[发明专利]一种全断面硬岩掘进机减振优化结构设计方法

摘要

一种全断面硬岩掘进机减振优化结构设计方法，步骤如下：高分子夹层阻尼减振钢板夹层材料的选择；确定高分子夹层阻尼减振钢板的结构及尺寸；建立全断面硬岩掘进机刀盘动力学模型；确定各子系统的等效刚度与阻尼；计算模型外部激励；6)计算破岩能量消耗、整机振动能量耗散和破岩体积，计算评价硬岩掘进机掘进性能的动态比能，并以单位时间内的加速度均值表征硬岩掘进机整机振动水平。本发明考虑了现有的更改部件连接方式和更替部件材料方法的缺点，提出了一种结构减振的方法，可以在满足安全性和强度要求下，降低全断面硬岩掘进机主机振动强度，从而降低全断面硬岩掘进机主机部件的损害程度，提高了隧道施工效率，极大加快掘进工程的施工进度。

主权项

1.一种全断面硬岩掘进机减振优化结构设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、高分子夹层阻尼减振钢板夹层材料的选择选用人造橡胶作为减振钢板的夹层材料；步骤2、确定高分子夹层阻尼减振钢板的结构及尺寸高分子夹层阻尼减振钢板为圆环形；减振钢板与法兰是通过螺栓进行连接，减振钢板的尺寸确定方程如下：r＝rfR＝Rfα＝αf式中：r为减振钢板内径；R为减振钢板外径；α为减振钢板中螺纹孔间隔角；rf为法兰内径；Rf为法兰外径；αf为法兰中螺纹孔间隔角；高分子夹层阻尼减振钢板分三层，上下层为钢板，内层为高分子夹层；通过构建全断面硬岩掘进机刀盘动力学模型，对全断面硬岩掘进机刀盘动力学模型结果进行分析对比，确定减振钢板的高分子夹层厚度t1与钢板厚度尺寸t2；步骤3、建立全断面硬岩掘进机刀盘动力学模型基于有限元思想，提出一种适用于复杂传动系统动力学研究的分层次建模方法；将全断面硬岩掘进机主机系统进行拆分，分成刀盘刀具系统、刀盘驱动系统和其他部分；刀盘刀具系统作为切削岩石的执行部件，由刀盘分体和刀盘中心块组成；刀盘驱动系统作为全断面岩石掘进机的核心功能件，由刀盘、法兰、主轴承、齿圈、小齿轮、主减速器与变频电机组成；针对结构复杂的刀盘驱动系统整机进行逐级拆分，分为刀盘—主轴承—齿圈子系统、驱动轴子系统以及支撑架—主梁子系统三个子系统；运用集中质量法，考虑多结合面的接触刚度、阻尼以及螺栓预紧力，建立全断面硬岩掘进机主驱动系统多自由度耦合振动系统；步骤4、确定全断面硬岩掘进机主驱动系统多自由度耦合振动系统下的各子系统的等效刚度与阻尼刀盘—主轴承—齿圈子系统、驱动轴子系统以及支撑架—主梁子系统等效刚度通过有限元方法确定，在对模型施加约束和单位载荷后，通过位移云图和胡克定律确定三个子系统的等效刚度；等效阻尼按照如下公式计算：式中：ξ为阻尼比，me，ke分别为等效质量和等效刚度；步骤5、通过ANSYS/LS‑DYNA计算模型外部激励通过LS‑DYNA描述岩石力学特征的材料本构模型，准确地模拟滚刀与岩石间的非线性接触行为；围岩的力学性能参数是决定滚刀破岩载荷的关键因素，采用HJC动态损伤本构模型模拟围岩材料，该模型考虑了材料损伤累计、应变率效应以及单轴抗压强度对屈服应力的影响，其中屈服面方程如下：σ＝[A(1‑D)+BPN](1+C lnε)式中：σ，P为标准化的等效应力及静水压力，分别等于实际等效应力和静水压力除以材料的抗压强度；ε为无量纲应变率，等于真实应变率除以参考应变率；D为损伤度，A、B、C、N为材料强度参数；其中损伤演化方程如下：式中：Δε_p，Δu_p分别为一个计算循环内的等效塑性应变和塑性化积应变；分别为常压下破碎的等效塑性应变和塑性体积应变；步骤6、基于外部激励载荷、护盾与围岩相互作用力和振动响应，计算破岩能量消耗、整机振动能量耗散和破岩体积，计算评价硬岩掘进机掘进性能的动态比能，并以单位时间内的加速度均值表征硬岩掘进机整机振动水平；对比安装不同夹层、钢板厚度的高分子阻尼减振钢板振动烈度，确定夹层厚度t1与钢板厚度尺寸t2。