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摘要：硬岩掘进机（TBM）是隧道掘进的主要设备，广泛应用于铁路、公路、水利、市政建设等。TBM 推进系统机械结构主要包括刀盘、主梁、后支撑、鞍架和撑靴等。TBM用刀盘转动技术以实现破岩掘进，排渣的同时进行隧道支护，使隧道全断面一次成型。在TBM作业中，滚刀引起的岩石破碎的强烈冲击会引起推进系统的剧烈振动，严重影响了工作的正常进行。传统的动力吸振器必须有足够的附加质量才能达到良好的减振效果，但是TBM系统质量庞大安装空间有限，减振器的附加质量难以大幅度提高。因此本文提出应用杠杆机构来实现放大吸振器的附加质量的方案，并设计了适用于 TBM 推进系统的动力吸振器。
关键词：硬岩掘进机；动力学；振动特性；动力吸振器；优化
一、TBM的发展现状
1846年开始就出现了第一台简单的硬岩掘进机，从而开始了隧道掘进机机械化的探究。到1851年一个美国的工程师设计出了世界第一台可以连续工作的TBM，由于当时的技术条件不是很方便，在很多方面的技术问题都不能够被解决，所以没有办法和当时新出现的钻爆法技术相媲美，很难有效地应用。之后从1952年到1956年，美国的James S. Robbins 和Charles Wilson 想到方法一点一点的解决了滚刀、刀盘驱动及支撑推进等问题，使TBM技术和应用得到了迅速的发展。
早期国外对TBM的广泛应用，使中国也开始注重TBM的研究，我国随着施工技术的不断完善和成熟，在1964年开始对全断面TBM进行研究工作。在改革开放之后，国外的TBM制造商都来到中国要与我国的生产厂商进行合作。1996年 Wirth 公司与铁道部宝鸡工程机械厂合作生产用于秦岭隧道的 Wirth TB880E掘进的后配套设备。到目前，我国对于TBM系统振动的探究还没有很大的进步，在仅有的一部分有关TBM振动研究中，也多是集中于TBM对周围环境振动的影响和TBM刀盘系统的振动分析，而关于TBM的整机振动分析尚没有开展。
二、TBM 动力学分析与振动特性分析
TBM的全部工作过程包括四个过程，支撑、调向、掘进、换步。其中在掘进过程中推进液压缸推动主梁前伸，将刀盘和刀具紧紧压在被切削的岩石壁面上，同时刀盘转动，带动刀具切削岩石，随着主梁向前推进，岩石被切削，形成隧道。掘进过程中是TBM工作过程中最重要的，过程中TBM的输出功率最大，包括推进液压缸的推进功率和刀盘的切削功率。硬岩破碎产生的强冲击大载荷要求TBM采用高刚度推进系统，以保证硬岩掘进作业具备足够大的推进力。另一方面，整个系统在刀盘面受到切削岩石过程中的巨大冲击载荷，很大程度上会使掘进装备整体振动，容易使关键部件过早的坏掉和失效，还有可能出现卡机和堵转等事故。为减少关键部件过早的坏掉和失效，避免TBM振动导致的卡机和堵转等事故，要求推进系统具有对振动能量的耗吸能力。
（一）推进系统结构
目前国内外所设计生产的各型硬岩掘进机，其在结构形式上虽有一定的区别，但是工作原理基本相同，整机主要由11 部分组成：刀盘部件、刀盘轴承及刀盘密封、刀盘支撑壳体、机架、支撑及推进系统、刀盘回转机构、前后下支承及调向机构、出碴设备、激光导向（VMT）装置、除尘装置和附属设备等。正在设计的“TBM 综合性能试验台”原理样机的主梁结构有“直梁”和“斜梁”两种。图1所示为斜主梁原理样机结构。其中支撑-推进系统主要结构包括前盾、主梁、后支撑、鞍架、撑靴、推进液压缸、扭矩液压缸和支撑液压缸。推进液压缸在左右两侧各有两个，通过圆柱铰连接于撑靴和主梁上，在主梁轴线方向提供轴向推力，推动主梁前进，实现 TBM 的掘进作业。扭矩液压缸在左右两侧各有两个，连接于支撑液压缸缸体和鞍架之间，在竖直方向上托举鞍架同时防止鞍架转动，必要时给鞍架提供转动力矩，矫正鞍架、主梁和盾体的转动。支撑液压缸通过球铰连接左右两侧的撑靴，将撑靴压于岩壁上。主梁和鞍架通过滑动导轨连接，使鞍架可在主梁上沿掘进轴向运动。
