一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法，所述硬岩掘进机包括主梁和设置于主梁前端的传动模块，所述主梁通过传动模块连接有刀盘，所述传动模块的外周设置有护盾，所述主梁的底部设置有支撑模块；所述传动模块包括电机和承载电机的机头架，所述电机与刀盘传动连接，用于带动刀盘旋转，所述主梁和刀盘通过机头架连接；所述刀盘、机头架、护盾、主梁和支撑模块的空腔内填充有金属颗粒。本发明专利技术重新布局并合理利用硬岩掘进机关键部件的内部空间，进行颗粒阻尼设计和填充，能够大幅度降低硬岩掘进设备作业时刀盘及整机的振动，提高施工效率。提高施工效率。提高施工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法


[0001]本专利技术属于全断面隧道掘进机减振降噪
，涉及一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法。

技术介绍

[0002]盾构机作为集多种技术于一体的现代化隧道专用装备，有着巨大的发展空间，其具有快速、优质、安全、经济和环境友好等优点，对提升我国现代化建设水平具有重要意义。盾构机，尤其是以TBM硬岩掘进机为代表的全断面隧道掘进机是集掘进、排碴、衬砌等功能为一体的面向硬岩地质和复合地层的大型隧道掘进装备，具有诸多优势，广泛应用于高速铁路、公路、地铁、水利和国防等基本建设需求，其技术复杂、附加值高，反映了一个国家的装备制造业水平。
[0003]而TBM硬岩掘进机在掘进过程中由于刀盘受到交变力作用和其它随机因素的影响，表现出剧烈的振动,并对刀盘结构和整机关键部件形成潜在的破坏威胁。因此，一方面必须对刀盘处因交变力引起的振动进行约束,另一方面对振动在设备结构的传递路径上进行控制，才能保证刀盘和整机的振动在允许范围内。而对振动的主要控制措施有增强结构的静刚度、动刚度和阻尼作用两方面。目前学术及工业界也提出了多种减振措施，涉及主动及被动减振方案。
[0004]现有技术中，专利CN214303843U则公开了一种用于敞开式TBM施工的主动减振系统，其方案是：该系统包括若干个测振仪组件、若干个震源组件以及系统主机；测振仪通过第一固定装置固定在TBM刀盘支撑体上；测振仪包括检波器、数据采集模块、数据存储模块、模数转换模块、微处理器、无线数据传输装置和电池，用于TBM掘进过程中刀盘振动信号的拾取、采集、存储和数字化输出；震源通过第二固定装置固定在TBM主梁上，震源通过电源线缆与TBM设备电连接，震源用于激发使TBM减振的振动波；系统主机分别和测振仪、震源连接；用于测振仪获取信号的处理分析、提供震源的使用方式及参数设定。
[0005]另外，专利CN109522626A公开了一种用于TBM刀盘减振的设计方法，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。
[0006]上述已经公开的两种针对TBM减振方案分别从主动减振和被动减振两个角度进行尝试。主动减振系统因搭载各种检测仪器和处理器，具有信息反馈及处理实时及快速的特点，但TBM硬岩掘进机和双模盾构机长时间处于较为恶劣的工况环境，其刀盘和整机的振动异常剧烈，而TBM硬岩掘进机的刀盘又面临进渣碎石和洞壁渗水的冲击，使安装于刀盘内部的检测仪器处于高危状态，生存环境极差，极易造成仪器损坏，使系统失效，更换成本极高，实用性差；而被动减振采用阻尼合金方案，虽然可以在一定程度上减振，但阻尼合金使用条
件较为苛刻，而盾构机工作时长时间处于高振幅状态，并且滚刀破岩产生的热量又使刀盘整体处于一个较高温度环境，阻尼合金性能极易退化，从而造成减振系统失效。
[0007]分析TBM硬岩掘进机的结构不难发现，无论是刀盘还是整机其它核心部件，其结构和质量已经处于一个较为平衡稳定的状态，单纯增强机械结构的静刚度和动刚度的手段极其有限；即使有办法增强动静刚度，而刀盘在施工过程中产生的振动能量丝毫没有减弱，那么有可能会引起刀盘和整机结构更为严重的共振出现。只有通过合理添加阻尼的方式，将刀盘在施工过程中产生的振动能量在设备传递路径上耗散，才能使振动降到合理的范围内。由于TBM硬岩掘进机整体结构需要一定刚度来保证施工推力，因此，传统的阻尼器，如弹簧和柔性结构不仅无法将刀盘在破岩过程中产生的振动能量在设备传递路径上耗散，而且还会降低刀盘推进力，降低破岩效果。
[0008]综上考虑，颗粒阻尼减振降噪技术是完全可以满足TBM硬岩掘进机减振需求的。从前期TBM硬岩掘进机施工现场振动实测的分析结果可知，其刀盘及整机的振动特性完全在颗粒阻尼的效果范围之内。颗粒阻尼技术通过阻尼器内部的颗粒碰撞来实现振动耗能，它具有使用频域范围广(0～6000Hz)、耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感等诸多优点。颗粒阻尼对于中低频、大振幅和大冲击的减振效果尤其明显，这一点与TBM硬岩掘进机的振动特性相符。
[0009]目前，尚未有采用颗粒阻尼技术的TBM硬岩掘进机，因此，需要从技术原理出发，对TBM硬岩掘进机关键部件进行全面的分析，并对关键部件进行颗粒阻尼技术优化改进，达到减振的目的。

