本文關(guān)鍵詞：硬巖掘進機（TBM）的動力學分析與振動控制　出處：《上海交通大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關(guān)文章： 硬巖掘進機 振動測試 動力學建模 振動特性 動力吸振器 優(yōu)化

【摘要】：硬巖掘進機(TBM)是隧道掘進的重大裝備,廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、市政建設(shè)等。TBM推進系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要包括刀盤、主梁、后支撐、鞍架和撐靴等。TBM利用刀盤旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)破巖掘進,出渣的同時進行隧道支護,使隧道全斷面一次成形。TBM在掘進作業(yè)時滾刀破巖產(chǎn)生的強沖擊激勵會引起推進系統(tǒng)的劇烈振動,從而嚴重影響工作效率。為了研究TBM推進系統(tǒng)的振動特性,在隧道掘進現(xiàn)場對TBM的振動進行了測量并對TBM模型樣機進行了動力學分析。通過現(xiàn)場測試的結(jié)果可以看出,TBM推進系統(tǒng)在整個工作過程中振動劇烈,主梁各自由度振動之間存在耦合且振動能量集中于低頻帶范圍。在TBM的動力學分析中,本文考慮了推進、支撐、導軌約束等環(huán)節(jié),引入了液壓缸、鉸鏈的等效剛度,建立了推進系統(tǒng)導軌導向、撐靴支撐和護盾支承的等效剛度模型。利用位移法結(jié)合矢量運算規(guī)則建立推進系統(tǒng)的整機動力學模型。對某硬巖掘進機模型樣機推進系統(tǒng)的振動特性分析表明,推進缸剛度減小引起主梁縱向振動頻率的降低,前三階固有頻率十分接近,TBM主系統(tǒng)在各自由度的振動之間存在較嚴重耦合。分析結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果較為吻合,同時也為TBM推進系統(tǒng)的抑振設(shè)計提供技術(shù)支撐。為降低TBM推進系統(tǒng)的振動水平,根據(jù)現(xiàn)場測試與理論分析的結(jié)果,提出利用動力吸振器對TBM系統(tǒng)的振動進行抑制的方案。傳統(tǒng)動力吸振器必須要有足夠的附加質(zhì)量才能達到良好的吸振效果,然而,TBM系統(tǒng)質(zhì)量巨大且安裝空間有限,吸振器的附加質(zhì)量很難做到足夠大。為此,本文提出應(yīng)用杠桿機構(gòu)來實現(xiàn)放大吸振器的附加質(zhì)量的方案,并設(shè)計了適用于TBM推進系統(tǒng)的動力吸振器。通過單自由度彈簧質(zhì)量-動力吸振器動力學建模分析,得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù),進而利用定點理論求得吸振器的最優(yōu)同調(diào)條件與最優(yōu)阻尼條件。最后建立TBM系統(tǒng)-動力吸振器的動力學模型,得到系統(tǒng)在各自由度上的頻響函數(shù),分別以單自由度振動幅值和兩自由度上的振動幅值為目標函數(shù),采用全局-梯度混合優(yōu)化算法,對安裝于TBM系統(tǒng)上的吸振器進行參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明,動力吸振器對TBM系統(tǒng)的振動具有很好的控制效果。
[Abstract]:TBM (hard Rock tunneling Machine) is a major equipment for tunneling. It is widely used in railway, highway, water conservancy, municipal construction and so on. The mechanical structure of TBM propulsion system mainly includes cutter head, main beam and rear support. Saddle frame and bracing boots. TBM uses the rotation of cutter head to carry out the excavation of broken rock and to carry on the tunnel support while the slag is coming out at the same time. The strong shock excitation caused by hob breaking rock in tunneling operation will cause the strong vibration of the propulsion system when the whole section of the tunnel is formed at one time. In order to study the vibration characteristics of TBM propulsion system. The vibration of TBM is measured at the tunnel excavation site and the dynamic analysis of TBM model prototype is carried out. The vibration of TBM propulsion system is intense during the whole working process, and the vibration energy is concentrated in the low frequency band. In the dynamic analysis of TBM, propulsion is considered in this paper. The equivalent stiffness of hydraulic cylinder and hinge is introduced and the guide guide of propulsion system is established. The equivalent stiffness model of boot brace and shield support. The dynamic model of propulsion system is established by using displacement method combined with vector operation rules. The vibration characteristics of the propulsion system of a model prototype of a hard rock roadheader are analyzed. The longitudinal vibration frequency of the main beam is reduced due to the reduction of the stiffness of the propulsion cylinder, and the first three natural frequencies are very close. There is a serious coupling between the vibration of various degrees of freedom in the TBM main system, and the analysis results are in good agreement with the field test results. At the same time, it also provides technical support for the design of TBM propulsion system. In order to reduce the vibration level of TBM propulsion system, according to the results of field testing and theoretical analysis. This paper proposes a scheme to suppress the vibration of TBM system by using dynamic vibration absorber. The traditional dynamic vibration absorber must have enough additional mass to achieve good vibration absorption effect. The mass of TBM system is huge and the installation space is limited, so it is difficult to achieve enough additional mass of vibration absorber. Therefore, this paper puts forward a scheme of applying lever mechanism to realize the additional mass of vibration absorber. The dynamic vibration absorber suitable for TBM propulsion system is designed. The frequency response function of the system is obtained through the dynamic modeling and analysis of the single-degree-of-freedom spring mass-dynamic vibration absorber. Finally, the dynamic model of TBM system-dynamic vibration absorber is established, and the frequency response function of the system on each degree of freedom is obtained. The vibration amplitude of single degree of freedom and the amplitude of vibration on two degrees of freedom are taken as objective functions, and the global gradient hybrid optimization algorithm is used to optimize the parameters of the vibration absorber installed on the TBM system. The dynamic vibration absorber has good control effect on the vibration of TBM system.
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U455.31

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本文編號：1422910