面向高效推进的硬岩隧道掘进机前支撑刚度优化设计

隧道开挖主要由硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的刀盘系统破岩过程和推进系统的推进过程实现,但破碎硬岩时刀盘的振动可导致推进效率的下降,也可造成关键部件的破坏。以TBM的抑振减损、高效推进为目标,开展了对其刀盘振动影响较大的前支撑刚度等参数的优化设计。首先,建立了TBM刀盘系统与推进系统的集中参数模型,分析了主要部件在破岩激励下的响应;其次,分别以刀盘的振动烈度和机器的推进能效比为目标函数,对前支撑刚度和推进刚度开展多目标优化,得到了优化问题的Pareto前沿;最后,通过对Pareto前沿进行拟合和采样,获取对应不同工况的前支撑刚度的取值空间。研究成果对工程实际中TBM的减振增效、优化设计具有指导意义。     

转速受限条件下TBM刀盘混合驱动系统控制器设计

传统全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）刀盘转速同步控制方法是针对变频电机单一驱动源进行设计的,直接应用于混合驱动型TBM刀盘驱动系统易导致齿轮齿圈发生严重的偏载,显著降低TBM刀盘传动系统的使用寿命和TBM设备完好率。考虑到实际掘进过程中对刀盘转速的限制和系统参数漂移,采用自适应控制策略,针对电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统设计基于驱动源力矩控制的转速控制方法。建立了齿轮齿圈传动系统模型,系统的参数不确定性得到充分考虑。通过MATLAB/AMESim联合仿真表明,该自适应控制系统对参数漂移具有补偿作用,在精确控制刀盘转速的同时,实现了不同类型驱动源间的负载力矩分配,原系统中的偏载问题得到了解决。电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统通过液压马达和变频电机两种驱动源驱动特性的互补,有效提高了其地质适应性,并对提高掘进速度有着重要的作用。     

不同贯入度下TBM盘形组合滚刀切削性能分析

为研究贯入度对TBM盘形组合滚刀顺次回转切削性能的影响,该文以Drucker-Prager塑性准则、岩石力学和滚刀破岩机理为基础,运用ABAQUS建立刀间距为60 mm的17 in盘形组合滚刀模型,分析不同贯入度下TBM盘形组合滚刀顺次回转破岩的复杂非线性动态响应过程。结果:刀间距一定,组合滚刀顺次回转切削存在一个临界贯入度使破岩区域相交,滚刀间岩石破碎程度最佳,比能耗最小,破岩效率最高;随着贯入度增加,组合滚刀所受三向力大致呈线性递增趋势;组合滚刀切削垂直力与滚动力之比约为4.5, TBM前进推动力约为刀盘旋转扭转力的4.5倍为宜,即需要控制TBM推进速度与刀盘转动速度合适比例关系。     

基于硅油减振器的螺纹旋风铣削刀盘系统抑振研究

螺纹旋风铣削的多刀具断续切削方式将加剧刀盘与工件间的交互冲击,引起刀盘系统的扭振,影响加工质量。以旋风铣削刀盘系统为研究对象,针对其在周期性切削力矩下发生扭振的特点,提出在铣削刀盘上安装硅油式减振器的抑振方案,进而建立基于硅油式减振器的旋风铣削刀盘系统动力学模型,对模型进行幅频特性分析,并对有无减振器两种方案下旋风铣削刀盘系统的动力学响应特性进行分析,以研究硅油式减振器对旋风铣削刀盘系统的减振效果。结果表明：硅油式减振器可有效地减小旋铣刀盘系统在不同切削频率下的振幅。当系统发生共振时,基于硅油式减振器的旋铣刀盘系统的响应幅值可降至7.10×10-4rad,降低了刀盘系统的扭振对螺纹工件加工质量和刀具寿命等的影响。     

