TBM推进系统动力学特性分析

TBM推进系统动力学特性分析

杨波;夏岩;李鹤;闻邦椿

【摘要】为了研究硬岩掘进机推进系统对初始条件的响应,建立了多自由度TBM 动力学模型.应用分形理论,考虑了撑靴与岩壁的变刚度,通过对系统的数值计算,得到了系统在各个方向的响应,并分析了在不同初始条件下系统的动态响应.结果表明:主机X方向的初始位移和绕Y方向的初始角度对推进系统的姿态影响很大;当初始偏移0.01 m时,系统会发生0.18 m的偏移;当初始偏移1°时,系统会发生1.4°的偏移.这样对盾构机的姿态调整会产生很大挑战,甚至会使盾构机偏离计划路线无法完成掘进工作.研究结果对TBM掘进过程中的姿态控制有一定的指导意义.%To research the response of the TBM′s thrust system to initial conditions, a multiple-degree-of-freedom coupling dynamic model, which contains the main frame and a pair of grippers, was established considering the external stochastic excitations and variable stiffness between the gripper and the rock.Dynamic responses were calculated by using a numerical method and were analyzed in different initial conditions.The X and Y directions strongly influence the attitude of the thrust system.The deflection of the thrust system was up to 0.18 m when the initial angle was 0.01 m and up to 1.4° when the initial angle was 1°.This condition presented a great challenge to the adjustment of the angle of the TBM attitude and even caused the machine to deviate from the planned route and be unable to complete the excavation work.This research provides theoretical guidance for TBM attitude adjustment.

【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》

【年(卷),期】2017(038)008

【总页数】6页(P1303-1308)

【关键词】TBM盾构机;推进系统;变刚度;动力学模型;动态响应;敏感系数

【作者】杨波;夏岩;李鹤;闻邦椿

【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819

【正文语种】中文

【中图分类】TH113.1

硬岩掘进机(tunnel boring machine, TBM)广泛应用在城市饮水工程、地下隧洞工程，以及公路、铁路的建设中。相比传统的钻爆法，使用TBM进行施工具有自动化程度高、掘进速度快、施工质量高、环境影响小、安全性好的特点。根据设备的结构特点，TBM一般应用在硬岩的地质条件中，其刀盘要承受硬岩破碎的巨大变载荷，通过机架、液压缸和撑靴，最终传递到岩壁表面。因为外部载荷引起的TBM掘进波动较大，严重时甚至发生偏航、堵转等情况，因此通过建立推进机械系统的动力学模型，研究TBM推进系统在刀盘变载荷和变支撑刚度条件下的动力学特性有重要意义。

随着国内高铁、地铁和隧道工程的大量开工建设，TBM的推进系统的动力学研究近来已经成为热点。谢启江等研究了岩石变形和不同撑靴支撑刚度下TBM直线和曲线推进时动态特性响应，发现曲线推进时撑靴与岩石的接触刚度变化对运动特性

影响较大[1]。周小磊等应用AMESim软件对TBM推进系统进行了建模，模拟了

推进液压缸快速回收和高压直线推进过程，其响应曲线和实际分析基本相符[2]。

张良贵对TBM推进系统进行了简化，计算了复合地质条件下所需的推力和扭矩[3]。Huo等建立了整机多自由度模型，通过仿真和现场测试，得到了TBM整机在扭转、倾覆和摆动方向的响应[4]。Sun 等对TBM的刀盘系统和旋转驱动系统，建立了

多自由度非线性动力学模型，分析了内外部耦合激励条件下的刀盘动力学响应[5- 6]。Xia等通过滚刀实验台的破岩实验和数值仿真，对刀盘受力进行了分析和预测[7-8]。Gong等研究了TBM掘进贯入参数和岩石特性之间的关系，通过对实测数据库的分析，建立了掘进贯入度预测模型[9]。相近的研究还包括对土压平衡型掘

进机推进系统的研究,其研究方法可以部分借用到硬岩掘进机的推进系统。刘杰等

对土压平衡型掘进机推进系统，建立了五自由度无阻尼动力学模型，计算了该模型的响应[10]。王洪新等通过理论结合实验分析了土压平衡盾构机推进系统的平衡控制方法[11]。霍军周等建立了多关节面TBM刀具系统的多自由度耦合动力学模型，并实验证明接头表面对刀具系统的振动性能有很大的影响[19]。

在之前的研究工作中，有一些因素并没有深入考虑，例如撑靴支撑液压缸和撑靴与岩壁变刚度因素，以及在不同初始条件下，动态特性的响应等。本文将综合考虑以上因素，通过对TBM推进系统多自由度动力学模型的建立和分析计算，得到一些更加具体的结论。

敞开式TBM主机结构如图1所示，由刀盘、驱动装置，主机架、推进液压缸、支撑液压缸、撑靴和扭矩液压缸组成。其中刀盘在驱动装置的扭矩驱动下，进行旋转运动，实现滚刀对岩石的滚动切割；推进液压缸用来推进主机架和刀盘做直线进给运动，实现滚刀对岩石的贯入切割，两侧的推进液压缸可以实现不同长度的伸缩，以实现盾构机向左右不同方向的偏航，用来完成隧道转弯处的施工。

盾构机的推进系统由推进液压缸，支撑液压缸、扭矩液压缸和撑靴组成。其中扭矩