技术实现思路

[0010]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法，能够大幅度降低硬岩掘进设备作业时刀盘及整机的振动，提高施工效率。
[0011]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0012]第一方面，本专利技术提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机，所述硬岩掘进机包括主梁和设置于主梁前端的传动模块，所述主梁通过传动模块连接有刀盘，所述传动模块的外周设置有护盾，所述主梁的底部设置有支撑模块。
[0013]所述传动模块包括电机和承载电机的机头架，所述电机与刀盘传动连接，用于带动刀盘旋转，所述主梁和刀盘通过机头架连接。
[0014]所述刀盘、机头架、护盾、主梁和支撑模块的空腔内填充有金属颗粒。
[0015]硬岩掘进机在掘进作业中，其刀盘的滚刀破岩过程是振动产生的源头，而刀盘、机头架、护盾、主梁、支撑模块等主要结构是振动传递的主要路径。单纯增大这些结构的重量或使用传统减振装置也是一种抑振途径，但是无法有效减弱振动产生的巨大能量，增大重量的方法容易造成机体共振的产生，危害更甚，而且还会增加整机加工制造成本。因此，本专利技术重新布局并合理利用这些结构内部空间，进行颗粒阻尼设计和填充，能够大幅度降低硬岩掘进设备作业时刀盘及整机的振动，提高施工效率，延长设备零部件及整机寿命，还可以降低设备的制造、维修和保养成本。
[0016]需要说明的是，本专利技术填充的颗粒可以是任意形状的金属和非金属颗粒，但是从
成本、制作周期和使用效果来分析，球形铁颗粒是最理想选择。
[0017]若需技术改进的目标TBM硬岩掘进设备机型整体尺寸不大，主机系统关键结构内部可以填充阻尼颗粒的密闭空间较小，在不影响主机正常工作的前提下，通过计算设计可将颗粒阻尼制作成独立器件固定安装在TBM硬岩掘进机主机系统振动传递路径结构上。
[0018]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀。
[0019]优选地，所述刀箱板包括平行设置的刀箱前板和刀箱后板，沿所述刀箱前板和刀箱后板的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板、刀箱后板和导向外周板围成刀箱板空腔。
[0020]优选地，所述刀箱板空腔内设置有若干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机，其特征在于，所述硬岩掘进机包括主梁和设置于主梁前端的传动模块，所述主梁通过传动模块连接有刀盘，所述传动模块的外周设置有护盾，所述主梁的底部设置有支撑模块；所述传动模块包括电机和承载电机的机头架，所述电机与刀盘传动连接，用于带动刀盘旋转，所述主梁和刀盘通过机头架连接；所述刀盘、机头架、护盾、主梁和支撑模块的空腔内填充有金属颗粒。2.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀；优选地，所述刀箱板包括平行设置的刀箱前板和刀箱后板，沿所述刀箱前板和刀箱后板的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板、刀箱后板和导向外周板围成刀箱板空腔；优选地，所述刀箱板空腔内设置有若干径向结构板和若干隔板，所述径向结构板和隔板将刀箱板空腔分割为若干刀箱板填充腔，所述刀箱板填充腔内填充有粒径不同的金属材质的刀箱板颗粒；优选地，所述刀箱板颗粒的填充率为95～99％；优选地，所述刀箱板颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述刀箱板颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述刀箱板颗粒按照粒径大小分为刀箱板大颗粒和刀箱板小颗粒；优选地，所述刀箱板大颗粒和刀箱板小颗粒的重量比为1/6～1/4；优选地，所述刀箱板大颗粒的粒径为3.5～5mm；优选地，所述刀箱板小颗粒的粒径为2～3mm；优选地，所述刀箱板颗粒包括铁颗粒。