空间分布载荷下TBM刀盘振动分析及寿命预测

摘要

全断面岩石掘进机(TBM)是隧道施工领域典型的大型复杂装备，其技术复杂和附加值高，反映一个国家的装备制造业水平。刀盘是TBM的核心部件，其寿命等同于TBM的寿命，掘进过程中会遇到高硬度、高温、高石英含量的“三高”围岩环境，加以不同类型的滚刀群多点冲击破岩特性使得刀盘振动极其剧烈，受力性态及力流传递规律极其复杂，导致刀盘在未达到预定寿命指标前出现大面积损伤开裂的严重工程问题。其根本原因在于上述极端环境下刀盘系统的动力学行为及损伤机理难以预测，实现强冲击环境下刀盘的减振抗损设计难度极大。因此，对TBM刀盘的动态特性及疲劳寿命进行分析和预测，提出结构参数的设计依据，具有较大的理论价值及工程意义。本文以中方五分式刀盘为例，对其振动特性及疲劳寿命展开深入研究和探讨，主要研究内容如下:
　　1)复杂因素影响下分体式TBM刀盘系统多自由度耦合动力学行为及其振动机理:综合考虑空间多点时变随机激励、轮齿啮合刚度、间隙及轴承刚度等内外部因素影响，推导构件间的变形协调关系，建立分体式TBM刀盘系统的耦合动力学模型，提出了基于Newmark-β的分体式TBM刀盘系统快速解耦方法，进而分析不同掘进参数、分体质量参数、主驱动布置参数等复杂因素对刀盘系统振动特性的影响规律，并用掘进现场的刀盘振动实测加速度数据验证及修正了动力学模型的准确性及可信度。
　　2)基于子模型技术的分体式刀盘结构复合型应力强度因子模型:针对刀盘结构及边界载荷的复杂性，其裂纹应力强度因子难以确定。结合刀盘结合面动态载荷及多滚刀空间时变激励，采用雨流计数法统计得到8级等效的疲劳载荷谱，提出基于子模型技术的分体式刀盘结构复合型应力强度因子计算方法，并用Newman-Raju公式进行了方法的验证。进而，分析裂纹位置角、形状比及相对深度等参数对应力强度因子的影响，揭示了不同参数下裂纹尖端的主导扩展规律。
　　3)复杂边界条件下TBM刀盘的裂纹扩展寿命预测及参数影响:基于各级等效的疲劳载荷谱，拟合分体刀盘薄弱部位裂纹尖端最深处等效应力强度因子幅的数学表达，分析刀盘的裂纹扩展规律，基于Newman模型及累积损伤理论建立其疲劳裂纹扩展寿命预测模型，进而预测疲劳寿命，并用刀盘特征子结构进行裂纹扩展实验验证。同时，分析不同盘体结构参数、裂纹尺寸参数及扩展速率参数对刀盘寿命的影响规律，为刀盘的结构设计、抗损准则、故障检修策略及选材提供借鉴。
　　4)辽西北供水工程TBM刀盘振动特性及寿命预测:为进一步验证本文模型及方法的有效性及实用性，以辽西北供水工程刀盘为例，采用本文方法建立其系统振动模型，计算刀盘的动态响应及结合面动态载荷，预测其疲劳寿命，并提出盘体结构的改进方案。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及工程意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 工程意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 TBM刀盘载荷研究概述

