多源不确定因素下TBM刀盘系统耦合动态特性研究.pdf

专专 业业 学学 位位 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 多源多源不确定因素下不确定因素下 TBM 刀盘刀盘系统耦合系统耦合 动动态特性研究态特性研究 Research on Coupling Dynamic Characteristics of TBM Cutterhead System under Multi-source Uncertainties 作 者 姓 名 徐兆辉 工 程 领 域 机械工程 学 号 31704075 指 导 教 师 霍军周 教授 王欣 副教授 完 成 日 期 2020 年 5 月 大连理工大学 Dalian University of Technology 万方数据 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目 作 者 签 名 日期 年 月 日 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - I - 摘 要 TBM（全断面岩石掘进机） ，是一种集成化的大型隧道掘进复合设备，已广泛应用 于水利、铁路等各个领域。TBM 作为一种极端环境下的机械，其作业环境的复杂多变 也造成了 TBM 关键部位的强烈振动破坏，刀盘系统作为 TBM 最主要的部分，其自身 的故障往往会严重影响掘进效率，因此对刀盘系统的振动分析研究是十分必要的。由于 刀盘系统存在着较多的不确定性，例如装配不确定性和地质不确定性等，这些不确定性 因素往往相互耦合，这便加大了刀盘系统的振动分析难度，造成振动分析的不准确和动 态特性预测困难等问题，进而使 TBM 刀盘系统的减振优化设计事与愿违。因此，对多 源不确定因素的耦合关系进行相应的建模分析， 进而建立更加贴近实际的刀盘系统动力 学模型，并进行相应的动力学分析十分必要。本文主要工作如下 1） TBM 刀盘系统不确定因素的模型建立。 对刀盘系统自身滚刀的装配的不确定性、 滚刀作业位置的不确定性、地质不确定性分别进行了分析，并建立了滚刀装配不确定模 型、滚刀作业位置不确定模型、地质不确定模型，这为刀盘系统输入的载荷区间的求解 提供基础。 2）多源不确定因素下的刀盘系统动力学建模。将不确定模型通过区间转化得到多 源不确定因素下的系统载荷区间， 并将其与动力学模型进行结合得到多源不确定因素下 的刀盘系统的多自由度耦合动力学模型，为动力学研究提供模型基础。 3）多源不确定因素下的刀盘系统各个工况下的各自由度载荷变化规律分析。通过 建立的地质不确定模型、 滚刀装配不确定模型、 滚刀位置不确定模型与载荷计算相结合， 分析了多源不确定因素下刀盘各向载荷的变化规律，并在此基础上，与各个典型的工况 相结合，得到在多源不确定因素下的刀盘系统各个工况下的各自由度载荷变化规律，以 此作为多源不确定因素下的刀盘系统动力学分析的载荷输入。 4）不确定动力学求解方法的验证。为了验证多源不确定因素下刀盘系统的动力学 求解方法的有效性，将工程实测数据、仿真数据和考虑不确定因素下的动力学响应边界 数据进行对比，进而验证了本文方法的可行性和有效性。 5）以某工程项目为例，采用本文的研究方法进行了刀盘系统的动力学分析。研究 了在多源不确定因素下的刀盘系统的不同工况和自由度下刀盘振动响应的影响规律， 并 将它们与不考虑不确定因素下的刀盘振动响应边界进行了对比研究， 这既说明了不确定 因素对于动力学分析的重要性，也为刀盘结构和减振设计提供更加有效的理论参考。 关键词刀盘系统；多源不确定性；多自由度耦合；区间理论；振动特性； 万方数据 多源不确定因素下TBM 刀盘系统耦合动态特性研究 - II - Coupling Dynamic Characteristics Research of TBM Cutterhead System under Uncertain Factors Abstract TBM（tunnel boring machine） is an integrated large-scale tunnel boring complex equipment, which has been widely used in water conservancy, railway and other fields. As a kind of machine in extreme environment, the complex and changeable driving environment of TBM also causes the strong vibration damage of the key parts of TBM. As the most important part of TBM, the failure of the cutterhead system often seriously affects the driving efficiency, so it is necessary to analyze and study the vibration of the cutterhead system. There are many uncertainties in the cutterhead system, such as the uncertainty of assembly and the uncertainty of geology. These uncertainties are often coupled with each other, which increases the difficulty of vibration analysis of the cutterhead system, causes the inaccuracy of vibration analysis and the difficulty of dynamic characteristic prediction, and then makes the vibration reduction optimization design of the TBM cutterhead system go against expectations. Therefore, it is necessary to model and analyze the coupling relationship of multi-source uncertainties, and then establish a more practical dynamic model of cutterhead system, and carry out the corresponding dynamic analysis. The main work of this paper is as follows 1 The establishment of uncertainty model of TBM cutterhead system. Through the analysis of the uncertainty of the assembly of the hob, the location of the hob driving, and the uncertainty of the geology, the uncertain models of the hob assembly, the location of the hob driving, the geology are established. This provides the basis for the solution of the load interval of the cutterhead system. 2 Dynamics modeling of cutterhead system under multi-source uncertain factors. The interval load of the system under the multi-source uncertainties is obtained by the interval transation of the uncertain model, and the multi-degree-of-freedom coupling dynamic model of TBM cutterhead system under multi-source uncertainty is obtained by combining load interval with the established cutterhead system dynamics model, which provides the model basis for the dynamics research. 3 Analysis of load variation rule of various degrees of freedom under various working conditions of cutterhead system under multi-source uncertainties. Through the combination of the established geological uncertainty model, the uncertain model of hob assembly, the uncertain model of hob position and the load calculation, the variation rule of the load in various degrees of freedom of the cutterhead under the multi-source uncertainty is analyzed, 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - III - and on this basis, combined with the typical working conditions, the variation rule of various degrees of freedom under various working conditions of cutterhead system under multi-source uncertainties is obtained, which is the load of the dynamic analysis of the cutterhead system under the multi-source uncertainty. 