块(2-4)构成运动转化装置，将支撑壳体的轴向和倾覆运动转化为护盾(2-5)的轴向运动；弹簧(2-7)穿过导杆(2-3)，两端分别焊接到护盾(2-5)内侧面和滑块(2-2)外侧面，用来提供机械装置支撑刚度，磁流变阻尼器(2-6)通过螺栓与护盾(2-5)内侧面和滑块(2-2)外侧面连接，用以提供机械装置阻尼力；/n所述的传感测试系统(2)主要由第一速度传感器(3-1)和第二速度传感器(3-2)组成；速度传感器均通过强力磁座吸附到支撑壳体外侧面，布置位置与支撑壳体质心处于同一水平线上，且关于支撑壳体质心对称，测量轴向加速度a和倾覆角加速度β如下式所示：/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于TBM支撑壳体减振的设计方法，其特征在于，用于TBM支撑壳体的智能减振系统，主要由机械装置(1)、传感测试系统(2)和控制系统(3)三部分组成；
所述的机械装置(1)主要由连杆(2-1)、滑块(2-2)、导杆(2-3)、传力块(2-4)、护盾(2-5)、磁流变阻尼器(2-6)和弹簧(2-7)组成；其中，传力块(2-4)上加工有通孔，与连杆(2-1)通过销轴连接，用以限制二者只有绕y轴的旋转自由度；滑块(2-2)内侧面加工有与传力块(2-4)外侧面相配合的梯形孔，同时在滑块(2-2)和护盾(2-5)两侧面加工有与导杆(2-3)相配合的通孔，连杆(2-1)、滑块(2-2)、导杆(2-3)和传力块(2-4)构成运动转化装置，将支撑壳体的轴向和倾覆运动转化为护盾(2-5)的轴向运动；弹簧(2-7)穿过导杆(2-3)，两端分别焊接到护盾(2-5)内侧面和滑块(2-2)外侧面，用来提供机械装置支撑刚度，磁流变阻尼器(2-6)通过螺栓与护盾(2-5)内侧面和滑块(2-2)外侧面连接，用以提供机械装置阻尼力；
所述的传感测试系统(2)主要由第一速度传感器(3-1)和第二速度传感器(3-2)组成；速度传感器均通过强力磁座吸附到支撑壳体外侧面，布置位置与支撑壳体质心处于同一水平线上，且关于支撑壳体质心对称，测量轴向加速度a和倾覆角加速度β如下式所示：






其中：和分别为第一速度传感器(3-1)在第n次和第n-1次采集到的速度值；和分别为第二速度传感器(3-2)在第n次和第n-1次采集到的速度值；l为速度传感器到支撑壳体质心垂直距离；Δt为速度传感器采集相邻两次数据的时间差，其值由控制系统(3)设定；
所述的控制系统(3)包括PC机、DSP控制器、中间继电器、PWM、IGBT驱动、降压斩波电路和电流传感器；DSP控制器通过自身输出接口分别与PC机、PWM相连，PWM通过IGBT驱动与降压斩波电路...

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