TBM主机多自由度耦合动力学行为及实测验证

发布时间：2017-08-29 00:05

  本文关键词：TBM主机多自由度耦合动力学行为及实测验证

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【摘要】：全断面岩石掘进机(TBM)是集机、电、液、光等系统的工厂化流水线隧道施工装备,具有掘进速度快、综合效益高等优点,可实现复杂地理地貌长埋深隧道的施工。主机系统是TBM的核心系统,承担着TBM掘进过程中刀盘旋转和主机推进的作用。其动力学性能的好坏直接决定了TBM整机的掘进效率和使用寿命。在掘进中,由于围岩的高硬度和主机的大扭矩和推力驱动,TBM主机往往承受着来自刀盘的强冲击突变载荷,这导致了系统极端恶劣的振动。因此,对TBM主机进行动力学建模并分析其动态特性对于TBM减振设计具有重要的意义。本文基于水平支撑的敞开式TBM主驱动结构形式,考虑各时变刚度、从刀盘到主梁支撑靴多部件的整机复杂多因素关系,建立了TBM主机系统多自由度耦合的非线性动力学模型。采用Ls-Dyna对滚刀破岩过程进行动态仿真,用滚刀三向载荷合成刀盘等效载荷,并利用同相同掘进参数下的实际载荷参数对计算载荷进行均值修正。以此作为动力学模型的输入载荷。同时,搭建了一套能够在恶劣掘进条件下准确采集TBM各部位,尤其是刀盘振动数据的现场测试系统,并基于辽西北工程T6段掘进现场进行了振动实测。利用测试数据对动力学模型的刚度值进行修正。基于实验修正后的动力学模型,以实际结构参数输入,计算了该模型在刀盘转速5-6RPM,推进速度3m/h下主机系统的动力学特性。通过分析关键部件的时域和频域响应,确定了各部位的振动均值量级和振动传递规律：刀盘的三向振动均值在0.35mm-1.2mm之间,以轴向振动最大,横向振动次之,纵向振动最小；刀盘振动沿着轴向支撑方向传递到主梁位置时,其振动均值衰减为原来的43%；刀盘等主要部件的振动频率以0-5Hz为主,表现出明显的受迫振动。随后针对刀盘驱动系统,对齿轮布置形式,齿轮轴长度和刀盘转速参数对驱动系统的振动情况和均载特性进行了研究。为TBM主机系统的减振设计提供了理论参考。最后基于该动力学模型,提出了以扭矩实时信息传递为基础的机电耦合动力学模型。通过对原始耦合模型的求解,得到了输入载荷在一个计算周期下的变化情况,为后续的进一步研究奠定了基础。
【关键词】：TBM主机系统 动力学特性 机电耦合模型 现场测试
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景和意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究的工程意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 TBM刀盘载荷的研究12-14
• 1.2.2 系统动力学研究14-17
• 1.3 本文的研究内容17-19
• 1.4 本章小结19-20
• 2 TBM整机外部激励的确定20-29
• 2.1 引言20
• 2.2 盘形滚刀破岩模型20-23
• 2.2.1 岩石模型21
• 2.2.2 滚刀模型建模21-22
• 2.2.3 仿真参数的设置22-23
• 2.3 单把滚刀的三向载荷计算23-25
• 2.4 TBM主机系统外部激励的产生25-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 TBM驱动系统动力学模型及内部参数29-41
• 3.1 引言29-30
• 3.2 TBM主机系统等效力学模型的建立30-35
• 3.3 动力学系统动态激励模拟35-40
• 3.3.1 系统误差激励35
• 3.3.2 弹性协调变形条件35-36
• 3.3.3 齿轮时变啮合刚度、阻尼和啮合力的计算36-37
• 3.3.4 TBM推进油缸时变推进刚度计算37-38
• 3.3.5 TBM推进油缸处柱铰接刚度的计算38
• 3.3.6 主轴承刚度38-39
• 3.3.7 小齿轮径向刚度39
• 3.3.8 链接轴扭转刚度和阻尼计算39
• 3.3.9 其他参数的计算39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 系统动力学方程求解及动态特性分析41-50
• 4.1 引言41
• 4.2 求解方法原理及求解过程简介41-43
• 4.3 基于Newmark法的求解处理43-44
• 4.4 TBM结构参数和掘进参数44-45
• 4.5 时域振动分析45-48
• 4.6 振动频域分析48-49
• 4.7 本章小结49-50
• 5 基于现场振动测试的动态响应验证50-58
• 5.1 引言50-51
• 5.2 测试设备及测试系统的建立51-52
• 5.3 现场测试方案52-54
• 5.3.1 测试点的选取52-53
• 5.3.2 刀盘传感器的保护53-54
• 5.4 实测数据对比验证54-56
• 5.5 本章小结56-58
• 6 主机系统动力学参数分析58-66
• 6.1 引言58
• 6.2 小齿轮布置方式的影响58-61
• 6.3 小齿轮和电机连接轴长度的影响61-62
• 6.4 刀盘转速的影响62-65
• 6.4.1 不同刀盘转速下的载荷62-63
• 6.4.2 不同刀盘转速下的小齿轮振动分析63-65
• 6.5 本章小结65-66
• 7 主机系统机电耦合建模66-70
• 7.1 引言66
• 7.2 刀盘主驱动控制系统模型66-68
• 7.3 耦合关系的建立68-69
• 7.4 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士期间科研成果及科研项目75-77
• 致谢77-78

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本文编号：750212