TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及其靜動(dòng)態(tài)特性分析

霍軍周，李廣慶，吳瀚洋，孫偉，孫曉龍

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及其靜動(dòng)態(tài)特性分析

霍軍周，李廣慶，吳瀚洋，孫偉，孫曉龍

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

摘要：由于實(shí)際TBM刀盤(pán)的直徑較大(直徑6 m以上)，采用等比例實(shí)物刀盤(pán)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究代價(jià)較大且難實(shí)現(xiàn)，因此進(jìn)行TBM刀盤(pán)縮尺模型研究有助于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和延壽設(shè)計(jì)等研究的開(kāi)展。依據(jù)相似理論,建立了TBM刀盤(pán)的材料、幾何、載荷和動(dòng)力等特征量相似參數(shù)集合，依據(jù)TBM刀盤(pán)實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)及多點(diǎn)沖擊分布載荷特點(diǎn)，獲取TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建了一套具有多種刀盤(pán)分體結(jié)構(gòu)和刀具布置方式的TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)平臺(tái)。運(yùn)用AnsysWorkbench和ADAMS軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力學(xué)仿真，得到縮尺刀盤(pán)剛度和阻尼與理論值相比誤差小于5.3%，縮尺刀盤(pán)載荷曲線平均值誤差小于4.2%，波動(dòng)方差誤差小于2.9%，驗(yàn)證了縮尺刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)靜動(dòng)態(tài)特性的相似性。

關(guān)鍵詞：TBM刀盤(pán)；試驗(yàn)臺(tái)；相似理論；縮尺TBM刀盤(pán)；加載盤(pán)；刀盤(pán)刀具；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性

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利用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面開(kāi)挖的方法已被廣泛應(yīng)用于隧道的開(kāi)挖工程中，據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界60%～80%的隧道都是由TBM掘進(jìn)完成[1]。TBM在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到不同的地質(zhì)條件，工作環(huán)境惡劣，刀盤(pán)伴隨劇烈振動(dòng)，對(duì)其壽命有重大影響，進(jìn)而影響掘進(jìn)工期?，F(xiàn)階段通過(guò)實(shí)際施工進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的研究還比較困難，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也會(huì)付出很大經(jīng)濟(jì)代價(jià)和承擔(dān)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研制模擬刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)是掌握TBM刀盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)的有效手段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)TBM的不同部件和研究目的，設(shè)計(jì)搭建了多種TBM試驗(yàn)平臺(tái)。在國(guó)內(nèi)，陳啟偉等[2]按1∶1的滾刀尺寸研制了回轉(zhuǎn)式滾刀巖機(jī)作用實(shí)驗(yàn)臺(tái)。夏毅敏等[3]研制了用于刀具破巖技術(shù)研究的TBM掘進(jìn)綜合試驗(yàn)臺(tái)。國(guó)外在巖石掘進(jìn)機(jī)實(shí)驗(yàn)方面取得了較大的成就，比較典型的有美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院利文特·奧茲戴米(Levent Ozdemir)等學(xué)者研制了滾刀線性切割機(jī)和滾刀回轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)臺(tái)[4]。美國(guó)Excavation Engineering Associates研制的刀盤(pán)直徑為32英寸的微型硬巖掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[5]。法國(guó)的LCPC試驗(yàn)臺(tái)[6-7]，挪威科技大學(xué)研制的SGAT試驗(yàn)臺(tái)[8]和韓國(guó)建設(shè)技術(shù)研究所的線性切割試驗(yàn)臺(tái)[9-10]等。國(guó)內(nèi)外的TBM試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)方面：盤(pán)形滾刀破巖機(jī)理實(shí)驗(yàn)[4,11-12]、盤(pán)形滾刀破巖力預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)[13]、巖石和土壤特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)[6,14]、貫入量和巖石特性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)[15]、TBM掘進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)[16-17]、盤(pán)形滾刀壽命預(yù)測(cè)和磨損實(shí)驗(yàn)研究[8]等方面。從上述TBM試驗(yàn)臺(tái)和開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可知，以刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與刀盤(pán)延壽設(shè)計(jì)為目的的實(shí)驗(yàn)還很少，相應(yīng)的刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)也鮮有設(shè)計(jì)和搭建，然而刀盤(pán)的安全設(shè)計(jì)對(duì)于TBM的順利掘進(jìn)至關(guān)重要。因此依據(jù)相似理論的原理設(shè)計(jì)能夠真實(shí)模擬實(shí)際TBM刀盤(pán)掘進(jìn)的縮尺刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和延長(zhǎng)工作壽命具有重要意義。