不同围岩与掘进参数下的TBM主梁振动特性

依托新疆某水利隧洞重大工程在掘全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM),开展不同工况下的TBM主梁振动现场试验。通过时域和频域全面分析了TBM在不同围岩不同掘进参数下的主梁振动特性。研究结果表明：主梁振动加速度的变化能够准确反应TBM的启动、稳定掘进、停止、换步工作循环过程;主梁振动随着激励振源距离的增大呈波动性衰减,但是轴向的振动波动较小,衰减幅度为36.68%,横向次之,竖向衰减程度最大,高达81.88%;破岩推进力引起的主梁竖向振动大于轴向和横向的振动,轴向加速度有效值波动范围为-5～5 m/s²,横向为-3～3 m/s²,竖向为-10～10 m/s²,地质条件(岩体完整性Kv、单轴抗压强度UCS等)对主梁振动有较大影响;TBM的关键掘进参数刀盘转速(n)、贯入度(P)、推进力(F)与主梁振动具有显著的相关性;主梁的振动频率一般分布在150 Hz以下,不同工况下,3个方向上可能会在某些频率点同时出现峰值,表明不同方向上存在耦合振动。现场测试揭示了不同工况下TBM主梁振动的特性与规...     

水室封头重型铣削加工刀盘与主轴系统振动模态分析

核岛AP1000蒸发器水室封头是当今世界应用最广、制造难度最大的第三代核电核心部件。重型铣削加工过程中的振动冲击与颤振,严重影响和制约了加工质量和生产效率。为研究水室封头重型铣削刀盘与主轴系统的固有振动特性,首先分析重型铣削加工振动产生特点,建立了专用机床(TK6920型数控落地镗铣床)与刀盘(Φ200R8圆弧刀片刀盘)的三维模型,进行有限元模态仿真分析;进而在生产现场进行模态实验,采集和处理数据并进行实验模态分析;通过对比实验数据与仿真模态分析结果,最后总结出重型铣削机床刀盘与主轴系统的固有振动特性,为研究重型铣削过程中振动特性奠定基础。     

煤矿斜井双模式盾构刀盘的受力特性研究

刀盘是盾构机的关键部件,为保证煤矿斜井双模式盾构的顺利行进,需对刀盘的强度和刚度进行研究.以新街煤矿斜井工程为例,分析双模式盾构刀盘不同模式时在多工况下的受力特性,给出了刀盘载荷计算方法和公式,基于双模式盾构的刀盘结构特点建立简化模型,采用ANSYS软件分析,得出了双模式盾构刀盘不同模式时在多工况下的应力应变分布规律.研究结果表明:最大变形出现在土压平衡盾构(earth pressure balance,EPB)模式偏载堵转工况中,其值为3.821mm,最大应力出现在硬岩隧道掘进(tunnel boring machine,TBM)模式偏载堵转工况中,其值为284 MPa,多种工况最大应力值出现位置均位于牛腿与法兰盘连接处或牛腿与刀盘连接处.根据研究结果可知新街煤矿斜井双模式盾构刀盘设计合理,并针对应力集中部位提出了优化建议.     

双转子-中介轴承系统非线性振动特性

针对航空发动机双转子-中介轴承系统建立了简化动力学模型,考虑了中介轴承分数指数非线性、径向游隙和参数激励等非线性因素,以及高低转子系统的双频不平衡激励。采用数值积分方法求解获得系统的非线性振动响应,发现高低压转子分别通过系统一阶临界转速时引起的主共振附近转速区域内均存在振动突跳和双稳态现象,并分析了偏心距、转速比、中介轴承刚度、滚子数目及径向游隙对系统振动突跳与双稳态特性的影响。结果表明:减小转子偏心距能有效降低相应的共振峰峰值并抑制振动突跳行为,但双稳态区间会变宽;提高高低压转子的转速比将引起两个共振峰间距变大,但共振峰对应的转速之比约等于转速比;在一定范围内增大中介轴承刚度、增加滚子数目或减小径向游隙均可使双稳态区间变窄。研究成果有助于认识中介轴承的本质非线性特性对双转子系统非线性振动特性的影响,为提高航空发动机转子系统的运行稳定性提供了一定的理论指导。     