3.根据权利要求1或2所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述机头架包括同轴设置的机头外架和机头内架，所述机头外架位于机头内架的内部，所述机头内架和机头外架之间设置有环形肋板，所述环形肋板的内周面对接机头外架的内周面，所述环形肋板的外周面对接机头内架的外周面；所述机头外架、机头内架和环形肋板的空腔内填充有粒径不同的金属材质的机头架颗粒；优选地，所述机头架颗粒的填充率为95～99％；优选地，所述机头架颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述机头架颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述机头架颗粒按照粒径大小分为机头架大颗粒和机头架小颗粒；优选地，所述机头架大颗粒和机头架小颗粒的重量比为1/6～1/3；优选地，所述机头架大颗粒的粒径为3.5～5mm；优选地，所述机头架小颗粒的粒径为2～3mm；优选地，所述机头架颗粒包括铁颗粒。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述电机的输出轴连接有减速器，所述电机和减速器外周设置有具有空腔的颗粒阻尼套环；优选地，所述颗粒阻尼套环包括由内至外依次嵌套的内筒和外筒，所述外筒和内筒之间形成环形空腔，所述环形空腔的两端的敞口处分别设置有环形端盖，所述环形空腔内填
充有金属材质的套环颗粒；优选地，所述套环颗粒的填充率为99％；优选地，所述套环颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述套环颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述套环颗粒的粒径为2～3mm；优选地，所述套环颗粒包括铁颗粒。5.根据权利要求1
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4任一项所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述护盾包括顶护盾、底护盾，所述顶护盾和底护盾分别位于传动模块的顶部和底部；优选地，所述顶护盾包括由下至上间隔设置的内圈板和外圈板，所述内圈板和外圈板为弧形柱状，所述内圈板和外圈板之间形成弧形空腔；所述弧形空腔内设置有若干径向隔板，所述径向隔板将弧形空腔分隔为若干顶护盾填充腔，所述顶护盾填充腔内填充有金属材质的护盾颗粒；优选地，所述护盾颗粒的填充率为95～99％；优选地，所述护盾颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述护盾颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述护盾颗粒的粒径为2～3mm；优选地，所述护盾颗粒包括铁颗粒；优选地，所述底护盾和顶护盾的结构相同，所述底护盾的填充腔内填充有护盾颗粒，所述底护盾和顶护盾上下对称设置。6.根据权利要求1
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5任一项所述的硬岩掘进...

【专利技术属性】
技术研发人员：段东平，高扬，张晓冬，任玉枝，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
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