1試驗(yàn)臺(tái)整體布置設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)是TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)，可用于對(duì)刀盤(pán)掘進(jìn)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)為立式結(jié)構(gòu)，總體尺寸為1 560 mm×2 060 mm×2 723 mm。立式結(jié)構(gòu)占地面積小，加載裝置施加的載荷與重力方向相同，使得加載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。變頻電機(jī)、減速機(jī)和刀盤(pán)主軸承構(gòu)成試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1　TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1　Sketch map of the reduced scale test bench 　　for TBM cutterhead

國(guó)內(nèi)外TBM試驗(yàn)臺(tái)[2-3]的加載多采用滾刀與巖箱相互作用的方式，采用這種方式刀具受到的實(shí)際載荷難以確定，也難以對(duì)刀具及刀盤(pán)受到的載荷進(jìn)行準(zhǔn)確控制。因此，為解決這個(gè)問(wèn)題，該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了刀盤(pán)軸向加載系統(tǒng)，它主要包括兩部分：液壓作動(dòng)器和加載盤(pán)。

液壓回路采用全數(shù)字伺服控制器對(duì)作動(dòng)器的軸向位移和載荷進(jìn)行控制。加載盤(pán)為碗狀結(jié)構(gòu)，液壓作動(dòng)器與加載盤(pán)連接并將載荷通過(guò)加載盤(pán)傳遞給刀盤(pán)刀具，進(jìn)而傳遞給刀盤(pán)。加載盤(pán)由加載盤(pán)支架支撐，加載盤(pán)支架的支撐端安裝有鉸接軸承，加載盤(pán)上的滑桿穿入鉸接軸承，使得加載盤(pán)在作動(dòng)器的作用下能進(jìn)行小角度傾斜，對(duì)刀盤(pán)實(shí)現(xiàn)局部偏載。

本試驗(yàn)臺(tái)采用在縮尺刀盤(pán)上布置無(wú)線傳感器的方法進(jìn)行測(cè)試。加速度傳感器在刀盤(pán)上的布置位置不限，應(yīng)以不影響加載為宜；應(yīng)變傳感器布置在刀盤(pán)應(yīng)變最大的位置；微型測(cè)力傳感器布置在刀盤(pán)分體結(jié)合板之間壓力最大處。

2基于相似理論的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

本文按照相似理論的原理，在保證刀盤(pán)的動(dòng)力學(xué)特性和外載與實(shí)物相似的前提下，根據(jù)已知實(shí)物刀盤(pán)的主參數(shù)，推導(dǎo)出縮尺試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)。TBM刀盤(pán)的掘進(jìn)過(guò)程伴隨著非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，與刀盤(pán)相關(guān)的物理量主要有：1)材料特征量：應(yīng)力σ，應(yīng)變?chǔ)?，彈性模量E，泊松比μ，密度ρ，溫度線膨脹系數(shù)α；2)幾何量：長(zhǎng)度l，線位移δ，截面積A，角位移θ；3)載荷量：集中加載力F，等效力矩M，面載荷P，溫度t；4)動(dòng)力量：質(zhì)量m，剛度k，阻尼c，時(shí)間τ，頻率f，速度v，加速度a，重力加速度g。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程的物理現(xiàn)象比較復(fù)雜，同時(shí)參與的物理量也比較繁多，所以采用量綱分析法導(dǎo)出相似準(zhǔn)則[18]，其中以長(zhǎng)度L、力F、時(shí)間T和溫度Θ作為基本量綱。得到的相似準(zhǔn)則如下：π1=F-3M2σ, π2=ε, π3=F-3M2E, π4=μ, π5=F-5τ-2M4ρ, π6=FM-1l,π7=FM-1δ, π8=F2M-2A, π9=θ, π10=F-3M2P,π11=F-2Mτ-2m，π12=F-2Mk，π13=F-2Mτ-1c，π14=τf, π15=FM-1τv, π16=FM-1τ2a, π17=FM-1τ2g, π18=αt.