圆形刀盘机构的动态设计

本文针对圆形刀盘空间悬臂的特点，分别建立了刀盘及其组件弯曲，扭转振动模型，并采用刚体动力学理论，推导出刀盘单元的动力学模，分析刀盘的动态特性。     

圆形洞室在径向非均匀荷载下的瞬态响应

基于弹性介质动力学理论,研究了圆形洞室在瞬态径向非均匀荷载下的动力响应。利用波函数展开法与Laplace变换法,并考虑圆形洞室内表面应力边界非均匀条件,得到单位脉冲荷载下圆形洞室二维空间中应力和位移场在时域内的数值解。并通过算例,分析了径向非均匀瞬态荷载下的波动特性以及剪切模量等因素对应力位移场在径向和环向上分布特征的影响。研究结果表明,随着时间推移环向应力与位移的振动响应均表现出异步性,峰值出现的位置随时间在0-π之间变化,发生极值旋转;无量纲时间t~*2时,径向应力发生明显衰减,而径向位移与环向响应在无量纲时间t~*8时,才出现明显衰减,径向应力的振动周期最小;剪切模量对洞室表面应力位移幅值有显著影响;在非均匀荷载作用下,非均匀处响应幅值明显大于其他位置,径向应力、位移响应大于环向,衰减速度也更快。     

主梁式TBM关键结构参数对其动力学特性的影响规律

全断面岩石隧道掘进机(TBM)在掘进过程中,承受不断变化的大推力、大扭矩、倾覆力矩等随机载荷,引起主机较大的振动。为了减少主机系统各部件的疲劳失效,提高掘进效率,基于动力学仿真软件建立了主梁式TBM主机系统动力学模型,研究主机系统的动力学特性及主梁结构参数对其动力学特性的影响规律。研究结果表明:主梁1长度增加会导致主梁1振动变大,主梁2和鞍架的振动减小。主梁1板厚增加会导致主梁1振动减小,主梁2的振动缓慢增大,鞍架的振动先增加后减小,在上、下腹板厚度50 mm,侧板厚度40 mm,前、后法兰厚度105 mm时,振动达到最大值;刀盘掘进方向的加速度有效值为1.1 g,主梁加速度有效值为0.21 g,随着向后传递振动逐渐减弱,振动频率主要集中在0~50 Hz;依据仿真结果确定了主梁的相关参数,该TBM在某引水工程中经过2年的应用,工程已顺利贯通;现场测试结果表明,三向振动测试数据与仿真结果的误差基本低于20%。     

特种封存防锈油的研发及其在盾构机刀盘系统齿轮箱中的应用

盾构机刀盘系统严酷的使用环境对刀盘系统齿轮箱提出了很高的防锈要求。选择合适的基础油和添加剂配方,调配成能适应该环境的特种封存防锈油。对该防锈油进行常规理化指标试验,考察其基本性状;之后与某品牌普通封存防锈油进行防锈性能比较,并考察2种防锈油在混入杂质油的苛刻环境下的防锈性能变化情况。结果表明:特种封存防锈油在试验条件下性状稳定,具有良好的防锈性能,同时又有相对更好的容许混入杂质油的能力,在混入一定量齿轮油或润滑脂析出油后,防锈能力下降并不明显。在盾构机使用方基地进行应用时,针对现场条件,制订了该防锈油应用的指导意见,使用效果良好。     

A Closer Look at the Design of Cutterheads for Hard Rock Tunnel-Boring Machines

The success of a tunnel-boring machine (TBM) in a given project depends on the functionality of all components of the system, from the cutters to the backup system, and on the entire rolling stock. However, no part of the machine plays a more crucial role in the efficient operation of the machine than its cutterhead. The design of the cutterhead impacts the efficiency of cutting, the balance of the head, the life of the cutters, the maintenance of the main bearing/gearbox, and the effectiveness of the mucking along with its effects on the wear of the face and gage cutters/muck buckets. Overall, cutterhead design heavily impacts the rate of penetration (ROP), rate of machine utilization (U), and daily advance rate (AR). Although there has been some discussion in commonly available publications regarding disk cutters, cutting forces, and some design features of the head, there is limited literature on this subject because the design of cutterheads is mainly handled by machine manufacturers. Most of the design process involves proprietary algorithms by the manufacturers, and despite recent attention on the subject, the design of rock TBMs has been somewhat of a mystery to most end-users. This paper is an attempt to demystify the basic concepts in design. Although it may not be sufficient for a full-fledged design by the readers, this paper allows engineers and contractors to understand the thought process in the design steps, what to look for in a proper design, and the implications of the head design on machine operation and life cycle.     