图1 TBM试验样机的推进系统结构
三、振动控制
(一)质量放大吸振器
硬岩掘进机主梁的低阶模态形成主要集中在主梁的三个平动自由度上，其固有频率在设备工作过程中变化不大。传统的被动动力吸振器在很窄的频率范围内对振动有良好的抑制作用，并可以通过安装多个动力吸振器的设计，有效地提高了系统的鲁棒性，因此本文采用传统的被动动力吸振器作为硬岩掘进机主梁振动的抑振措施。
传统的被动动力吸振器对在一个频率上的振动有着十分良好的控制效果，其吸振效果越好，附加质量越大，可以看出吸振效果与吸振器的附加质量密切相关，总是受限于结构空间及对总质量的控制等原因，不能使吸振器的附加质量得到最大化。对TBM它的总质量能达到100吨以上，不能很好的降低振动水平，吸振器附加的质量要在几吨左右。这对以后的维护和安装都十分困难，在安装这么巨大的装置时肯定会改变原来的操作系统结构。为此，如何能够有效地放大吸振器的附加质量成了主要研究目标。
杠杆装置能有效放大系统的惯性力、弹性力和阻尼力。顾明[4]通过放大杠杆装置的弹性力，大大降低了悬架减振器的静变形，减小了弹簧非线性对系统的影响，并采用半主动杠杆式吸振器来抑制大跨度桥梁风致振动。李春祥[5,6]对杠杆式吸振器进行了系统研究和对性能的评价。同时定性分析了弹性力和阻尼力的放大效应。背户一登[7]等人将定点理论应用于单摆制振装置，利用杠杆机构放大惯性力和阻尼力，并将其应用于建筑物的振动抑制。
（二）动力吸振器的优化
能够达到理想的吸振效果，必须要对动力吸振器的参数进行优化设计。动力吸振器常用的优化方法有解析法和数值法。传统的被动动力吸振器通常采用解析法，就是所谓的定点理论。理论模型简单，利用目标函数的数学特征对参数进行优化，因而得到最好的解析，一般结果是普遍性的，只要与数学模型相同，就可以使用最优结果使用方便。用解析法可以得到传统被动吸振器的最佳一致条件和最佳阻尼条件。在工程应用中，基本上大多数都要安装动力吸振器系统，结构非常复杂，系统与系统之间的数学模型是完全不相同的，因此解析方法将变得极其困难，其通用性也受到局限。在这一点上，数值方法的优点就显示出来了。即使是非常复杂的系统，借助计算机处理，利用数值方法来求解系统的最优解，会变的非常简单。然而数值方法使用非常方便，但是也有其局限性，也就是说它不是通用的，其结果只适用于一个特定的系统。一旦系统发生变化被改变或同一系统的某些参数被改变，这些所有的参数都必须进行再次优化。
四、总结
我国的基础建设少不了TBM设备，在公路、铁路、水利等建设领域具有不可替代的作用，也在不断的发展有广阔的市场前景。可是目前硬岩掘进机在施工过程中存在振动过于严重的问题。过程中强烈的振动会给设备带来过早的损坏和关键部位的断裂，同时降低掘进效率和增加了设备的维护成本。因此TBM系统在施工过程中的振动控制问题成了关键所在。
针对TBM推进系统特有的机械结构，通过杠杆原理和定点理论，提出了新型的质量放大动力吸振器方案。根据TBM的结构特征，设计了与该系统适应的质量放大效果吸振器，并对吸振器进行参数优化。
参考文献：
[1]钱七虎,李朝甫,傅德明.隧道掘进机在中国地下工程中应用现状及前景展望[J].地下空间,2002,22(1):1-12.
[2]伍志勇,刘宗建.城市地铁开敞式TBM施工振动研究[J].城市建设理论研究(电子版),2013(14).
[3]张红星,张宁川. 803E 掘进机刀盘振动问题浅探[J]. 隧道建设,2008,27(6):76-78.
论文作者:高敏,吴文雯
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/2
标签：系统论文; 液压缸论文; 质量论文; 动力论文; 结构论文; 过程中论文; 杠杆论文; 《防护工程》2017年第28期论文;