要達(dá)到試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆c實(shí)際模型相似比較困難，所以在刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，主要按照一些與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的關(guān)鍵物理量的相似關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述相似準(zhǔn)則和Buckingham 定理，得到TBM刀盤(pán)相關(guān)物理量的相似常數(shù)如表1，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)主參數(shù)如表2，相似常數(shù)為刀盤(pán)實(shí)物某一物理量與刀盤(pán)模型相同物理量的比例大小，用C表示。

表1TBM刀盤(pán)物理量相似常數(shù)

Table 1The similar constants of the TBM cutterhead physical quantities

類型物理量相似關(guān)系材料特征量應(yīng)力σCσ=CE彈性模量ECE泊松比μCμ=1密度ρCρ幾何量長(zhǎng)度lCl載荷量加載力FCF=CEC2l力矩MCM=CEC3l面載荷PCP=CE動(dòng)力量質(zhì)量mCm=CρC3l剛度kCk=CECl阻尼cCc=C2l(CECρ)1/2頻率fCf=Cl-1CE/Cρ()1/2加速度aCa=CE/ClCρ

表2　試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)主參數(shù)

表1中,CE、Cρ、Cl分別是材料彈性模量、密度和模型尺寸相似常數(shù)，它們作為基本相似常數(shù)量由實(shí)驗(yàn)需要確定，而載荷量和動(dòng)力量的相似常數(shù)量由CE、Cρ、Cl的代數(shù)組合確定。在本TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中，實(shí)物刀盤(pán)的主參數(shù)采用遼西北引水隧道工程中的Robins中方五分式刀盤(pán)的主參數(shù)。設(shè)計(jì)該試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)的直徑為1 000 mm，令縮尺刀盤(pán)材料與實(shí)物刀盤(pán)相同，從而確定Cl=8.53、CE=Cρ=1。

3不同分體和刀具布置形式的縮尺刀盤(pán)設(shè)計(jì)

3.1縮尺刀盤(pán)相似性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)Σ煌煮w形式和刀具布置方式的刀盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和延長(zhǎng)刀盤(pán)壽命的研究。本試驗(yàn)臺(tái)按照表1、2中推導(dǎo)出的相似常數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)3種分體形式的刀盤(pán)可分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[19]，分別是中方五分式、偏分式和對(duì)分式刀盤(pán)，并且每種刀盤(pán)設(shè)計(jì)兩種刀具布置方式[20-22]：方案1，9把正刀，5把邊刀;方案2，8把正刀，4把邊刀。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了很高的經(jīng)濟(jì)性并擴(kuò)大了試驗(yàn)臺(tái)的功能，縮尺刀盤(pán)具體設(shè)計(jì)如下。中方五分式試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)按Robins中方五分式刀盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，偏分式試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)按某引水工程用到的TBM偏分式刀盤(pán)設(shè)計(jì)，對(duì)分式試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)按青海刀盤(pán)設(shè)計(jì)。由于3種刀盤(pán)采用的刀具布置方式相同，下面僅對(duì)中方五分式縮尺刀盤(pán)的不同刀具布置方式進(jìn)行說(shuō)明。

3.2縮尺刀盤(pán)設(shè)計(jì)相似性驗(yàn)證

因在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要對(duì)刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，所以在滿足刀盤(pán)結(jié)構(gòu)相似的前提下，刀盤(pán)的剛度和阻尼也是重要的控制參數(shù)，應(yīng)滿足相似性要求。通過(guò)反復(fù)調(diào)整刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和鋼板厚度，利用Ansys Workbench對(duì)縮尺刀盤(pán)的剛度和阻尼做相似性驗(yàn)證，下面以中方五分式縮尺刀盤(pán)為例來(lái)說(shuō)明。分別對(duì)刀盤(pán)盤(pán)面施加105N·mm的軸向扭矩、105N的軸向載荷和105N的橫向載荷，得到刀盤(pán)的變形圖如圖2。

