摘要
全断面岩石隧道掘进机（fullfacehardrocktunnelboringmachine，简称TBM）正朝着大型化方向发展，随着TBM开挖断面的不断增大，TBM开挖面内出现复合岩层的概率也随之增大，复合岩层工况对TBM最直接的影响体现在受力方面。主轴承作为TBM主驱动系统的核心部件，在掘进作业过程中兼具承载和传动的功能，故TBM主轴承的振动一定会受到复合岩层工况的影响。因此，探明复合岩层工况对TBM主轴承振动的影响，能够为基于动力学的TBM主轴承优化设计以及状态监测奠定理论基础。本文以探明复合岩层工况对TBM主轴承振动的影响为目标，研究复合岩层工况下主轴承外部载荷、内部载荷分布以及动力学行为，具体研究内容如下： (1)对本课题的研究背景以及研究意义进行阐述，在查阅国内外相关文献的基础上，对TBM的复合岩层工况研究现状、TBM主轴承静力学研究现状、TBM主轴承动力学研究现状以及TBM主轴承试验台研究现状进行了总结。通过分析主轴承所在主驱动系统以及主轴承自身结构组成，明确了主轴承的载荷来源以及主轴承的承载形式。为了研究复合岩层工况对TBM主轴承外部载荷的影响规律，分别建立了典型复合岩层的分布模型、滚刀布局模型，通过比较同一时刻下二者的高度关系确定滚刀实时破碎岩层的类别；进一步通过分析滚刀破岩机理，选取CSM模型预测滚刀受力，进而建立刀盘载荷合成模型，预测刀盘载荷。为了研究复合岩层工况对TBM主轴承内部载荷分布的影响规律，结合主轴承受力形式，建立不同工况下主轴承内部载荷分布模型。为了研究复合岩层工况对TBM主轴承振动的影响规律，基于牛顿第二定律建立了主轴承内圈动力学模型。 (2)结合实际施工情况，采用数值分析的方法，对复合岩层工况下TBM主轴承的振动进行了仿真分析。为明确复合岩层工况对主轴承外载的影响，仿真分析了连续变化的复合岩层工况下单把滚刀的载荷变化规律以及刀盘的载荷变化规律，进一步分析了二元复合岩层工况下TBM掘进一周时单把滚刀的受力情况以及刀盘的载荷变化情况，并与单一岩层工况下单把滚刀受力情况以及刀盘的载荷变化情况进行对比分析。为明确复合岩层工况对主轴承内部载荷分布的影响，仿真分析了几种不同工况下主轴承内部载荷分布情况，并提出了复合岩层分化程度比值的概念。为研究复合岩层工况对TBM主轴承振动的影响，分别对单一岩层与复合岩层工况下TBM主轴承的振动进行了仿真分析，并进一步仿真分析了不同转速与不同岩层分布情况下主轴承的振动情况。 (3)为了验证理论模型与数值分析结果的正确性，结合实验需求，基于缩比实验的思想设计了TBM主轴承振动模拟试验台，使用有限元分析软件对试验台的主要受力部件进行了强度校核，并完成了试验台的搭建工作。利用所搭建实验台对理论模型进行了实验验证并对不同转速与不同岩层分布下工况下的主轴承进行了振动信号采集，实验结果验证了模型的准确性以及数值分析结果的正确性。
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