[发明专利]一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法

说明书

本发明提供了一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，包括：(1)建立硬岩掘进机整机刚柔耦合多体动力学模型；(2)计算滚刀动态破岩力和护盾‑围岩相互作用力，模拟硬岩掘进机振动激励力；(3)对硬岩掘进机掘进性能和整机振动水平进行分析和评价；(4)在硬岩掘进机齿轮箱上安装多调谐质量阻尼器；(5)通过最小化掘进性能指标的最大值或最小化整机振动水平指标值进行优化确定多调谐质量阻尼器中阻尼器的数目、分布形式、质量、刚度和阻尼。本发明通过在硬岩掘进机齿轮箱上配置多调谐质量阻尼器，通过优化多调谐质量阻尼器的参数，可在提高或保持硬岩掘进机掘进性能的基础上，有效降低整机振动、避免或减缓强振动对关键零部件造成的损伤。

技术领域

本发明涉及一种硬岩掘进机减振设计方法，具体地说，涉及一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法。

背景技术

硬岩掘进机在掘进过程中振动剧烈，容易导致关键零部件和结构过早地损伤失效，比如滚刀磨损、刀盘螺栓松动和断裂、刀盘开裂、减速器齿轮崩齿、主轴承损伤等，增加了工程施工成本。已有研究表明，动态破岩使岩石的断裂韧性增加，大量能量从滚刀-岩石接触面通过入射波和反射波传递耗散。因此，从能效的角度看，振动将造成硬岩掘进机的掘进性能下降，不利于破岩。而且振动带来的问题使硬岩掘进机在复杂硬岩地质条件的大长隧洞施工中的应用受限，无济于未来超大规模隧洞工程施工建设。

目前一般通过调整掘进参数减小硬岩掘进机的振动，比如减小贯入度，带来的负面结果是比能增大，掘进性能下降，进而影响工程完成的时间和成本。另一方面，通过改变硬岩掘进机的结构来减振不容易甚至不可能，因为难以预测结构改变所带来的不利影响。这使得解决硬岩掘进机的振动问题变得十分困难。

调谐质量阻尼器是抑制主结构振动的最简单和最可靠的技术之一，在过去几十年中已广泛应用于大型结构和机械系统使其在强振动环境下免受损伤，应用于机械加工系统使其颤振减小和稳定性提高。但目前还未有基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振研究的公开文献。同时需要注意，不同于其它结构或系统的减振问题，硬岩掘进机的减振必须以不损害其掘进性能为前提。

发明内容

针对现有硬岩掘进机抑振方法的不足之处，本发明提供一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，在提高或保持硬岩掘进机的掘进性能的前提下，达到减小整机振动的目的。

为达到上述目的，本发明所采用的方法为：将多调谐质量阻尼器配置于硬岩掘进机的齿轮箱上，具体步骤如下：

步骤S1，对包含机、电、液等复杂系统、由多个复杂的子结构组成的硬岩掘进机，通过有限元法分别提取各个主要部件的结构动力学参数，建立硬岩掘进机整机刚柔耦合多体动力学模型；

步骤S2，基于Colorado School of Mines(CSM)模型和重生效应，计算滚刀动态破岩力，模拟破岩激励力；

基于Winkler地基模型，建立护盾-围岩三维粘弹接触模型，采用Hyperstaticreaction method(HRM)方法计算等效刚度，采用速度弱化型摩擦定律计算护盾在掘进方向摩擦接触的摩擦力，基于护盾与围岩不接触、粘弹接触和摩擦接触的状态转换，计算护盾-围岩相互作用力，模拟护盾粘滑运动激励力；

步骤S3，基于动态破岩力、护盾-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，并以单位时间内的振动能量耗散表征硬岩掘进机整机振动水平；

步骤S4，在硬岩掘进机齿轮箱安装多调谐质量阻尼器；

步骤S5，以最小化动态比能最大值或最小化单位时间内的振动能量耗散为目标，建立优化模型，对齿轮箱上安装的多调谐质量阻尼器的阻尼器数目、分布形式、质量、刚度和阻尼进行优化，在减小或保持动态比能最大值的同时，有效减小单位时间内的振动能量耗散，即减小整机振动，达到高效掘进、避免振动对关键零部件造成过大损伤的目的。