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硬岩掘进机(TBM)的动力学分析与振动控制
| 论文题名： | 硬岩掘进机(TBM)的动力学分析与振动控制 |
| 关键词： | 硬岩掘进机;振动控制;动力学分析;振动特性;隧道掘进 |
| 摘要： | 硬岩掘进机（TBM）是隧道掘进的重大装备，广泛应用于铁路、公路、水利、市政建设等。TBM推进系统机械结构主要包括刀盘、主梁、后支撑、鞍架和撑靴等。TBM利用刀盘旋转实现破岩掘进，出渣的同时进行隧道支护，使隧道全断面一次成形。TBM在掘进作业时滚刀破岩产生的强冲击激励会引起推进系统的剧烈振动，从而严重影响工作效率。为了研究TBM推进系统的振动特性，在隧道掘进现场对TBM的振动进行了测量并对TBM模型样机进行了动力学分析。通过现场测试的结果可以看出，TBM推进系统在整个工作过程中振动剧烈，主梁各自由度振动之间存在耦合且振动能量集中于低频带范围。在TBM的动力学分析中，本文考虑了推进、支撑、导轨约束等环节，引入了液压缸、铰链的等效刚度，建立了推进系统导轨导向、撑靴支撑和护盾支承的等效刚度模型。利用位移法结合矢量运算规则建立推进系统的整机动力学模型。对某硬岩掘进机模型样机推进系统的振动特性分析表明，推进缸刚度减小引起主梁纵向振动频率的降低，前三阶固有频率十分接近，TBM主系统在各自由度的振动之间存在较严重耦合。分析结果与现场测试结果较为吻合，同时也为TBM推进系统的抑振设计提供技术支撑。 为降低TBM推进系统的振动水平，根据现场测试与理论分析的结果，提出利用动力吸振器对TBM系统的振动进行抑制的方案。传统动力吸振器必须要有足够的附加质量才能达到良好的吸振效果，然而，TBM系统质量巨大且安装空间有限，吸振器的附加质量很难做到足够大。为此，本文提出应用杠杆机构来实现放大吸振器的附加质量的方案，并设计了适用于TBM推进系统的动力吸振器。通过单自由度弹簧质量-动力吸振器动力学建模分析，得到系统的频率响应函数，进而利用定点理论求得吸振器的最优同调条件与最优阻尼条件。最后建立TBM系统-动力吸振器的动力学模型，得到系统在各自由度上的频响函数，分别以单自由度振动幅值和两自由度上的振动幅值为目标函数，采用全局-梯度混合优化算法，对安装于TBM系统上的吸振器进行参数优化。结果表明，动力吸振器对TBM系统的振动具有很好的控制效果。 |
| 作者： | 李献 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 郑辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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