圖2　縮尺刀盤(pán)變形圖Fig.2　Deformation figure of the reduced scale cutterhead

由Ansys Workbench求得縮尺刀盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度為Kt=5.0×1011N/rad, 軸向剛度Kz=3.5×109N/m, 橫向剛度為Ky=1.8×109N/m。

由縮尺刀盤(pán)的質(zhì)量和剛度計(jì)算其阻尼如下：

式中：C為阻尼；me為等效質(zhì)量；Ke為等效剛度；ζ為阻尼比，鋼結(jié)構(gòu)在彈性階段一般取為0.02～0.05。

其中，縮尺刀盤(pán)的質(zhì)量為315 kg，與刀盤(pán)的理論質(zhì)量相比誤差為2.23%。代入數(shù)據(jù)，求得縮尺刀盤(pán)的阻尼為：扭轉(zhuǎn)阻尼Ct=5.0×105，軸向阻尼Cz=4.2×104，橫向阻尼Cy=3.0×104。

通過(guò)與表1、2中試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)相比較，得到設(shè)計(jì)的縮尺刀盤(pán)剛度和阻尼誤差如下：刀盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度誤差為4.2%，軸向剛度誤差為3.6%，橫向剛度誤差為5.3%；刀盤(pán)的扭轉(zhuǎn)阻尼誤差為0.4%，軸向阻尼誤差為3.1%，橫向阻尼誤差為1%。由于絕對(duì)相似非常困難，從比較結(jié)果可看出，設(shè)計(jì)的縮尺刀盤(pán)剛度和阻尼分布很接近其理論分布，又因?yàn)楸ＷC了刀盤(pán)的幾何相似并且采用相同的材料，可認(rèn)為設(shè)計(jì)的縮尺刀盤(pán)是相似的。

4縮尺刀盤(pán)動(dòng)態(tài)沖擊載荷相似性驗(yàn)證

在實(shí)際刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)將受到隨機(jī)、突變的軸向和扭矩載荷，要使模型實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確可靠，關(guān)鍵是使試驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)受到的載荷符合實(shí)際刀盤(pán)隨機(jī)、突變的載荷特點(diǎn)。本試驗(yàn)臺(tái)采用刀盤(pán)軸向加載系統(tǒng)對(duì)縮尺刀盤(pán)施加軸向沖擊載荷和扭矩載荷，液壓作動(dòng)器帶動(dòng)加載盤(pán)與刀盤(pán)刀具作用進(jìn)而將載荷傳遞給刀盤(pán)。加載盤(pán)為碗狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)表面上加工有凸臺(tái)與凹槽。刀盤(pán)刀具為觸頭形式，觸頭端為圓弧狀，刀具伸出縮尺刀盤(pán)的高度為113 mm。實(shí)際刀盤(pán)上刀具的伸出高度需要考慮到刀盤(pán)面上巖渣的流動(dòng)、刀盤(pán)面的磨損和滾刀的振動(dòng)，而縮尺刀盤(pán)的刀具只起到傳遞載荷的作用，其布置高度不必要進(jìn)行相似設(shè)計(jì)。刀具在刀盤(pán)帶動(dòng)下其觸頭端在加載盤(pán)內(nèi)表面上進(jìn)行圓周形摩擦滑動(dòng)，當(dāng)?shù)毒吲c凹槽和凸臺(tái)作用時(shí)，能夠模擬實(shí)際掘進(jìn)中刀具受到的躍進(jìn)特性。加載盤(pán)上凸臺(tái)凹槽布置示意圖和滾刀與凸臺(tái)凹槽相互作用示意圖如圖3所示。圖3(a)中，r為刀盤(pán)上刀具布置半徑，a為每?jī)山M凸臺(tái)凹槽之間的夾角，L為兩組凸臺(tái)凹槽間的弧長(zhǎng)距離。凸臺(tái)凹槽組的布置密度可通過(guò)改變a實(shí)現(xiàn)，則凸臺(tái)凹槽組的布置個(gè)數(shù)為Z=2π/a，即對(duì)于不同的r, 可通過(guò)改變角a的值，均勻布置不同密度的凸臺(tái)凹槽組，進(jìn)而改變縮尺刀盤(pán)受到的波動(dòng)載荷頻率。圖3(b)中，刀具弧狀觸頭爬上凸臺(tái)和進(jìn)入凹槽實(shí)現(xiàn)刀具的增載和卸載，通過(guò)改變凸臺(tái)的高度h1和凹槽的寬度W和深度h2即可改變刀具上載荷的波動(dòng)大小。