4 Verification of uncertain dynamics solving . In order to verify the effectiveness of the dynamic solution of the cutter head system under multi-source uncertainties, the engineering measured data, simulation data and dynamic response boundary data under uncertainty are compared, and then the feasibility and effectiveness of the in this paper are verified. 5 Taking an engineering project as an example, the dynamic analysis of cutterhead system is carried out by using the research in this paper. The influence rules of the cutterhead vibration response under different working conditions and different degrees of freedom of the cutterhead system under multi-source uncertain factors are studied. And they are compared with the vibration response boundary of the cutterhead without considering the uncertain factors, which not only illustrates the importance of the uncertain factors for dynamic analysis, but also provides a more effective theoretical reference for cutterhead structure and vibration reduction design. Key Words Cutterhead System; Multi-source Uncertainty; Multi-degree of Freedom Coupling; Interval Theory ; Vibration Characteristics 万方数据 多源不确定因素下TBM 刀盘系统耦合动态特性研究 - IV - 目 录 摘 要 ............................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................. II 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景和意义 ........................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.2.1 TBM 发展 ................................................................................................ 2 1.2.2 TBM 载荷研究 ........................................................................................ 3 1.2.3 TBM 动力学研究 .................................................................................... 4 1.2.4 不确定性研究 .......................................................................................... 6 1.3 本文研究内容及技术路线 ................................................................................ 7 1.4 本章小结 ............................................................................................................ 8 2 TBM 不确定模型的建立 ............................................................................................... 9 2.1 引言 ....................................................................................................................... 9 2.2 TBM 滚刀作业位置不确定性模型建立 ............................................................. 9 2.3 地质不确定模型建立 ........................................................................................ 10 2.3.1 地质沉降不确定性建模 ........................................................................... 10 2.3.2 地质沉降与地质占比不确定性的耦合 ................................................... 11 2.4 TBM 滚刀装配的不确定建模 ........................................................................ 12 2.5 不确定因素的区间载荷的转化 ......................................................................... 14 2.5.1 单把滚刀载荷的计算 ............................................................................... 14 2.5.2 各工况载荷边界的计算 ........................................................................... 14 2.6 本章小结 .......................................................................................................... 16 3 多源不确定因素下刀盘系统多自由度耦合动力学建模 ........................................ 17 3.1 引言 .................................................................................................................. 17 3.2 典型刀盘系统等效力学模型 .......................................................................... 19 3.2.1 分体式刀盘系统等效力学模型 ............................................................ 19 3.2.2 整体式刀盘系统等效力学模型 ............................................................ 22 3.2.3 五分式刀盘系统等效力学模型 ............................................................ 24 3.3 多源不确定因素下刀盘系统动力学微分方程建立 ........................................ 25 3.3.1 回转系统相对位移分析 ........................................................................ 25 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - V - 3.3.2 分体式刀盘系统动力学微分方程 ........................................................ 26 3.3.3 整体式刀盘系统动力学微分方程 ........................................................ 28 3.3.4 五分式刀盘系统动力学微分方程 ........................................................ 29 3.4 动力学系统参数确定 ...................................................................................... 31 3.4.1 各个部分质量及转动惯量的计算 ........................................................ 31 3.4.2 各部分等效刚度计算 ............................................................................ 31 3.4.3 各个部分等效阻尼的计算 .................................................................... 33 3.5 本章小结 .......................................................................................................... 34 4 多源不确定因素下的刀盘系统动态特性求解方法 ................................................ 35 4.1 引言 .................................................................................................................. 