空間分布載荷下TBM刀盤振動分析及壽命預(yù)測.pdf

1、全斷面巖石掘進機(TBM)是隧道施工領(lǐng)域典型的大型復(fù)雜裝備，其技術(shù)復(fù)雜和附加值高，反映一個國家的裝備制造業(yè)水平。刀盤是TBM的核心部件，其壽命等同于TBM的壽命，掘進過程中會遇到高硬度、高溫、高石英含量的“三高”圍巖環(huán)境，加以不同類型的滾刀群多點沖擊破巖特性使得刀盤振動極其劇烈，受力性態(tài)及力流傳遞規(guī)律極其復(fù)雜，導(dǎo)致刀盤在未達到預(yù)定壽命指標前出現(xiàn)大面積損傷開裂的嚴重工程問題。其根本原因在于上述極端環(huán)境下刀盤系統(tǒng)的動力學(xué)行為及損傷機理難以預(yù)

2、測，實現(xiàn)強沖擊環(huán)境下刀盤的減振抗損設(shè)計難度極大。因此，對TBM刀盤的動態(tài)特性及疲勞壽命進行分析和預(yù)測，提出結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計依據(jù)，具有較大的理論價值及工程意義。本文以中方五分式刀盤為例，對其振動特性及疲勞壽命展開深入研究和探討，主要研究內(nèi)容如下:
　　1)復(fù)雜因素影響下分體式TBM刀盤系統(tǒng)多自由度耦合動力學(xué)行為及其振動機理:綜合考慮空間多點時變隨機激勵、輪齒嚙合剛度、間隙及軸承剛度等內(nèi)外部因素影響，推導(dǎo)構(gòu)件間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，建立分體式

3、TBM刀盤系統(tǒng)的耦合動力學(xué)模型，提出了基于Newmark-β的分體式TBM刀盤系統(tǒng)快速解耦方法，進而分析不同掘進參數(shù)、分體質(zhì)量參數(shù)、主驅(qū)動布置參數(shù)等復(fù)雜因素對刀盤系統(tǒng)振動特性的影響規(guī)律，并用掘進現(xiàn)場的刀盤振動實測加速度數(shù)據(jù)驗證及修正了動力學(xué)模型的準確性及可信度。
　　2)基于子模型技術(shù)的分體式刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)合型應(yīng)力強度因子模型:針對刀盤結(jié)構(gòu)及邊界載荷的復(fù)雜性，其裂紋應(yīng)力強度因子難以確定。結(jié)合刀盤結(jié)合面動態(tài)載荷及多滾刀空間時變激勵，采用

4、雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到8級等效的疲勞載荷譜，提出基于子模型技術(shù)的分體式刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)合型應(yīng)力強度因子計算方法，并用Newman-Raju公式進行了方法的驗證。進而，分析裂紋位置角、形狀比及相對深度等參數(shù)對應(yīng)力強度因子的影響，揭示了不同參數(shù)下裂紋尖端的主導(dǎo)擴展規(guī)律。
　　3)復(fù)雜邊界條件下TBM刀盤的裂紋擴展壽命預(yù)測及參數(shù)影響:基于各級等效的疲勞載荷譜，擬合分體刀盤薄弱部位裂紋尖端最深處等效應(yīng)力強度因子幅的數(shù)學(xué)表達，分析刀盤的裂紋擴展規(guī)律，

5、基于Newman模型及累積損傷理論建立其疲勞裂紋擴展壽命預(yù)測模型，進而預(yù)測疲勞壽命，并用刀盤特征子結(jié)構(gòu)進行裂紋擴展實驗驗證。同時，分析不同盤體結(jié)構(gòu)參數(shù)、裂紋尺寸參數(shù)及擴展速率參數(shù)對刀盤壽命的影響規(guī)律，為刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗損準則、故障檢修策略及選材提供借鑒。
　　4)遼西北供水工程TBM刀盤振動特性及壽命預(yù)測:為進一步驗證本文模型及方法的有效性及實用性，以遼西北供水工程刀盤為例，采用本文方法建立其系統(tǒng)振動模型，計算刀盤的動態(tài)響應(yīng)及結(jié)