為了驗(yàn)證該加載系統(tǒng)能否給縮尺刀盤(pán)提供相似的載荷，利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)在該加載系統(tǒng)施加載荷作用下刀盤(pán)受到的軸向推力載荷和扭轉(zhuǎn)沖擊載荷曲線進(jìn)行提取和分析。由于篇幅所限，僅對(duì)方案一刀具布置下的刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載動(dòng)力學(xué)仿真。加載盤(pán)上布置10周凸臺(tái)凹槽組，最邊緣的一周與刀盤(pán)上的邊刀相互作用，其余9周分別與9把正刀相互作用。凸臺(tái)凹槽尺寸和布置參數(shù)為：h1=1 mm,W=16 mm，h2=1 mm, 在每個(gè)圓周上兩組凸臺(tái)凹槽間的弧長(zhǎng)距離L均為25π。

為了驗(yàn)證該加載系統(tǒng)能否給縮尺刀盤(pán)提供相似的載荷，本文利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)在該加載系統(tǒng)施加載荷作用下刀盤(pán)受到的軸向推力載荷和扭轉(zhuǎn)沖擊載荷曲線進(jìn)行提取和分析。

(a) 凸臺(tái)凹槽布置示意圖

(b) 刀具與凸臺(tái)凹槽作用示意圖圖3　凸臺(tái)凹槽布置及與刀具作用示意圖Fig.3　Layout of convex and groove and their interaction with the tool

(a) 實(shí)際刀盤(pán)軸向載荷

(b) 縮尺刀盤(pán)軸向載圖4　刀盤(pán)軸向推力載荷曲線Fig.4　Dynamic stiffness and damping curve of the bearing

(a) 實(shí)際刀盤(pán)扭矩載荷

(b) 縮尺刀盤(pán)扭矩載荷圖5　刀盤(pán)扭轉(zhuǎn)載荷曲線Fig.5　Torque curves of the reduced scale cutterhead

刀盤(pán)軸向加載裝置與縮尺刀盤(pán)作用的動(dòng)力學(xué)仿真模型中，刀盤(pán)法蘭與軸承之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，軸承與大地間施加軸向彈簧約束，刀盤(pán)與大地間施加徑向彈簧約束，彈簧約束使刀盤(pán)和軸承具有一定的剛度和阻尼特性并在加載過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。采用單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)對(duì)縮尺刀盤(pán)施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)遼西北實(shí)際掘進(jìn)工程中測(cè)得刀盤(pán)軸向載荷數(shù)據(jù)，利用相似關(guān)系換算為試驗(yàn)臺(tái)縮尺刀盤(pán)應(yīng)受到的載荷數(shù)據(jù)，選取14.7 s的載荷歷程，將該載荷作為液壓作動(dòng)器的輸出載荷施加在加載盤(pán)上3個(gè)液壓作動(dòng)器作用位置處，完成對(duì)縮尺刀盤(pán)的模擬加載。為實(shí)現(xiàn)加載盤(pán)偏載和阻止其隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在靠近加載盤(pán)直徑兩端處添加兩個(gè)球鉸副。

設(shè)置仿真時(shí)間為14.7 s，通過(guò)仿真得到縮尺刀盤(pán)受到的軸向推力載荷曲線和扭轉(zhuǎn)載荷曲線，實(shí)際刀盤(pán)和縮尺刀盤(pán)的軸向推力載荷曲線如圖4所示，扭矩載荷曲線如圖5所示。

