[發(fā)明專利]一種基于多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的硬巖掘進機減振設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710776914.0
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107480400B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄒曉陽;鄭輝;米永振;梁利闖
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發(fā)明提供了一種基于多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的硬巖掘進機減振設(shè)計方法，包括：(1)建立硬巖掘進機整機剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型；(2)計算滾刀動態(tài)破巖力和護盾?圍巖相互作用力，模擬硬巖掘進機振動激勵力；(3)對硬巖掘進機掘進性能和整機振動水平進行分析和評價；(4)在硬巖掘進機齒輪箱上安裝多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；(5)通過最小化掘進性能指標(biāo)的最大值或最小化整機振動水平指標(biāo)值進行優(yōu)化確定多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器中阻尼器的數(shù)目、分布形式、質(zhì)量、剛度和阻尼。本發(fā)明通過在硬巖掘進機齒輪箱上配置多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，通過優(yōu)化多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的參數(shù)，可在提高或保持硬巖掘進機掘進性能的基礎(chǔ)上，有效降低整機振動、避免或減緩強振動對關(guān)鍵零部件造成的損傷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種硬巖掘進機減振設(shè)計方法，具體地說，涉及一種基于多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的硬巖掘進機減振設(shè)計方法。

背景技術(shù)

硬巖掘進機在掘進過程中振動劇烈，容易導(dǎo)致關(guān)鍵零部件和結(jié)構(gòu)過早地?fù)p傷失效，比如滾刀磨損、刀盤螺栓松動和斷裂、刀盤開裂、減速器齒輪崩齒、主軸承損傷等，增加了工程施工成本。已有研究表明，動態(tài)破巖使巖石的斷裂韌性增加，大量能量從滾刀-巖石接觸面通過入射波和反射波傳遞耗散。因此，從能效的角度看，振動將造成硬巖掘進機的掘進性能下降，不利于破巖。而且振動帶來的問題使硬巖掘進機在復(fù)雜硬巖地質(zhì)條件的大長隧洞施工中的應(yīng)用受限，無濟于未來超大規(guī)模隧洞工程施工建設(shè)。

目前一般通過調(diào)整掘進參數(shù)減小硬巖掘進機的振動，比如減小貫入度，帶來的負(fù)面結(jié)果是比能增大，掘進性能下降，進而影響工程完成的時間和成本。另一方面，通過改變硬巖掘進機的結(jié)構(gòu)來減振不容易甚至不可能，因為難以預(yù)測結(jié)構(gòu)改變所帶來的不利影響。這使得解決硬巖掘進機的振動問題變得十分困難。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是抑制主結(jié)構(gòu)振動的最簡單和最可靠的技術(shù)之一，在過去幾十年中已廣泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)和機械系統(tǒng)使其在強振動環(huán)境下免受損傷，應(yīng)用于機械加工系統(tǒng)使其顫振減小和穩(wěn)定性提高。但目前還未有基于多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的硬巖掘進機減振研究的公開文獻。同時需要注意，不同于其它結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的減振問題，硬巖掘進機的減振必須以不損害其掘進性能為前提。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有硬巖掘進機抑振方法的不足之處，本發(fā)明提供一種基于多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的硬巖掘進機減振設(shè)計方法，在提高或保持硬巖掘進機的掘進性能的前提下，達到減小整機振動的目的。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的方法為：將多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器配置于硬巖掘進機的齒輪箱上，具體步驟如下：

步驟S1，對包含機、電、液等復(fù)雜系統(tǒng)、由多個復(fù)雜的子結(jié)構(gòu)組成的硬巖掘進機，通過有限元法分別提取各個主要部件的結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)，建立硬巖掘進機整機剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型；

步驟S2，基于Colorado School of Mines(CSM)模型和重生效應(yīng)，計算滾刀動態(tài)破巖力，模擬破巖激勵力；

基于Winkler地基模型，建立護盾-圍巖三維粘彈接觸模型，采用Hyperstaticreaction method(HRM)方法計算等效剛度，采用速度弱化型摩擦定律計算護盾在掘進方向摩擦接觸的摩擦力，基于護盾與圍巖不接觸、粘彈接觸和摩擦接觸的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，計算護盾-圍巖相互作用力，模擬護盾粘滑運動激勵力；

步驟S3，基于動態(tài)破巖力、護盾-圍巖相互作用力和振動響應(yīng)，計算破巖能量消耗、整機振動能量耗散和破巖體積，計算評價硬巖掘進機掘進性能的動態(tài)比能，并以單位時間內(nèi)的振動能量耗散表征硬巖掘進機整機振動水平；

步驟S4，在硬巖掘進機齒輪箱安裝多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；

步驟S5，以最小化動態(tài)比能最大值或最小化單位時間內(nèi)的振動能量耗散為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，對齒輪箱上安裝的多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的阻尼器數(shù)目、分布形式、質(zhì)量、剛度和阻尼進行優(yōu)化，在減小或保持動態(tài)比能最大值的同時，有效減小單位時間內(nèi)的振動能量耗散，即減小整機振動，達到高效掘進、避免振動對關(guān)鍵零部件造成過大損傷的目的。