空間分布載荷下TBM刀盤振動分析及壽命預(yù)測.pdf

1、全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)是隧道施工領(lǐng)域典型的大型復(fù)雜裝備，其技術(shù)復(fù)雜和附加值高，反映一個國家的裝備制造業(yè)水平。刀盤是TBM的核心部件，其壽命等同于TBM的壽命，掘進(jìn)過程中會遇到高硬度、高溫、高石英含量的“三高”圍巖環(huán)境，加以不同類型的滾刀群多點(diǎn)沖擊破巖特性使得刀盤振動極其劇烈，受力性態(tài)及力流傳遞規(guī)律極其復(fù)雜，導(dǎo)致刀盤在未達(dá)到預(yù)定壽命指標(biāo)前出現(xiàn)大面積損傷開裂的嚴(yán)重工程問題。其根本原因在于上述極端環(huán)境下刀盤系統(tǒng)的動力學(xué)行為及損傷機(jī)理難以預(yù)

2、測，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)沖擊環(huán)境下刀盤的減振抗損設(shè)計難度極大。因此，對TBM刀盤的動態(tài)特性及疲勞壽命進(jìn)行分析和預(yù)測，提出結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計依據(jù)，具有較大的理論價值及工程意義。本文以中方五分式刀盤為例，對其振動特性及疲勞壽命展開深入研究和探討，主要研究內(nèi)容如下:
　　1)復(fù)雜因素影響下分體式TBM刀盤系統(tǒng)多自由度耦合動力學(xué)行為及其振動機(jī)理:綜合考慮空間多點(diǎn)時變隨機(jī)激勵、輪齒嚙合剛度、間隙及軸承剛度等內(nèi)外部因素影響，推導(dǎo)構(gòu)件間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，建立分體式

3、TBM刀盤系統(tǒng)的耦合動力學(xué)模型，提出了基于Newmark-β的分體式TBM刀盤系統(tǒng)快速解耦方法，進(jìn)而分析不同掘進(jìn)參數(shù)、分體質(zhì)量參數(shù)、主驅(qū)動布置參數(shù)等復(fù)雜因素對刀盤系統(tǒng)振動特性的影響規(guī)律，并用掘進(jìn)現(xiàn)場的刀盤振動實(shí)測加速度數(shù)據(jù)驗(yàn)證及修正了動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性及可信度。
　　2)基于子模型技術(shù)的分體式刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子模型:針對刀盤結(jié)構(gòu)及邊界載荷的復(fù)雜性，其裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子難以確定。結(jié)合刀盤結(jié)合面動態(tài)載荷及多滾刀空間時變激勵，采用

4、雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到8級等效的疲勞載荷譜，提出基于子模型技術(shù)的分體式刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子計算方法，并用Newman-Raju公式進(jìn)行了方法的驗(yàn)證。進(jìn)而，分析裂紋位置角、形狀比及相對深度等參數(shù)對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，揭示了不同參數(shù)下裂紋尖端的主導(dǎo)擴(kuò)展規(guī)律。
　　3)復(fù)雜邊界條件下TBM刀盤的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測及參數(shù)影響:基于各級等效的疲勞載荷譜，擬合分體刀盤薄弱部位裂紋尖端最深處等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的數(shù)學(xué)表達(dá)，分析刀盤的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，

5、基于Newman模型及累積損傷理論建立其疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型，進(jìn)而預(yù)測疲勞壽命，并用刀盤特征子結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時，分析不同盤體結(jié)構(gòu)參數(shù)、裂紋尺寸參數(shù)及擴(kuò)展速率參數(shù)對刀盤壽命的影響規(guī)律，為刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗損準(zhǔn)則、故障檢修策略及選材提供借鑒。
　　4)遼西北供水工程TBM刀盤振動特性及壽命預(yù)測:為進(jìn)一步驗(yàn)證本文模型及方法的有效性及實(shí)用性，以遼西北供水工程刀盤為例，采用本文方法建立其系統(tǒng)振動模型，計算刀盤的動態(tài)響應(yīng)及結(jié)