通過(guò)上述分析，可知縮尺刀盤(pán)的各項(xiàng)載荷指標(biāo)與理論值比較接近，可認(rèn)為軸向加載系統(tǒng)能夠給縮尺刀盤(pán)提供相似的軸向和扭矩載荷。

5結(jié)論

1)依據(jù)相似理論的原理，通過(guò)分析實(shí)物TBM刀盤(pán)與模型實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在聯(lián)系，建立了TBM刀盤(pán)的材料、幾何、載荷和動(dòng)力特征量的相似參數(shù)集合，獲得了TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)了3種分體形式刀盤(pán)和兩種刀具布置方案的縮尺刀盤(pán)試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)多種分體結(jié)構(gòu)和不同刀具布置方式的刀盤(pán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，為T(mén)BM刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析提供實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證。

2)通過(guò)靜力學(xué)分析得出縮尺刀盤(pán)的剛度和阻尼與理論值相比誤差小于5.3%，在無(wú)法保證完全相似的條件下，驗(yàn)證了刀盤(pán)設(shè)計(jì)的相似性。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，提取了軸向加載系統(tǒng)加載下縮尺刀盤(pán)的軸向推力載荷和扭矩載荷曲線，通過(guò)對(duì)比縮尺刀盤(pán)載荷的仿真值與理論值，得出載荷的平均值誤差小于4.2%，波動(dòng)方差誤差小于2.9%，考慮到刀盤(pán)受載物理過(guò)程的復(fù)雜性及系統(tǒng)相似的非絕對(duì)性，認(rèn)為軸向加載系統(tǒng)可給縮尺刀盤(pán)提供相似的軸向推力載荷和扭矩載荷，說(shuō)明了縮尺刀盤(pán)軸向加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

3)設(shè)計(jì)的TBM刀盤(pán)縮尺試驗(yàn)臺(tái)還存在一些不足。加載盤(pán)上設(shè)計(jì)的凸臺(tái)和凹槽會(huì)被逐漸磨損，進(jìn)而影響縮尺刀盤(pán)受到的沖擊載荷，這在后續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中需要不斷完善設(shè)計(jì)。試驗(yàn)過(guò)程中縮尺刀盤(pán)承受沖擊載荷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集是試驗(yàn)臺(tái)控制量測(cè)部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于縮尺刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)特性定量分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性控制還有待進(jìn)一步深入研究和完善。

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本文引用格式：

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Design of a TBM cutterhead reduced-scale test bench and its static/dynamic characteristics analysis

HUO Junzhou，LI Guangqing，WU Hanyang，SUN Wei，SUN Xiaolong

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract：The diameter of a real cutterhead is so large (≥ 6 m) that experiments on a life-sized cutterhead would involve significant costs and would be difficult to conduct. Therefore, research on a reduced-scale model of a tunnel-boring machine (TBM) cutterhead is beneficial to the optimization and life-extension design of the tool. A collection of parameters such as material, geometry, load, and dynamic quantities of a TBM cutterhead were gathered. Based on the theory of similarity. The design parameters of the test bench were acquired, and a reduced-scale test bench for a TBM cutterhead with different assembly structures and different cutter-knife arrangements was designed based on the parameters and load characteristics of the multi-point impact distribution determined from the excavation process of an actual TBM cutter. The static and dynamic analyses of the test bench were performed with AnsysWorkbench and ADAMS software. The results show that, compared to the expected value, the stiffness and damping error of the reduced-scale cutterhead is less than 5.3%, the mean value error is less than 4.2% and the variance error is less than 2.9%, proving the similarity of the test model's static and dynamic performance to the performance of an actual cutterhead.

Keywords：test bench; TBM cutterhead; similarity theory; reduced-scale TBM cutterhead; loading disc; cutter;static characterist;dynamic characteristics

收稿日期：2014-12-01.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375001)；國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB035400).

作者簡(jiǎn)介：霍軍周(1979-)，男，副教授，博士生導(dǎo)師． 通信作者：霍軍周，E-mail：huojunzhou@dlut.edu.cn．

DOI:10.11990/jheu.201412001

中圖分類號(hào)：TP391175

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)05-0713-06

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-11.