全断面岩石掘进机刀盘系统的动力响应分析

摘要

在现代地下隧道工程建设中，全断面岩石隧道掘进机，简称TBM(Tunnel Boring Machine)，具有高效、安全、自动化程度高等特点，已经得到越来越广泛的应用。刀盘连同滚刀装配组成的刀盘系统是TBM的重要部件之一。在施工过程中，TBM刀盘系统作业环境恶劣、受力条件复杂，会产生各种形式的振动。深入研究其动力响应，对整个TBM的施工性能预测有较大工程意义。 （1）TBM刀盘系统的振动，大体上可以看作是薄圆板在多个与时间相关集中力作用下的复杂振动。本文首先根据弹性体振动理论，求出了薄圆板振动的固有频率与主振型，并就单个及多个时间相关集中力作用下圆板的受迫振动进行了解析分析，得到了其级数形式的解析解。 （2）利用ANSYS对TBM刀盘系统进行了模态分析，得到了涉及面板大部分范围弯曲变形的整体模态，也发现了仅限于刀盘系统肋板弯曲的局部模态，并将整体模态与薄圆板的理论模态进行了对比分析。求出了刀盘系统各阶固有频率，可为防止低频共振提供依据。 （3）对刀盘系统的启动过程进行了瞬态动力学分析，得到了刀盘系统上各点在启动时的位移-时间曲线与速度-时间曲线。绘出了在切深为5mm、11mm、17mm时，刀盘上中心滚刀、正滚刀和边滚刀三个位置的瞬态响应曲线。同时分析了在同一切深，切削不同硬度的岩石时，刀盘系统的动态响应情况，并且探究了系统阻尼的变化对振动的影响。研究结果表明，随着系统阻尼的增加，刀盘振动变形峰值随之减小，启动过程更加稳定。这些结果可为施工时选择最优切深提供一定的理论依据。 （4）通过对TBM刀盘系统的稳态分析，得到了TBM在稳定运行时刀盘系统上各个位置滚刀位移-时间曲线与速度-时间曲线，并对阻尼的影响进行了进一步分析。结果表明，随着系统阻尼的增加，振动变形的峰值减小，但是位移均值变化不大。

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