35 4.2 响应的区间模型 .............................................................................................. 35 4.2.1 区间过程的定义 .................................................................................... 35 4.2.2 区间转换中的去相关性 ........................................................................ 36 4.3 多源不确定因素下的刀盘系统动态特性求解 .............................................. 39 4.4 本章小结 .......................................................................................................... 42 5 求解方法的验证 .......................................................................................................... 43 5.1 工程现场情况 ..................................................................................................... 43 5.2 数据采集系统的搭建 ......................................................................................... 43 5.3 传感器的布置方案 ............................................................................................ 44 5.4 TBM 现场测试 ................................................................................................... 45 5.5 数据的对比 ........................................................................................................ 46 6 工程实例分析 ............................................................................................................ 47 6.1 引言 .................................................................................................................. 47 6.2 地质条件参数 .................................................................................................. 47 6.3 不同作业工况下的 TBM 刀盘各自由度载荷边界计算 ............................... 48 6.3.1 滚刀载荷时域图 .................................................................................... 49 6.3.2 滚刀装配不确定因素对各向载荷的影响 ............................................ 50 6.3.3 滚刀不确定因素下各向载荷时域对比 ................................................ 58 6.3.4 多源不确定因素下的载荷时域图对比 ................................................ 63 6.3.5 多源不确定因素下不同工况刀盘载荷边界计算 ................................ 66 6.4 刀盘系统动态响应分析 .................................................................................. 66 6.4.1 动力学系统参数 .................................................................................... 66 万方数据 多源不确定因素下TBM 刀盘系统耦合动态特性研究 - VI - 6.4.2 动力学响应对比分析 ............................................................................ 67 6.4.3 各自由度工况对比 ................................................................................ 72 6.5 刀盘动力学响应影响因素分析 ...................................................................... 74 6.6 本章小结 .......................................................................................................... 75 结 论 .......................................................................................................................... 76 参 考 文 献 .................................................................................................................... 78 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 .......................................................................... 84 致 谢 .......................................................................................................................... 86 大连理工大学学位论文版权使用授权书 ...................................................................... 87 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - 1 - 1 绪论 1.1 课题研究背景和意义 在人口急剧增长和资源紧缺的驱动下，人类对地下空间开发的兴趣与日俱增[1]，目 前地下挖掘方法主要有钻探法、爆破法和 TBM 掘进法。由于全断面岩石掘进机（TBM） 与传统的掘进方法相比，挖掘速度快，可以以每天 70 m 的速度进行，还可以减少岩石 损坏、劳动力成本[2,3]，因此随着技术的进步，隧道掘进机在世界各地的隧道工程中得到 了广泛的应用[4]，如引水、铁路建设、采矿等方面。 TBM 是一种集成了多种技术于一体的大型地下工程施工装备[5]。 它的发展可追溯 到 1952 年，那时的刀盘直径为八米，并完成了第一条隧道的挖掘 [6]。而我国的 TBM 事 业也是经过了一个较长时间的发展阶段，自 1964 年至 1985 年为我国 TBM 的探索时 期，这个时期还是在进行各种形式的研究和试验，经过了 1985 年至 2015 年的引进和 中外合作阶段以后，我国的 TBM 真正的实现了国产化，并得到了飞速的发展，逐渐实 现了从引进合作到中国制造的巨大飞跃。 TBM 主要由刀盘系统，支护系统和液压系统等部分组成，各个部分相互协同来完 成掘进工作。 TBM 作业时， 刀盘系统是最主要的作业部分， 其自身的稳定直接影响 TBM 的作业效率和作业进行。由于地下环境复杂多变，多变复杂的作业环境往往会使刀盘受 到多点的剧烈冲击。因此，刀盘承受极其严重的振动，这可能会出现刀具异常磨损、滚 刀磨损和轴承密封失效等问题[7-9]，例如，辽宁大伙房水库掘进工程由于剧烈振动导致 刀盘开裂，严重影响工程作业效率。由此可见，刀盘系统的振动是最频发且影响最严重 的部分，剧烈振动常引发的问题如图 1.1 所示。因此，采用动力学方法来分析刀盘系统 的振动特性，具有十分重要的工程意义。 TBM 在作业过程中往往存在多源的不确定因素，它们之间往往存在耦合关系，这 最终就会导致动力学分析得不到很好的分析预期。 目前对刀盘系统多源不确定性耦合作 用下的动力学研究较少，且大多的不确定因素都经常被忽略，各不确定因素间的耦合关 系也往往随之简化掉，这便会导致分析结果与实际情况有较大偏差，并逐渐累积，最终 导致刀盘结构设计的失效。因此，对于多源不确定性因素下的刀盘系统耦合动力学研究 显得十分必要。 万方数据 多源不确定因素下TBM 刀盘系统耦合动态特性研究 - 2 - （a）刀盘隔板裂纹 （b）刀盘面板裂纹 （c）刀盘开裂 （d）栓轴断裂 图 1.1 主要失效形式 Fig. 1.1 The main failure s 1.2 国内外研究现状 本节首先对 TBM 的发展现状进行了阐述，可见 TBM 的发展是开创性的，对于人 类地下掘进等领域的工作贡献是突出的，其发展是迅速的。其次，我们针对本文的研究 内容从输入的载荷和动力学相关特性研究两个方面对 TBM 的动力学领域的国内外研究 现状进行了阐述和总结，最后对不确定性研究的国内外进展进行了阐述和总结。 1.2.1 TBM 发展 TBM 的发展史最早追溯到 1946 年，这是 TBM 发展的起点，再到后来美国工程师 设计了可连续作业的掘进设备，到 20 世纪初，TBM 在一些发达国家已经进入了快速发 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - 3 - 展时期，以美国、德国等国家的水平较高。 虽然我国的 TBM 行业发展较晚，但中国的市场需