不确定条件下关节界面接触特性及TBM动态特性研究

摘要

硬岩掘进装备（Tunnel Boring Machine，简称TBM）是集机械、电气和液压等技术与一体的国家重大制造装备，随着我国地铁与高铁的快速发展，TBM已成为隧道挖掘建设的主要手段。TBM推进过程中巨大的推进载荷会导致系统关键连接关节产生变形，而关节的刚度受间隙与载荷等因素的影响，由于制造误差、不规则磨损及复杂的地层特性导致关节的间隙和载荷不断变化，从而使TBM的力传递特性发生畸变导致TBM系统动力学性能发生改变，引起偏航甚至堵转等严重事故，带来巨大的经济损失。因此研究TBM中关键连接关节在不确定参数下的刚度特性与整机动力学响应之间的关系十分重要。　　本文基于接触经典理论针对TBM液压推进机构中关节铰链的接触刚度进行了解析建模；对关节铰链的间隙及载荷不确定特性进行研究，并考虑关节不确定参数对关节接触刚度的变化特性进行了分析；在此基础上建立TBM整机动力学模型，探讨了关节的变形及刚度特性对TBM刀盘末端位姿的影响。研究结果对TBM动力学特性的分析与预测具有重要意义。主要包括以下几个部分：　　（1）关节铰链接触刚度解析模型的建立　　针对TBM推进系统中存在的球铰和圆柱铰，考虑不同间隙及载荷下铰链的接触特点，基于Hertz接触理论和Winkler弹性基础模型建立了相应的铰链径向接触刚度模型，并结合ABAQUS有限元软件对铰链在不同工况下的变形情况进行了仿真对比分析。结果表明随着铰链间隙的增大，Hertz理论模型的结果更符合铰链真实接触情况，这也验证了Hertz理论在非协调接触条件下的准确性与合理性。　　（2）不确定参数下关节刚度变化情况研究　　考虑铰链间隙及所受载荷的不确定性，引入模糊数学理论建立不确定参数的模糊分布模型，研究了当铰链间隙以及铰链所受载荷不确定时铰链接触刚度的变化规律。结果表明对于间隙的不确定对铰链接触刚度的影响与载荷的不确定对接触刚度的影响相当，而双参数不确定时刚度的变化值基本等于单参数不确定时的变化值之和。　　（3）关节变形对TBM末端位姿的影响分析　　针对TBM工作时的受力特性，考虑各关键位置的刚度特性，建立TBM整机系统动力学方程，分析了铰链接触变形和铰链间隙及载荷参数的不确定性对TBM刀盘末端动态特性的影响。结果表明当考虑铰链变形时TBM刀盘末端位姿变化要大，同时铰链间隙的不确定性对刀盘末端的影响较大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和创新点

第二章 关节铰链接触刚度解析建模

2.1 圆柱铰接触刚度建模

2.2 球铰接触刚度建模

2.3 本章小结

第三章 铰链间隙及载荷不确定条件下铰链刚度特性

3.1 不确定参数的模糊表达

3.2 变参数条件下圆柱铰刚度变化特性

3.3 变参数条件下球铰刚度变化特性

3.4 本章小结

第四章 TBM含铰链变形动力学建模

4.1 TBM动力学模型建立

4.2 关键位置的刚度特性及受力分析

4.3 铰链关节对TBM动力学响应影响分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文