TBM刀盘系统多自由度耦合固有特性及敏感度.doc

TBM刀盘系统多自由度耦合固有特性及敏感度 第36卷第4期xx年4月东北大学学报(自然科学版)Journal ofNortheaster nUniversity(Natural Science)VO136，No4Aprxxdoi103969jissn10053026xx04020TBM刀盘系统多自由度耦合固有特性及敏感度凌静秀，孙伟，霍军周，邓立营(1大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024；2北方重工集团有限公司，辽宁沈阳110141)摘要综合考虑时变啮合刚度、轴承刚度、综合传递误差、阻尼等影响因素，建立了TBM刀盘系统的平移一扭转一倾覆多自由度耦合动力学模型基于实际工程项目的刀盘系统参数求解固有频率和振型，并研究系统参数对固有频率的影响及敏感度问题研究结果表明，刀盘系统低阶固有频率为57和61Hz，对应振型分别为电机和小齿轮的纯扭转振动及刀盘和大齿圈平移倾覆耦合振动，刀盘分体的切向支撑刚度和质量的敏感区间分别为34GNm和1923t关键词刀盘系统；多自由度耦合；固有特性；灵敏度；参数影响TH1131文献标志码A10053026 (xx)04054605Natural Charaeteristicsand Sensitivity of TBM CutterheadSystem withM ultidegreeof-freedom CouplingLING ringxiu，SUN Wei，HUO Junzhou，DENG Liying(1School of Mechanical Engineering，Dalia nUniversity ofTechnology，Dalian116024，China；2Northern HeavyIndustry GroupCo，LtdShenyang110141，ChinaCorresponding authorHUOJunzhou，Email huojunzhoudlutedu)AbstractA multidegreeof-f reedomcoupling dynamicmodel withtranslationrotationbending directionsof aTBM cutterhead system wasestablished withconsider ingtimevarying meshingstiffness，bearing stiffness，transmission errorsand damping，etcBased onpa rametersof anactual project，the natural frequencies andcorresponding vibration modes werecalculatedThe influence ofnatural frequencies andsensitivities withrespect tosystem pa rameters wereinvestigatedThe resultsshowed thatthe lownaturalfrequencies are57and61Hz，respectivelyThe naturalvibration modesare pinionsmotors rotationalmode andtranslationa1overtur ningcoupled modeof cutterheadwith innerring gearcorrespondinglyM eanwhile，t hesensitive rangeof tangentialstiffness aboutcutterhead piecesis34GNm andt hemass sensitiverange is1923t，respectivelyKey wordscutterheadsystem；multidegreeoff reedomcoupling；natural character istics；sensitivity；parameter influence全断面岩石掘进机(fu11face ha rd rock tunnel bor ing machine，TBM)是用于开凿岩石隧道的大型高端工程装备，适用于城市地铁、地下及山区隧洞的开挖，具有快速、优质、安全等优点j刀盘系统作为掘进机的核心工作部件，直接与岩石作用，有破岩、稳定掌子面等功能，承受空间多点随机冲击载荷耦合作用，结构振动剧烈，出现刀具异常磨损、刀盘面板开裂及轴承密封失效等故障因此，要求结构具有强度好、振动小、可靠性及疲劳寿命高等特点，有必要在设计阶段就对TBM刀盘系统的动力学特性进行分析，提出结构参数的设计依据国内外学者从20世纪60年代开始就对TBM刀盘系统设计展开了诸多有益的研究文献xx1l一08基金项目国家自然科学基金资助项目(51005033，51375001)；国家重点基础研究发展计划项目(xxCB035400)；辽宁省科技攻关项目 (xx2xx1)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT13LKI4)作者简介凌静秀(1985一)，男，浙江温州人，大连理工大学博士研究生；孙伟(1967一)，男，黑龙江哈尔滨人，大连理j二大学教授，博士生导师第4期凌静秀等TBM刀盘系统多自由度耦合固有特性及敏感度549sin艿+cos6)=41(6i)- (4)式 (4)表明固有频率对刚度的灵敏度与对应弹簧的伸长量的平方成正比，通过计算得出固有频率及灵敏度随刀盘分体切向支撑刚度的变化曲线如图5所示餐m槲回(a)一-一一一，=一?，。 