硬岩掘进装备支撑系统接触界面变刚度特性研究

发布时间：2018-10-17 07:22

【摘要】：硬岩掘进装备（Tunnel Boring Machine简称TBM）是国家重大装备制造创新体系的重要组成部分，反映了一个国家的综合实力和科技发展水平在掘进工作过程中冗余驱动推进系统的末端撑靴直接支撑在已经开挖的隧道表面上，由于岩石的脆性特性和刀盘的破岩机理，在掘进过程中推进系统受到很大的冲击和振动载荷作用，加之开挖后的隧道表面凹凸不平，与撑靴接触的岩石表面的变形、损伤以及突变载荷下部分岩石的失效，会造成撑靴与岩石的接触界面特性发生突变，引起推进系统载荷和动力学特性的不可预测性，由此带来位姿变化严重时会造成掘进机在隧道中出现堵转、偏航等事故，带来巨大的经济损失。 本文针对TBM支撑系统的末端撑靴与隧道粗糙岩石表面的界面之间的接触刚度进行了研究。针对变化的表面粗糙度、岩石的脆性失效特性以及变化的外部载荷与接触刚度之间的关系进行了理论分析，并用数值的方法验证了理论模型的正确性，分析了复合岩石结构、双撑靴结构等与接触刚度之间的关系，在此基础上采用模糊算法对多个参数的撑靴与岩石表面的接触刚度不确定特性进行了初步的研究。研究结果对TBM动力学特性分析具有重要的意义。论文的研究内容包括以下几个部分： （1）不同岩石粗糙表面的界面接触刚度数学模型及特性分析 考虑TBM撑靴系统和隧道岩石粗糙表面的接触特点，基于分形理论方法推导了适合于三维接触表面的法向和切向界面接触刚度公式。并在该数学模型的基础上分析了分形维数、特征尺度系数、岩石的硬度和弹性模量、岩石表面粗糙度、岩石破坏失效以及外部载荷变化过程对法向和切向界面接触刚度的影响及变化规律。研究结果表明法向接触刚度随着法向载荷的增加而增大，切向接触刚度的变化规律与切向载荷的加载路径有关，对于法向力不变，，切向力增大情形，切向接触刚度随着切向载荷的增大而减小。而法向载荷和切向载荷均增大时，切向刚度随着切向载荷的增加而增加。对于确定的法向载荷，而切向载荷大小不变，方向改变时，接触刚度与法向力和切向力之间的关系相关，如果切向力小于临界载荷值，则切向接触刚度随着切向载荷的增加而增加，当切向力大于临界值时，切向刚度随着切向载荷的增加而减小。 （2）不同参数下粗糙表面界面接触刚度特性的数值研究 根据分形理论公式，得到描述岩石粗糙表面的特征点，基于这些点拟合得到空间隧道岩石粗糙表面，建立粗糙表面与撑靴接触数值仿真模型，得到撑靴与岩石粗糙表面接触过程中法向与切向接触刚度的变化规律和理论模型基本保持一致。进而分析了复合岩石、双撑靴结构对接触刚度的影响。研究发现不同岩石在变化过程中会相互影响，从而影响法向和切向接触刚度的变化。双撑靴接触区域由于岩石的相互之间的作用，最大接触刚度远大于单个撑靴时接触刚度。 （3）变工况TBM撑靴系统与隧道表面界面接触刚度特性 针对在施工过程中出现的接触区域岩石成分的多样化的特点，运用模糊理论研究了接触区域内岩石的弹性模量、特征尺度系数以及两者均不确定时对接触过程中法向接触刚度和切向接触刚度的影响。研究发现建立不确定参数的模糊数学模型，能够预测接触刚度的变化范围以及其概率的大小。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U455.31

【参考文献】

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本文编号：2275949