振动特性参数对单自由度系统振动响应的影响

目的 为研究弹簧刚度、阻尼比和振动偏心距离不同振动特性参数对单自由度线性系统振动响应幅值的影响。方法 首先采用单因素实验,研究弹簧刚度、阻尼比和振动偏心距离对单自由度线性系统振动响应幅值的影响;在此基础上,通过采用Design Expert 11.0软件的响应面法实验（三因素三水平实验）研究不同振动特性参数交互作用对振动响应幅值的影响,建立振动响应幅值的二次多项式回归数学模型,并对减振幅值进行优化。结果 通过实验分析得到,各因素对振动响应幅值的影响强弱顺序,阻尼比>弹簧刚度>振动偏心距离;建立了检测点的响应方程,检测点的回归方程决定系数为0.981;得到多目标参数优化结果,弹簧刚度为2.009 N/mm,阻尼比为0.1,振动偏心距离为12.38 mm。结论 实验结果与预测值接近,说明此响应面法得到的数学回归模型具有一定的可靠性,该研究可为缓冲包装参数设计提供参考。     

燃气轮机转子系统典型振动特性试验研究

搭建气体轴承支撑的微型燃气轮机发电机试验装置,试验呈现微型燃气轮机发电机气体轴承-转子系统升速过程典型区域振动特征,并基于试验数据关联分析振动参数与燃气轮机运行参数、气体轴承的关键参数之间的耦合关系,结果表明:压气机出口压力波动对转子轴向振动影响较大;微型燃气轮机转子径向振动受点火压力波动、主燃料燃烧压力波动以及压气机...     

电磁风扇离合器系统参数匹配设计

分析电磁风扇离合器系统振动问题及影响因子,进行影响因子灵敏度分析,从而拟定灵敏度计算公式。提出了电磁风扇离合器系统参数匹配设计方法和技术路线,并针对典型风扇离合器系统进行参数匹配设计。不仅解决原结构振动过大问题,还保证结构柔性损失小,使系统质量有所降低,取得了很好的效果。     

TBM液压管道频谱特性分析和结构优化

考虑到全断面硬岩推进机(TBM)掘进过程中轴向基础振动对流体流速和压力波动的影响,运用输流管道流固耦合轴向运动4-方程模型,分析基础振动的影响,建立轴向基础振动下的TBM液压管道轴向耦合振动方程组,并用直接解法在频域内对其进行求解,再运用MATLAB软件对管道出口处流速和压力的频域响应特性进行仿真计算,随之分析基础振动和不同结构参数对流体频域响应的影响规律。同时,为减弱基础振动对流体出口参数的影响,运用正交实验法对管道进行结构优化,优化后的管道系统流速的频域幅值整体上减小了48.61%,从而在一定程度上抑制了因基础振动带来的流体波动。     

变惯量曲轴系统扭转振动的参数分岔分析

变惯量参数在一定程度上会影响曲轴系统扭转振动的分岔特性,然而现有研究缺乏对此参数的分岔理论分析。本文针对上述问题展开研究,分析了当曲轴系统的转动频率、不平衡激励频率与固有频率近似满足 的情况下,变惯量参数和调谐参数对系统分岔行为的影响。首先应用多尺度法得到系统共振情况下的平均方程和分岔方程;其次应用奇异性理论得到系统的稳态振幅随参数变化的分岔图,分析并求解系统发生分岔的临界点,得到系统的稳定/分岔区间;最终选取工程实际物理参数,将理论结果与数值仿真进行对比,验证了理论分析的正确性。进行变惯量曲轴系统的参数分岔分析,有助于曲轴系统的优化设计。     

基础振动下直动式减压阀动态特性分析

针对基础振动对TBM液压元件性能的影响,为TBM液压元件优化设计提供理论依据,选择直动式减压阀为研究对象,分析其工作原理,建立减压阀的动态响应数学模型,仿真研究基础振动幅值和频率对减压阀波动特性的影响规律,分析减压阀不同结构参数对压力波动的影响.结果表明：基础振动会引起减压阀出口压力波动,波动幅值随振动幅值增加而增大;当基础振动频率大于50 Hz时,压力波动幅值随频率的增加明显增大;减小背压腔初始容积和回流通道直径能提高减压阀的动态稳定性.