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原文传递悬臂式隧道硬岩掘进机截割机构设计理论及试验研究

论文题名：	悬臂式隧道硬岩掘进机截割机构设计理论及试验研究
关键词：	悬臂式隧道硬岩掘进机;截割机构;结构设计;非线性动力学
摘要：	随着我国经济的持续发展、综合国力的不断提升，隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展。目前我国的隧道施工方法有钻爆法、TBM（全断面硬岩掘进机）法和部分断面掘进机法。钻爆法施工断面尺寸难以控制，施工精度低、安全性差，也易造成环境破坏；全断面隧道掘进机仅适合长距离圆形断面隧道，成本投入大。部分断面掘进机法是近几年发展起来的一种采用悬臂式掘进机的隧道施工方法，相比于煤矿巷道掘进，隧道施工断面大，截割的岩层复杂，现有的矿用掘进机也不能适应隧道施工的要求。　　本课题针对隧道施工截割断面大、掘进时截割机构振动剧烈、整机动态稳定性差等方面存在的问题，对悬臂式隧道硬岩掘进机截割机构设计理论展开了研究，以期提高硬岩隧道掘进机的适应性、可靠性和技术先进性，适应我国愈来愈广泛的隧道掘进机施工的需求。主要研究内容和结论如下：　　（1）从悬臂式隧道硬岩掘进机的功能需求出发，分析了主要功能部件与驱动系统的配置关系；以隧道掘进机工作范围与截割、装载能力需求为输入，根据隧道掘进机工况特性要求，开展了隧道硬岩掘进机主体结构布置和参数设计，获得了合理的隧道硬岩掘进机的基本尺寸和工作参数；对截割机构工作范围内掘进机极限位置截割作业时的稳定性进行了校核，结果表明悬臂式隧道硬岩掘进机主体结构布置和关键技术参数设计合理，为后续掘进机的动力学特性分析奠定了基础。　　（2）研究了硬岩掘进机截割头的结构特征，分析了硬岩掘进机的截割头截齿截割线间距、螺旋升角、截割破岩角和偏转角对截割性能的影响，构建了硬岩截割性能的评判指标体系；针对硬岩截割头多因素多目标优化设计问题，通过单截齿截割和整体多截齿作业的正交数值模拟和特征提取，揭示了截齿排布参数和安装参数对硬岩掘进截割性能的综合影响机制；研究分析了硬岩截割头几何参数、截割运行参数与截割能力与性能的内在关系，建立了硬岩掘进机截割头设计方法。　　（3）全面分析了截割机构系统工作过程中受到的截割头随机载荷外部激励和系统内部激励，建立了截割机构系统动力学模型。针对大断面隧道硬岩掘进机工作时强时变负载，在假设其截齿所受的截割阻力和牵引阻力服从?2分布、侧向力服从正态分布，并考虑两者之间的相关性条件下，运用随机过程等理论建立了截割头的随机载荷模型，模拟了硬岩掘进机截割头的三向随机载荷，并对其进行了功率谱分析，研究获得了截割头在随机载荷作用下的频率特性；综合考虑了系统内部截割主轴支撑轴承时变刚度、齿轮啮合时变刚度以及齿轮综合啮合误差等多种动态激励对硬岩掘进机截割机构系统的影响。在此基础上，采用Lagrange方程建立了截割机构两级行星减速器扭转振动、转子系统的弯曲扭耦合的动力学模型，导出了系统多自由度变参数非线性动力学微分方程组，为隧道硬岩掘进机截割机构系统非线性动力学特性的研究奠定了基础。　　（4）采用Newmark-β数值方法，对系统非线性动力学微分方程组进行了求解，研究了不同岩石硬度时截割机构行星减速器、截割头转子系统的时域和频域响应，结果表明：随机载荷作用下系统振动变化趋势与外载荷的变化趋势相似，系统处于混沌状态，响应频率成分丰富且构成复杂，各级行星传动优势频率除了啮合频率基频和倍频外，还有随机载荷激励引起的低频和边频成分，转子系统主要是随机载荷引起的低频振动。截割机构系统动态分析结果为硬岩掘进机的减振和动态设计提供了理论依据。　　（5）建立了随机载荷作用下悬臂式隧道硬岩掘进机动态稳定性模型，并对其在上山和水平掘进工况下的动态稳定性进行了分析，得到了截割机构分别在三个极限位置横向截割时，截割机构俯仰角、摆动角度和结构尺寸等参数对掘进机动态稳定性的影响规律，为大断面硬岩掘进机的动态稳定性设计和参数优化提供了依据。　　（6）对试制的隧道硬岩掘进机样机进行了振动测试与分析。构建了隧道硬岩掘进机振动测试系统，制定了掘进机动力学性能测试方案，分别测量了空载、横向截割等不同工况下硬岩掘进机的振动信号，对比分析了各种工况下的动态响应，获得了随机载荷对掘进机截割机构振动响应的影响规律，结合隧道硬岩掘进机的现场应用案例，验证了本课题建立的掘进机截割机构动力学理论模型和设计研究方法的正确性，为悬臂式隧道硬岩掘进机截割机构动态设计提供了实验依据。
作者：	张忠海
专业：	机械设计及理论
导师：	赵继云
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022