空間分布載荷下TBM刀盤振動分析及壽命預測.pdf

1、全斷面巖石掘進機(TBM)是隧道施工領域典型的大型復雜裝備，其技術復雜和附加值高，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)律極其復雜，導致刀盤在未達到預定壽命指標前出現(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)的動力學行為及損傷機理難以預

2、測，實現(xiàn)強沖擊環(huán)境下刀盤的減振抗損設計難度極大。因此，對TBM刀盤的動態(tài)特性及疲勞壽命進行分析和預測，提出結構參數(shù)的設計依據(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)復雜因素影響下分體式TBM刀盤系統(tǒng)多自由度耦合動力學行為及其振動機理: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，推導構件間的變形協(xié)調關系，建立分體式

3、TBM刀盤系統(tǒng)的耦合動力學模型，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)、分體質量參數(shù)、主驅動布置參數(shù)等復雜因素對刀盤系統(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模型的準確性及可信度。
　　2)基于子模型技術的分體式刀盤結構復合型應力強度因子模型:針對刀盤結構及邊界載荷的復雜性，其裂紋應力強度因子難以確定。結合刀盤結合面動態(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的分體式刀盤結構復合型應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)對應力強度因子的影響，揭示了不同參數(shù)下裂紋尖端的主導擴展規(guī)律。
　　3)復雜邊界條件下TBM刀盤的裂紋擴展壽命預測及參數(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力強度因子幅的數(shù)學表達，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測模型，進而預測疲勞壽命，并用刀盤特征子結構進行裂紋擴展實驗驗證。同時，分析不同盤體結構參數(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，為刀盤的結構設計、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)響應及結