A一，度为009n=一警4(+77+) (5)通过计算得出固有频率及灵敏度随刀盘分体质量的变化曲线，如图6所示钢度相对变化率图5系统固有频率随刀盘分体切向支撑刚度变化情况Fig5Natural frequencyversus tangentialstif fnessof cutterhead pieces(a)一固有频率；(b)一固有频率灵敏度围由图5可知，刀盘分体切向支撑刚度的变化会引起模态振型的变化，即发生模态跃迁现象，以图5a中的点(k=361GNm)为例，随着刀盘分体切向刚度的微小变动，09先为刀盘、大齿圈平移及小齿轮、电机扭转耦合振动模式；为刀盘和大齿圈平移倾覆耦合振动模式，在B点重合后振动模式统一为刀盘、大齿圈平移及小齿轮、电机扭转耦合振动，此时固有频率灵敏度值发生突变(图5b)这表明点为系统参数的敏感点，与之类似的还有A(k=321GNm)和C(k=481GNm)点处，这些点处参数的微小变化会引起振动特性的剧烈改变，在结构设计制造和装配中，需要控制各个边界的刚度参数33刀盘分体质量对固有频率及敏感度的影响同理，将质量矩阵对刀盘分体质量求导后，代入式 (3)，化简可得固有频率对分体质量的灵敏质量相对变化率图6系统固有频率随刀盘分体质量变化情况Fig6Natural frequencyversus massof cuerheadpieces(a)一固有频率随分体质量变化；(b)一跃迁点附近的局部放大；(c)一固有频率灵敏度随分体质量变化5同刚度影响规律类似，通过图6分析可知，刀盘分体质量变化的跃迁点为1392，1914，2088及2262t以A点为例，随着刀盘分体质量的微小变动，先为刀盘、大齿圈及小齿轮平移振动模式，09为刀盘平移振动模式，两条固有频率轨迹迅速靠近至A点重合，之后又迅速分离，振型发生互换，此时固有频率灵敏度值也发生突变O0O O O O000O O0O00O0OO0如们如加m N墨固NI固印如加如加i1Nz藤围550东北大学学报(自然科学版)第36卷(图6c)在结构设计制造中，需要控制各构件的质量参数，避免落在敏感点处4结论1)刀盘系统的低阶固有振型主要为电机、小齿轮纯扭转振动模态及刀盘、大齿圈平移倾覆耦合振动模态，对应的低阶固有频率为57和61Hz，大于系统内部激励，可能会和外部激励频率重合，系统有发生共振的危险2)刀盘系统振动主要集中在中间阶模态，低阶和高阶相对振动幅值较小3)刀盘分体结构参数主要影响第1020阶固有频率，且获得刀盘分体切向支撑刚度和质量敏感区间分别为34GNm和1923t，其余结构参数分析方法类似，在结构设计制造及装配中，需要合理控制系统参数，尽量避免落在这些敏感点较多的区间以上得到的结论在实际TBM刀盘设计时，可根据设计方案预先估算其分体质量及支撑刚度，避免参数落在敏感区间下一步工作将进行TBM刀盘掘进现场的振动测试，并研制TBM刀盘缩尺模型，开展相关的动力学试验，验证全文动力学模型的正确性参考文献234水利部科技推广中心全断面岩石掘进机(TBM)M北京石油工业出版社，xx13f PromotionCenter forScience&Technology AchievementsofMinistry ofW aterResourcesFull face rocktunnel bor ing machine(TBM)MBeijingPetroleum IndustryPress，xx13)李宏亮TB880E型岩石掘进机刀盘开裂原因分析及修复方法J工程机械，xx，41 (3)6267(Li Honglia ngTrouble shootingfor cutterdisk crackingof modelTB880E rocktunneledJConstruction Machineryand Equipment，xx，41 (3)6267)齐梦学，王雁军，李宏亮敞开式掘进机全面整修技术研究与应用J现代隧道技术，xx，46 (4)6470(Qi Mengxue，Wang Yan-jun，Li HongliangResearch and application of overallrefit ofopen typeTBMJModer nTunneling Technology，xx，46 (4)647O)Zhang ZX，Kou SQ，Lindqvist PAIn-situ measurementsof cutterforces onboring machine atsp6Hard RockLaborator yJRock Mechanics and RockEngineering，xx，36 (1)63835Seow SDisc forcemeasurements ona full-face tunnelingmachineJInternational Journal of RockMechanicsandMining SciencesGeomechanics Abstracts，1984，21 (2)83966Jamal RHard rockTBM cutterheadmodeling for designand performance predictionJAustrian Journal of GeotechnicalEngineering，xx，1 (1)18287Huo JZ，Sun W，Chen J，et a1Disc cuttersplane layout design of the fullface rocktunnel boringmachine(TBM)based ondifferent layoutpatter nsJComputersIndustrial Engineering，xx，61120912258Huo JZ，Sun W，Chen J，et a1Disc cutterslayoutdesignofthefull-facerocktunnelboringmachine(TBM)using acooperative coevolutionaryalgor ithmJJournal of MechanicalScience andTechnology，xx，25 (2)4154279ZhangQ，Qu CY，Kang YL，et a1Identification and optimizationofenergy consumptionby shieldtunnel machinesusing abined mechan ical andregression analysisJTunneling andUnderground SpaceTechnology，xx，2835035410Wang LH，Kang YL，Cai ZX，et a1The energymet hodto predictdisc cutterwea rextent forhardrock TBMsJTunneling andUnderground SpaceTechnology，xx，2818319111Xue J，Xia YM，Ji ZY，et a1Sof trock cuttingmechanics modelofTBMcutter andexper imentalresea rchJIntelligentRobotics andApplications，xx，592838339112Xia YM，Ouyang T，Zhang XM，et a1Mechanical modelof breakingrock andforce characteristicof disuaerJJournalof CentralD“Universityxx，191846185213Sun W，Ling