[发明专利]一种安装磁流变阻尼器的全断面硬岩隧道掘进机主机减振设计方法

说明书

一种安装磁流变阻尼器的全断面硬岩隧道掘进机主机减振设计方法，步骤如下：全断面硬岩隧道掘进机主机节点划分；建立动力学模型；确定动力学模型各节点的质量、等效刚度与等效阻尼；刀盘外部动态激励；主机系统动力学求解及参数灵敏度分析；求解安装磁流变阻尼器前后全断面硬岩隧道掘进机主机的振动。本发明通过建立全断面硬岩隧道掘进机主机系统的动力学模型，对主机的振动进行动力学分析，在推力油缸处布置磁流变阻尼器，在全断面硬岩隧道掘进机工作中，根据设备的实时振动不断改变阻尼大小，在不降低掘进性能以及满足工作强度的情况下，有效降低全断面硬岩掘进机主机的振动，延长设备的使用寿命，提高设备的工作效率，保障工作人员的生命安全。

技术领域

本发明属于全断面硬岩隧道掘进机技术领域，特别是涉及全断面硬岩掘进机的减振设计方法。

背景技术

主驱动系统作为全断面硬岩隧道掘进机设备中的核心工作部件，主要有破岩、稳定掌子面等功能，是影响掘进性能及效率的关键部件，反映了一个国家高端装备制造业的技术水平。由于地质条件的复杂性及施工参数的多变性，主驱动系统承受着空间多点随机冲击载荷的耦合作用，导致结构振动剧烈、刀具异常磨损、刀盘面板开裂及主轴承密封失效等故障，对主驱动的结构强度、可靠性等性能指标提出很高的要求。因此，从整体角度建立刀盘驱动系统动力学模型，研究强冲击激励下的系统振动机理，揭示掘进参数、结构参数对系统振动特性的影响规律，最终形成刀盘驱动系统低振动、抗冲击设计理论与方法。提高我国掘进装备制造业自主研发水平，是一项有重要工程意义和广泛应用前景的研究课题。

发明内容

针对现如今全断面硬岩掘进机主机振动剧烈的问题，本发明在保证全断面硬岩掘进机的掘进性能和强度要求的前提下，提出了安装磁流变阻尼器的全断面硬岩隧道掘进机主机减振设计方法，达到了全断面硬岩掘进机主机系统减振的目的。

本发明的技术方案：

一种安装磁流变阻尼器的全断面硬岩隧道掘进机主机减振设计方法，步骤如下：

Step1全断面隧道掘进机主机节点划分及建立全断面硬岩隧道掘进机主机动力学模型

根据全断面隧道掘进机主机的功能和装配关系，对全断面隧道掘进机主机进行节点划分；根据功能将其分为三部分：刀盘系统、支护系统和推进系统；刀盘系统主要由刀盘、滚刀、法兰、主轴承内圈、大齿圈组成，刀盘和法兰焊接为一体，主轴承内圈和大齿圈通过螺栓与刀盘固定；支护系统主要由支撑架、底座、顶护盾系统、侧护盾系统和驱动子系统组成，驱动子系统通过螺栓安装在支撑架上，支撑架固定在底座上，顶护盾系统和侧护盾系统通过液压油缸安装在支撑架上；推进系统主要由主梁前段、主梁中段、主梁后段、鞍架、防扭油缸、尾撑、撑靴油缸、撑靴和推力油缸组成，撑靴通过撑靴油缸压在岩壁上，推力油缸安装在撑靴和主梁前段，撑靴由于摩擦保持不动，推力油缸推动主梁前进；根据节点划分原则，运用集中质量法，考虑结构刚度，结构阻尼，结合面的接触刚度、阻尼，建立全断面硬岩掘进机刀盘驱动系统多自由度耦合振动系统；

Step2确定动力学模型各节点的质量、等效刚度与等效阻尼

Step2.1刀盘系统是一个整体，其轴向、横向、纵向等效刚度等于结构刚度和连接刚度的串联；支护系统的轴向等效刚度为结构刚度，纵向和横向刚度为结构刚度和油缸刚度的串联；推进系统的轴向刚度为主梁前段的结构刚度和推力油缸刚度的串联，纵向刚度和横向刚度为撑靴油缸刚度和鞍架的结构刚度的串联；

Step2.2基于有限元分析的结构刚度计算，在结构上分别加载横向、纵向和轴向的单位载荷，得到单位载荷作用下的变形，根据胡可定律确定结构的刚度；

Step2.3等效阻尼按照经验公式计算：

式中，ξ为阻尼比，m_e，k_e分别为等效质量和等效刚度；

Step3刀盘外部动态激励