1．2．2 系统动力学研究现状

1．2．3 应力强度因子及疲劳寿命预测

1．2．4 TBM刀盘结构设计及性能评价

1．3 论文主要研究内容

1．4 本章小结

2 TBM刀盘系统多自由度耦合动力学模型的建立

2．1 引言

2．2 TBM刀盘系统多自由度耦合动力学模型与方程

2．2．1 刀盘系统的等效力学模型

2．2．2 构件广义坐标变换

2．2．3 耦合相对位移分析

2．2．4 系统动力学微分方程的建立

2．3 模型的系统参数确定

2．3．1 轴承支撑刚度

2．3．2 齿轮时变啮合刚度

2．3．3 啮合误差

2．3．4 系统内部阻尼

2．3．5 其他参数的确定

2．4 模型的外部激励确定

2．4．1 滚刀群载荷模拟及修正

2．4．2 刀盘空间多点分布载荷确定

2．5 本章小结

3 多因素影响下TBM刀盘系统耦合动态特性

3．1 引言

3．2 刀盘系统的固有特性及灵敏度分析

3．2．1 固有频率与振型

3．2．2 模态能量分布规律

3．2．3 固有频率的参数灵敏度及影响分析

3．3 空间多点分布载荷作用下刀盘系统的动态响应

3．3．1 多自由度耦合动力学模型的数值求解方法

3．3．2 刀盘各自由度的振动响应

3．3．3 刀盘结合面载荷的时域响应

3．4 刀盘动态响应灵敏度分析

3．4．1 动态响应灵敏度分析方法

3．4．2 振动响应对质量参数的灵敏度

3．4．3 振动响应对刚度参数的灵敏度

3．5 刀盘振动响应的多影响因素分析

3．5．1 刀盘分体质量

3．5．2 刀盘转速

3．5．3 齿轮布置参数

3．6 本章小结

4 空间多点分布载荷作用下的刀盘裂纹应力强度因子

4．1 引言

4．2 应力强度因子及其断裂判据

4．3 刀盘疲劳载荷谱的编制

4．3．1 载荷统计计数处理

4．3．2 载荷均幅值概率密度函数

4．3．3 程序载荷谱的编制

4．4 含表面裂纹的刀盘应力强度因子的计算

4．4．1 刀盘结构损伤表征

4．4．2 有限元法求解应力强度因子

4．4．3 刀盘裂纹子模型技术

4．4．4 应力强度因子求解方法的有效性验证及分析

4．4．5 裂纹网格参数对计算结果的收敛性分析

4．4．6 裂纹尖端应力强度因子计算结果

4．5 刀盘裂纹尖端应力强度因子影响因素分析

4．5．1 裂纹位置角的影响

4．5．2 裂纹形状比的影响

4．5．3 裂纹相对深度的影响

4．6 本章小结

5 TBM刀盘表面疲劳裂纹扩展及寿命预测

5．1 引言

5．2 疲劳断裂与裂纹扩展基本理论及模型

5．2．1 疲劳裂纹扩展速率模型

5．2．2 疲劳累积损伤理论

5．3 刀盘表面疲劳裂纹扩展分析

5．3．1 疲劳裂纹扩展的数学描述

5．3．2 疲劳裂纹扩展速率参数

5．3．3 初始裂纹尺寸的确定

5．3．4 临界裂纹尺寸的确定

5．3．5 表面疲劳裂纹扩展特性分析

5．4 刀盘特征结构件疲劳实验

5．4．1 实验目的

5．4．2 实验装备

5．4．3 刀盘特征结构试样及方案设计

5．4．4 疲劳实验

5．4．5 实验结果及分析

5．5 TBM刀盘疲劳裂纹扩展寿命预测

5．5．1 裂纹扩展寿命预测方法及技术路线

5．5．2 疲劳裂纹扩展寿命评估

5．6 TBM刀盘寿命的参数影响规律

5．6．1 刀盘盘体主结构参数

5．6．2 初始裂纹深度

5．6．3 临界裂纹深度

5．6．4 裂纹形状比

5．6．5 疲劳裂纹扩展速率控制参数

5．7 本章小结

6 工程应用：辽西北供水工程TBM刀盘振动检测及寿命预测

6．1 引言

6．2 工程背景

6．3 实例刀盘系统结构概述

6．4 刀盘振动响应理论分析

6．4．1 刀盘多自由度耦合动力学模型

6．4．2 刀盘动态响应

6．5 掘进现场振动检测

6．5．1 检测装置选型及方案构建

6．5．2 数据采集及后处理

6．5．3 数据分析及讨论

6．5．4 检测数据与理论结果对比

6．6 刀盘裂纹扩展寿命预测及盘体结构改进

6．6．1 实例刀盘寿命预测

6．6．2 刀盘盘体结构改进

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介