[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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，me，ke分别为等效质量和等效刚度；Step3刀盘外部动态激励通过有限元分析，对滚刀破岩进行仿真分析，提取出滚刀的三向载荷，根据滚刀的安装位置和安装角，将滚刀载荷等效为刀盘集中载荷；刀盘沿隧道开挖方向的轴向力：沿盘面的垂向不平衡力：沿盘面的横向不平衡力:式中，n、m、p—中心滚刀、正滚刀、边滚刀的数量；Fτi、Fτj、Fτk(τ＝v、X、Y、r)—单个滚刀的垂直力、横向不平衡力、纵向不平衡力、滚动力；Step4主机系统动力学求解及参数灵敏度分析基于NewMark法对建立的动力学模型进行计算，并对参数的灵敏度进行分析，得到推进油缸的阻尼对主机振动影响较大；Step5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建立安装磁流变阻尼器后的断面硬岩隧道掘进机主机动力学模型，运用NewMark法对建立的动力学模型进行计算，对比主机的振动加速度表明安装磁流变阻尼器后，主机振动有所降低。